Кремний карбидті керамика және олардың әртүрлі өндіріс процестері

Кремний карбиді (SiC) керамикадәлдіктегі подшипниктер, тығыздағыштар, газ турбиналық роторлар, оптикалық компоненттер, жоғары температуралы саптамалар, жылу алмастырғыш компоненттері және ядролық реактор материалдары сияқты талап етілетін қолданбаларда кеңінен қолданылады. Бұл кеңінен қолдану олардың ерекше қасиеттеріне, соның ішінде жоғары тозуға төзімділікке, тамаша жылу өткізгіштікке, жоғары тотығуға төзімділікке және тамаша жоғары температуралық механикалық қасиеттерге байланысты. Дегенмен, SiC-ге тән күшті коваленттік байланыс және төмен диффузия коэффициенті агломерация процесінде жоғары тығыздауға қол жеткізуде айтарлықтай қиындық тудырады. Демек, агломерация процесі жоғары өнімділікке қол жеткізудегі шешуші қадамға айналадыSiC керамика.

Бұл құжат тығыз өндіру үшін қолданылатын әртүрлі өндіріс әдістеріне толық шолу жасайдыRBSiC/PSSiC/RSiC керамика, олардың бірегей сипаттамалары мен қолданылуын көрсетеді:

1. Реакциялық байланыстырылған кремний карбиді (RBSiC)

RBSiCкремний карбиді ұнтағын (әдетте 1-10 мкм) көміртегімен араластыруды, қоспаны жасыл денеге айналдыруды және кремний инфильтрациясы үшін оны жоғары температураға ұшыратуды қамтиды. Бұл процесс кезінде кремний көміртегімен әрекеттеседі, нәтижесінде SiC бар бөлшектермен байланысады, нәтижесінде тығыздауға жетеді. Кремний инфильтрациясының екі негізгі әдісі қолданылады:

Сұйық кремний инфильтрациясы: кремний балқу температурасынан (1450-1470°C) жоғары қызады, бұл балқытылған кремнийдің капиллярлық әсер арқылы кеуекті жасыл денеге енуіне мүмкіндік береді. Содан кейін балқытылған кремний көміртегімен әрекеттесіп, SiC түзеді.

Будың кремний инфильтрациясы: кремний буын жасау үшін кремний балқу температурасынан жоғары қызады. Бұл бу жасыл денеге еніп, кейін көміртегімен әрекеттеседі, SiC түзеді.

Процесс ағыны: SiC ұнтағы + C ұнтағы + Тұтқыр → Пішімдеу → Кептіру → Бақыланатын атмосферада байланыстырғыштың күйіп кетуі → Жоғары температурадағы Si инфильтрациясы → Өңдеуден кейінгі

(1) Негізгі ойлар:

Жұмыс температурасыRBSiCматериалдағы бос кремнийдің қалдық құрамымен шектеледі. Әдетте, максималды жұмыс температурасы шамамен 1400 ° C болады. Бұл температурадан жоғары бос кремнийдің балқуына байланысты материалдың беріктігі тез нашарлайды.

Сұйық кремний инфильтрациясы соңғы өнімнің қасиеттеріне теріс әсер ететін кремнийдің жоғары қалдығын (әдетте 10-15%, кейде 15% асады) қалдыруға бейім. Керісінше, бу кремний инфильтрациясы қалдық кремний мазмұнын жақсырақ басқаруға мүмкіндік береді. Жасыл денедегі кеуектілікті азайту арқылы, агломерациядан кейінгі қалдық кремний құрамын 10%-дан төменге дейін, ал процесті мұқият бақылау арқылы, тіпті 8%-дан төмен де азайтуға болады. Бұл қысқарту соңғы өнімнің жалпы өнімділігін айтарлықтай жақсартады.

Мұны атап өту маңыздыRBSiC, инфильтрация әдісіне қарамастан, міндетті түрде кремний қалдығы (8%-дан 15%-ға дейін) болады. Сондықтан,RBSiCбір фазалы кремний карбиді керамика емес, керісінше «кремний + кремний карбиді» композициясы. Демек,RBSiCдеп те аталадыSiSiC (кремний кремний карбиді композициясы).

(2) Артықшылықтары мен қолданбалары:

RBSiCбірнеше артықшылықтарды ұсынады, соның ішінде:

Төмен агломерация температурасы: Бұл энергия тұтынуды және өндіріс шығындарын азайтады.

Шығындық тиімділік: процесс салыстырмалы түрде қарапайым және оңай қол жетімді шикізатты пайдаланады, бұл оның қолжетімділігіне ықпал етеді.

Жоғары тығыздық:RBSiCжоғары тығыздық деңгейіне жетеді, бұл механикалық қасиеттердің жақсаруына әкеледі.

Near-Net Shaping: Көміртекті және кремний карбидінің дайындамасын күрделі пішіндер үшін алдын ала өңдеуге болады және агломерация кезінде ең аз шөгу (әдетте 3% -дан аз) өлшемдік дәлдікті қамтамасыз етеді. Бұл өңдеуден кейінгі қымбат өңдеуді, жасауды азайтадыRBSiCүлкен, күрделі пішінді компоненттер үшін әсіресе қолайлы.

Осы артықшылықтардың арқасында,RBSiCәртүрлі өнеркәсіптік қолданбаларда, ең алдымен өндірісте кеңінен қолданылады:

Пештің құрамдас бөліктері: төсемдер, тигельдер және саггарлар.

Ғарыштық айналар:RBSiCТөмен термиялық кеңею коэффициенті және жоғары серпімділік модулі оны ғарыштық айналар үшін тамаша материал етеді.

Жоғары температуралы жылу алмастырғыштар: Рефель (Ұлыбритания) сияқты компаниялар қолдануда пионер болдыRBSiCжоғары температуралы жылу алмастырғыштарда, химиялық өңдеуден бастап электр энергиясын өндіруге дейін қолданылады. Asahi Glass (Жапония) да ұзындығы 0,5 метрден 1 метрге дейінгі жылу алмастырғыш түтіктерді шығаратын осы технологияны қабылдады.

Сонымен қатар, жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде үлкен пластинкаларға және жоғары өңдеу температураларына сұраныстың артуы жоғары тазалықтағы өнімдердің дамуына түрткі болды.RBSiCқұрамдас бөліктер. Жоғары таза SiC ұнтағы мен кремнийді қолдану арқылы жасалған бұл компоненттер электронды түтіктер мен жартылай өткізгіш пластиналарды өңдеу жабдықтарына арналған тірек айлабұйымдарындағы кварц шыны бөліктерін біртіндеп ауыстырады.

Диффузиялық пешке арналған Semicorex RBSiC вафельді қайық

(3) Шектеулер:

Артықшылықтарына қарамастан,RBSiCбелгілі бір шектеулерге ие:

Қалдық кремний: бұрын айтылғандай,RBSiCпроцесс түпкілікті өнімде қалдық бос кремнийге әкеледі. Бұл қалдық кремний материалдың қасиеттеріне теріс әсер етеді, соның ішінде:

Басқалармен салыстырғанда төмендетілген беріктік пен тозуға төзімділікSiC керамика.

Шектеулі коррозияға төзімділік: бос кремний сілтілі ерітінділердің және фтор қышқылы сияқты күшті қышқылдардың шабуылына сезімтал,RBSiCмұндай орталарда пайдалану.

Төменгі жоғары температуралық беріктік: бос кремнийдің болуы максималды жұмыс температурасын 1350-1400°C шамасында шектейді.

2. Қысымсыз агломерация - PSSiC

Кремний карбидін қысымсыз агломерациялау2000-2150°С аралығындағы температурада инертті атмосферада және сыртқы қысымды қолданбай, сәйкес агломерациялық құралдарды қосу арқылы әртүрлі пішіндері мен өлшемдері бар үлгілердің тығыздалуына қол жеткізеді. SiC қысымсыз агломерациялау технологиясы жетілді, оның артықшылығы өндірістің төмен құнында және өнімдердің пішіні мен өлшемдерінде ешқандай шектеулер жоқ. Атап айтқанда, қатты фазалық агломерацияланған SiC керамикасының тығыздығы жоғары, біркелкі микроқұрылымы және тамаша жан-жақты материал қасиеттері бар, бұл оларды тозуға төзімді және коррозияға төзімді тығыздағыш сақиналарда, сырғымалы мойынтіректерде және басқа қолданбаларда кеңінен қолдануға мүмкіндік береді.

Кремний карбидін қысымсыз агломерациялау процесін қатты фазаға бөлуге боладыагломерленген кремний карбиді (SSiC)және сұйық фазалық агломерленген кремний карбиді (LSiC).

Қысымсыз қатты фазалы агломерленген кремний карбидінің микроқұрылымы мен түйіршік шекарасы

Қатты фазалық агломерацияны алғаш рет 1974 жылы американдық ғалым Прочазка ойлап тапты. Ол β-SiC субмикронына аз мөлшерде бор мен көміртекті қосып, кремний карбидін қысымсыз агломерациялауды жүзеге асырды және тығыздығы 95% жуық тығыз агломерацияланған денені алды. теориялық құндылығы. Кейіннен В.Бткер мен Х.Ганснер α-SiC-ті шикізат ретінде қолданып, кремний карбидінің тығыздалуына қол жеткізу үшін бор мен көміртекті қосты. Кейінгі көптеген зерттеулер бор мен бор қосылыстары, сондай-ақ Al және Al қосылыстары агломерацияны ынталандыру үшін кремний карбидімен қатты ерітінділер түзе алатынын көрсетті. Көміртекті қосу беттік энергияны арттыру үшін кремний карбидінің бетіндегі кремний диоксидімен әрекеттесу арқылы агломерацияға пайдалы. Қатты фазалы агломерленген кремний карбидінің салыстырмалы түрде «таза» дән шекаралары бар, негізінен сұйық фазасы жоқ және дәндер жоғары температурада оңай өседі. Сондықтан сыну трансгранулярлы, ал беріктігі мен сыну беріктігі әдетте жоғары емес. Дегенмен, оның «таза» дәндік шекараларына байланысты жоғары температуралық беріктік температураның жоғарылауымен өзгермейді және әдетте 1600 ° C дейін тұрақты болып қалады.

Кремний карбидін сұйық фазалық агломерациялауды 1990 жылдардың басында американ ғалымы М.А.Мулла ойлап тапқан. Оның негізгі агломерациялық қоспасы Y2O3-Al2O3 болып табылады. Сұйық фазалы агломерацияның қатты фазалық агломерациямен салыстырғанда агломерация температурасының төмен болуы артықшылығы бар, ал түйір өлшемі кішірек.

Қатты фазалық агломерацияның негізгі кемшіліктері агломерацияның талап етілетін жоғары температурасы (>2000°С), шикізатқа қойылатын жоғары тазалық талаптары, агломерацияланған дененің сынуға төзімділігінің төмендігі және сыну беріктігінің жарықшақтарға күшті сезімталдығы болып табылады. Құрылымдық жағынан дәндер дөрекі және біркелкі емес, ал сыну режимі әдетте трансгранулярлы. Соңғы жылдары үйде және шетелде кремний карбидті керамикалық материалдар бойынша зерттеулер сұйық фазалық агломерацияға бағытталған. Сұйық фазалық агломерацияға агломерациялық көмекші ретінде көп компонентті төмен эвтектикалық оксидтердің белгілі бір мөлшерін пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Мысалы, Y2O3 екілік және үштік көмекшілері SiC және оның композиттері төмен температурада материалдың тамаша тығыздалуына қол жеткізе отырып, сұйық фазалық агломерацияны көрсетеді. Сонымен қатар, астық шекарасының сұйық фазасының енгізілуіне және бірегей интерфейстік байланыстыру беріктігінің әлсіреуіне байланысты, керамикалық материалдың сыну режимі түйіршікаралық сыну режиміне ауысады, ал керамикалық материалдың сыну беріктігі айтарлықтай жақсарады. .

3. Қайта кристалданған кремний карбиді - RSiC

Қайта кристалданған кремний карбиді (RSiC)екі түрлі бөлшектердің өлшемдері, ірі және ұсақ, жоғары таза кремний карбидінен (SiC) ұнтақтан жасалған жоғары таза SiC материалы. Ол жоғары температурада (2200-2450°С) буландыру-конденсациялау механизмі арқылы агломерацияға көмекші құралдарды қоспай күйдіріледі.

Ескерту: Агломерациялық құралдарсыз агломерациялық мойынның өсуіне әдетте беттік диффузия немесе булану-конденсация массасының тасымалдануы арқылы қол жеткізіледі. Классикалық агломерация теориясына сәйкес, бұл масса алмасу әдістерінің ешқайсысы байланысатын бөлшектердің масса орталықтары арасындағы қашықтықты азайта алмайды, осылайша макроскопиялық масштабта ешқандай шөгуді тудырмайды, бұл тығыздалмаған процесс. Бұл мәселені шешу және жоғары тығыздықтағы кремний карбиді керамикасын алу үшін адамдар жылуды қолдану, агломерациялық құралдарды қосу немесе жылу, қысым және агломерациялық құралдарды біріктіру сияқты көптеген шараларды қабылдады.

Қайта кристалданған кремний карбидінің сыну бетінің SEM кескіні

Сипаттамалары мен қолданбалары:

RSiCқұрамында 99%-дан астам SiC және негізінен дәндер шекарасы қоспалары жоқ, SiC-тің көптеген тамаша қасиеттерін сақтайды, мысалы, жоғары температураға төзімділік, коррозияға төзімділік және термиялық соққыға төзімділік. Сондықтан ол жоғары температуралы пеш жиһаздарында, жану саптамаларында, күн термиялық түрлендіргіштерінде, дизельдік көліктердің пайдаланылған газдарын тазарту құрылғыларында, металды балқытуда және өнімділік талаптары өте жоғары басқа орталарда кеңінен қолданылады.

Булану-конденсациялау агломерациялау механизмінің арқасында күйдіру процесінде шөгу болмайды, өнімнің деформациясын немесе крекингін тудыратын қалдық кернеу пайда болмайды.

RSiCсырғанау, гельді құю, экструзия және престеу сияқты әртүрлі әдістермен түзілуі мүмкін. Күйдіру процесінде шөгу болмағандықтан, жасыл дене өлшемдері жақсы бақыланса, дәл пішіндері мен өлшемдері бар өнімдерді алу оңай.

Оттықайта кристалданған SiC өнімішамамен 10%-20% қалдық кеуектерден тұрады. Материалдың кеуектілігі көбінесе жасыл дененің өзінің кеуектілігіне байланысты және кеуектілікті бақылау үшін негізді қамтамасыз ететін агломерациялық температурамен айтарлықтай өзгермейді.

Бұл агломерациялау механизмі бойынша материалда кеуекті материалдар саласында кең ауқымды қолданулар бар көптеген өзара байланысты кеуектер бар. Мысалы, ол пайдаланылған газдарды сүзу және қазба отынының ауасын сүзу салаларында дәстүрлі кеуекті өнімдерді алмастыра алады.

RSiCшыны тәрізді фазалар мен қоспаларсыз өте айқын және таза дән шекаралары бар, себебі кез келген оксид немесе металл қоспалары 2150-2300 ° C жоғары температурада ұшады. Булану-конденсациялау агломерациялау механизмі сонымен қатар SiC (SiC мазмұны) тазарта аладыRSiC99%-дан жоғары, SiC көптеген тамаша қасиеттерін сақтай отырып, оны жоғары температуралық беріктік, коррозияға төзімділік және термиялық соққыға төзімділікті қажет ететін қолданбаларға қолайлы етеді, мысалы, жоғары температуралы пеш жиһазы, жану саптамалары, күн термиялық түрлендіргіштері және металл балқыту. .**