วัสดุเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์

เนื่องจากความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม, การนำความร้อน, ความต้านทานออกซิเดชัน, และคุณสมบัติเชิงกลอุณหภูมิสูงที่โดดเด่น, ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เซรามิกส์ใช้กันอย่างแพร่หลายในตลับลูกปืนที่มีความแม่นยำ, แมวน้ำ, ใบพัดกังหันก๊าซ, ส่วนประกอบออปติคัล, หัวฉีดอุณหภูมิสูง, ชิ้นส่วนแลกเปลี่ยนความร้อน, และวัสดุเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์. อย่างไรก็ตาม, พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งและค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายต่ำของ SIC ก่อให้เกิดความท้าทายที่สำคัญในการบรรลุความหนาแน่นของการเผาในระหว่างการประดิษฐ์. ดังนั้น, กระบวนการเผาเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตเซรามิก SIC ที่มีประสิทธิภาพสูง.

Current methods for preparing dense SiC ceramics include พันธะปฏิกิริยา (ทั่วไป), ไม่มีแรงกดดัน/การเผาผลาญบรรยากาศ (ทั่วไป), การเผาผลาญซ้ำ, ร้อนกด, และการกด isostatic ร้อน. คุณสมบัติของเซรามิก SIC แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิต. ดังนั้น, what do abbreviations like สสส, sisic, อาร์บีซีซี, และ อาร์ซีซี แทน?

ปฏิกิริยาพันธะซิลิคอนคาร์ไบด์ (rbsic/sisic)

ประมวลผลภาพรวม

ส่วนผสมของผง sic (1–10 μm) และคาร์บอนมีรูปร่างเป็นสีเขียว. ที่อุณหภูมิสูง, การแทรกซึมของซิลิกอนเกิดขึ้น: ซิลิคอนทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้าง SIC เพิ่มเติม, พันธะกับเมทริกซ์ดั้งเดิม. มีวิธีการแทรกซึมของซิลิกอนสองวิธี:

1. การแทรกซึมเฟสของเหลว: ที่ 1,450–1,470 ° C (จุดหลอมเหลวของซิลิกอน), ซิลิกอนเหลวเข้าสู่รูขุมขนผ่านการกระทำของเส้นเลือดฝอยและทำปฏิกิริยากับคาร์บอน.
2. การแทรกซึมของไอ: เหนือจุดหลอมเหลวของซิลิกอน, ไอซิลิกอนแทรกซึมเข้าไปในร่างกายสีเขียว.

การไหลของกระบวนการ:
ผงซีซี + ผง C + สารยึดเกาะ→การสร้าง→การอบแห้ง→การกำจัดสารยึดเกาะภายใต้บรรยากาศป้องกัน→การแทรกซึมของซิลิกอน→หลังการประมวลผล.

หมายเหตุสำคัญ

• RBSiC contains 8ซิลิกอนฟรี –15%, making it a คอมโพสิต SI/SIC rather than pure SiC.
• Free silicon limits operating temperatures to ต่ำกว่า 1,400 ° C; ความแข็งแรงลดลงอย่างรวดเร็วเหนือสิ่งนี้เนื่องจากการละลายของซิลิคอน.
• การแทรกซึมของไอเฟสช่วยลดปริมาณซิลิกอนฟรี (<10%), ปรับปรุงประสิทธิภาพ.

ลักษณะและแอปพลิเคชัน

• ข้อดี: อุณหภูมิการเผาต่ำ, ประหยัดค่าใช้จ่าย, ใกล้กับรูปทรงเน็ต <3% การหดตัว, เหมาะสำหรับส่วนประกอบขนาดใหญ่/ซับซ้อน (เช่น., เตาเผาเฟอร์นิเจอร์, เบ้าหลอม, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน).
• แอปพลิเคชั่น: ชิ้นส่วน RBSIC ที่มีความบริสุทธิ์สูง (เช่น., อุปกรณ์การจัดการเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์) แทนที่ควอตซ์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์. Notable producers include UK’s รีด and Japan’s แก้วอาซาฮี.
• ข้อ จำกัด: ซิลิกอนฟรีช่วยลดความต้านทานการสึกหรอและความเสถียรทางเคมี (มีความเสี่ยงต่อกรดอัลคาลิส/HF).

แอปพลิเคชันคลาสสิก: หัวฉีดเกลียวสำหรับการขัดแก๊ส, การทำให้เย็นลง, และการดับเพลิง.

(การใช้งานทั่วไปของหัวฉีดเกลียว: การขัดก๊าซไอเสีย; การระบายความร้อนด้วยแก๊ส; การขัดและกระบวนการล้าง; การป้องกันอัคคีภัย)

SIC ที่ไร้แรงดัน/บรรยากาศ (PSSIC)

ประมวลผลภาพรวม

Sintering occurs at 2,000–2,150 ° C under inert gas without external pressure. สารเติมแต่ง (เช่น., โบรอน, คาร์บอน, y₂o₃-al₂o₃) ส่งเสริมความหนาแน่น. มีสองชนิดย่อย:

1. ของแข็ง SiC เผา (สสส):
   • คิดค้นโดย Prochazka (1974) การใช้β-SIC กับสารเติมแต่ง B/C.
   • ทำความสะอาดขอบเขตของธัญพืช, ความมั่นคงอุณหภูมิสูง (สูงถึง 1,600 ° C), แต่ธัญพืชหยาบและความเหนียวแตกหักต่ำ.
2. sic-phase-phase sintered sic (lsic):
   • ใช้สารเติมแต่งy₂o₃-al₂o₃สำหรับอุณหภูมิการเผาที่ต่ำกว่า.
   • ธัญพืชชั้นดี, ปรับปรุงความทนทานผ่านการแตกหักระหว่างเกรน.

แอปพลิเคชั่น

แมวน้ำสึกหรอ/การกัดกร่อน, ตลับลูกปืน, และส่วนประกอบโครงสร้าง.

ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ตกผลึกใหม่ (อาร์ซีซี)

ประมวลผลภาพรวม

ผง SIC ที่มีความบริสุทธิ์สูง (หยาบ + ธัญพืชชั้นดี) are sintered at 2,200–2,450 ° C ทาง การระเหย without additives. Non-densifying mechanism retains 10–20% รูพรุน.

ลักษณะและแอปพลิเคชัน

• ข้อดี: โครงสร้างที่มีรูพรุน (รูขุมขนที่เชื่อมต่อกัน), ความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ (>99% SiC), ความร้อนแรงกระแทก/สารเคมีที่ยอดเยี่ยม.
• แอปพลิเคชั่น: เฟอร์นิเจอร์เตาเผาอุณหภูมิสูง, เครื่องแปลงความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์, ตัวกรองอนุภาคดีเซล, และส่วนประกอบโลหะ.

ซิลิกอนคาร์ไบด์กดร้อน (HPSIC)

ประมวลผลภาพรวม

การเผาแรงดันไอโซสเตอร์ร้อน (สะโพก) คือการทำวัสดุ (ผง, ร่างกายบิลเล็ตหรือเผา) ในกระบวนการทำความร้อนผ่านความดันที่สมดุลต่าง ๆ, ด้วยแก๊สเฉื่อยอาร์กอนหรือไนโตรเจนเป็นสื่อการถ่ายโอนความดัน, ด้วยความช่วยเหลือของอุณหภูมิสูงและแรงดันสูงเพื่อส่งเสริมการดำเนินการร่วมกันของความหนาแน่นของกระบวนการ.

กระบวนการสะโพกสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:

1) ผงเซรามิกห่อหุ้มโดยตรงหลังจากการเผาสะโพก, เช่น., ชุดแพ็คเกจของกระบวนการสะโพก;

2) โดยวัตถุดิบผ่านการขึ้นรูป (ความหลากหลายของเซรามิกส์) กระบวนการขึ้นรูปสามารถ), ล่วงหน้าเพื่อให้ได้ความหนาแน่นบางอย่าง, วัสดุไม่ใช่สถานะรูขุมขนแบบเปิด, จากนั้นด้วยอุณหภูมิสูงสะโพกและความดันสูงหลังการรักษา.

ลักษณะเฉพาะ

• ความหนาแน่นสูง, ธัญพืชชั้นดี, คุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า.
• ข้อ จำกัด: ค่าใช้จ่ายที่สูง, เครื่องมือที่ซับซ้อน, ความซับซ้อนขององค์ประกอบที่ จำกัด.

Spark พลาสมาซิลิกอนคาร์ไบด์ (SPSSIC)

การเผาวัสดุที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำสามารถทำได้โดยใช้การเผาพลาสม่า (SPS).

ประการแรก, วัตถุดิบถูกวางไว้ในแม่พิมพ์กราไฟท์ (แม้ว่าการเผาพลาสมาพลาสม่าจะคล้ายกับการกดร้อน, มันไม่ได้ใช้การให้ความร้อนทางอ้อมโดยเครื่องกำเนิดความร้อน, แต่กระแสไฟฟ้าทำให้แม่พิมพ์และผงร้อน), จากนั้นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและแท่งที่อยู่ภายใต้แรงดันและกระแสพัลส์พัลส์ DC, และการเผาเสร็จแล้วในเวลาอันสั้น (เมื่อกระแสสูงมาก, มันสร้าง Joule Heat และพลาสมาในตัวอย่าง, และความหนาแน่นอย่างรวดเร็วนั้นทำได้ภายใน 10 นาที). (เมื่อกระแสสูง, Joule Heat และพลาสมาถูกสร้างขึ้นในตัวอย่าง, และความหนาแน่นอย่างรวดเร็วนั้นทำได้ภายใน 10 นาที, ด้วยความหนาแน่นสัมพัทธ์ของ 98-99.5%).

เมื่อเทียบกับเทคนิคการเผาแบบดั้งเดิมสำหรับการเตรียมเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นสูง, การเผาพลาสม่าในการปลดปล่อยมีอัตราการทำความร้อนที่เร็วกว่า, อุณหภูมิการเผาที่ต่ำกว่า, และเวลาเผาที่สั้นลง. ในเวลาเดียวกัน, เนื่องจากเวลาการเผาพลาสมาในระยะเวลาสั้น ๆ, การเจริญเติบโตของเมล็ดพืชของวัสดุเซรามิกนั้นมี จำกัด เพื่อให้สามารถเก็บรักษาละเอียดและสม่ำเสมอได้. คล้ายกับการกดร้อนและการกด isostatic ร้อน, สามารถทำได้ในขนาดที่มีขนาดใหญ่น้อยกว่า.

บทสรุป

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์แสดงให้เห็นถึงความเก่งกาจที่น่าทึ่งในทุกอุตสาหกรรม, ด้วยกระบวนการผลิตที่กำหนดคุณสมบัติและแอปพลิเคชันขั้นสุดท้ายของพวกเขา. พันธะปฏิกิริยา (rbsic/sisic) จัดลำดับความสำคัญของประสิทธิภาพและความสามารถในการปรับขนาดได้สำหรับขนาดใหญ่, ส่วนประกอบที่ซับซ้อน, ในขณะที่การเผาผลาญ (SSIC/LSIC) เก่งในการผลิตความบริสุทธิ์สูง, ชิ้นส่วนที่ทนต่อการสึกหรอ. sic recrystallized (อาร์ซีซี) เจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมทางความร้อนและการกัดกร่อนที่รุนแรงเนื่องจากความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษและโครงสร้างที่มีรูพรุน, ในขณะที่ SIC กดร้อน (hp sic) เสนอประสิทธิภาพเชิงกลที่เหนือกว่าสำหรับความเชี่ยวชาญ, ส่วนประกอบที่มีรูปร่างเรียบง่าย. เทคนิคที่เกิดขึ้นใหม่เช่น Spark Plasma Sintering ช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลและความแม่นยำ. วิศวกรจะต้องปรับสมดุลปัจจัยต่าง ๆ เช่นสภาพการทำงาน, ความบริสุทธิ์ของวัสดุ, ความซับซ้อนทางเรขาคณิต, และงบประมาณในการเลือกตัวแปร SIC ที่ดีที่สุด, สร้างความมั่นใจในการจัดตำแหน่งกับความต้องการทางอุตสาหกรรมที่เฉพาะเจาะจงและการพัฒนาพรมแดนทางเทคโนโลยี.