เทคนิคพิเศษในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)วัสดุมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมหลายประการ รวมถึงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันอย่างแรง ความต้านทานการสึกหรอที่เหนือกว่า เสถียรภาพทางความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำความร้อนสูง ความแข็งสูง ความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และความต้านทานการกัดกร่อนของสารเคมี คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้เซรามิก SiC นำไปใช้งานได้มากขึ้นในด้านต่างๆ เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ เครื่องกลและเคมี การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์สารสนเทศ และพลังงานเซรามิก SiCได้กลายเป็นวัสดุเซรามิกโครงสร้างที่ไม่สามารถทดแทนได้ในภาคอุตสาหกรรมจำนวนมากเนื่องจากประสิทธิภาพที่โดดเด่น

ลักษณะโครงสร้างที่เสริมคืออะไรซีซี เซรามิคส์?

คุณสมบัติที่เหนือกว่าของเซรามิก SiCมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ SiC เป็นสารประกอบที่มีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งมาก โดยที่คุณสมบัติไอออนิกของพันธะ Si-C มีเพียงประมาณ 12% เท่านั้น ส่งผลให้มีความแข็งแรงสูงและมีโมดูลัสยืดหยุ่นสูง ทำให้ทนทานต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม SiC บริสุทธิ์ไม่ถูกกัดกร่อนด้วยสารละลายกรด เช่น HCl, HNO3, H2SO4 หรือ HF หรือโดยสารละลายอัลคาไลน์ เช่น NaOH แม้ว่ามีแนวโน้มที่จะออกซิไดซ์เมื่อถูกความร้อนในอากาศ การก่อตัวของชั้น SiO2 บนพื้นผิวจะยับยั้งการแพร่กระจายของออกซิเจนเพิ่มเติม จึงทำให้อัตราการออกซิเดชันต่ำ นอกจากนี้ SiC ยังแสดงคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ โดยมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเมื่อมีการเจือปนในปริมาณเล็กน้อย และมีค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม

SiC ที่มีรูปแบบผลึกต่างกันส่งผลต่อคุณสมบัติของมันอย่างไร

SiC มีอยู่ในรูปแบบผลึกหลักสองรูปแบบ: α และ β β-SiC มีโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ โดยที่ Si และ C ก่อตัวเป็นโครงลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ใบหน้า α-SiC มีอยู่ในโพลีไทป์มากกว่า 100 ชนิด รวมถึง 4H, 15R และ 6H โดยที่ 6H เป็นประเภทที่ใช้กันมากที่สุดในงานอุตสาหกรรม ความเสถียรของโพลีไทป์เหล่านี้จะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1,600°C SiC จะอยู่ในรูปแบบ β ในขณะที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,600°C β-SiC จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นโพลีไทป์ α-SiC ต่างๆ ตัวอย่างเช่น 4H-SiC ก่อตัวที่อุณหภูมิประมาณ 2000°C ในขณะที่โพลีไทป์ 15R และ 6H ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 2100°C จึงจะก่อตัวได้อย่างง่ายดาย โพลีไทป์ 6H ยังคงเสถียรแม้จะสูงกว่า 2200°C ความแตกต่างเล็กน้อยของพลังงานอิสระระหว่างโพลีไทป์เหล่านี้หมายความว่าแม้แต่สิ่งเจือปนเล็กน้อยก็สามารถเปลี่ยนแปลงความสัมพันธ์ด้านเสถียรภาพทางความร้อนได้

เทคนิคในการผลิตผง SiC มีอะไรบ้าง

การเตรียมผง SiC สามารถแบ่งได้เป็นการสังเคราะห์เฟสของแข็งและการสังเคราะห์เฟสของเหลวตามสถานะเริ่มต้นของวัตถุดิบ

วิธีการที่เกี่ยวข้องในการสังเคราะห์โซลิดเฟสมีอะไรบ้าง? 

การสังเคราะห์เฟสของแข็งประกอบด้วยการลดความร้อนจากความร้อนและปฏิกิริยาซิลิคอน-คาร์บอนโดยตรงเป็นหลัก วิธีการลดความร้อนคาร์บอนครอบคลุมกระบวนการแอจิสัน วิธีการเตาแนวตั้ง และวิธีการเตาหมุนที่อุณหภูมิสูง กระบวนการของ Acheson ซึ่งคิดค้นโดย Acheson เกี่ยวข้องกับการรีดักชันซิลิกาในทรายควอทซ์ด้วยคาร์บอนในเตาไฟฟ้าของ Acheson ซึ่งขับเคลื่อนโดยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าภายใต้อุณหภูมิสูงและสนามไฟฟ้าแรงสูง วิธีการนี้ซึ่งมีประวัติการผลิตทางอุตสาหกรรมมายาวนานกว่าศตวรรษ ทำให้ได้อนุภาค SiC ที่ค่อนข้างหยาบและใช้พลังงานสูง ซึ่งส่วนใหญ่สูญเสียไปในรูปของความร้อน

ในทศวรรษ 1970 การปรับปรุงกระบวนการของ Acheson นำไปสู่การพัฒนาในทศวรรษ 1980 เช่น เตาเผาแนวตั้งและเตาหมุนอุณหภูมิสูงสำหรับการสังเคราะห์ผง β-SiC โดยมีความก้าวหน้าเพิ่มเติมในทศวรรษ 1990 โอซากิ และคณะ พบว่าก๊าซ SiO ที่ปล่อยออกมาจากการให้ความร้อนส่วนผสมของ SiO2 และผง Si ทำปฏิกิริยากับถ่านกัมมันต์ โดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นและระยะเวลาในการจับยึดนานขึ้น ลดพื้นที่ผิวจำเพาะของผงเมื่อมีการปล่อยก๊าซ SiO มากขึ้น วิธีปฏิกิริยาโดยตรงของซิลิคอน-คาร์บอน ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้การสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงที่แพร่กระจายได้เอง เกี่ยวข้องกับการจุดไฟที่ตัวสารตั้งต้นด้วยแหล่งความร้อนภายนอก และใช้ความร้อนของปฏิกิริยาเคมีที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสังเคราะห์เพื่อรักษากระบวนการไว้ วิธีนี้มีการใช้พลังงานต่ำ อุปกรณ์และกระบวนการที่เรียบง่าย และผลผลิตสูง แม้ว่าจะควบคุมปฏิกิริยาได้ยากก็ตาม ปฏิกิริยาคายความร้อนที่อ่อนแอระหว่างซิลิคอนและคาร์บอนทำให้การจุดติดไฟและคงอยู่ที่อุณหภูมิห้องทำได้ยาก โดยจำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานเพิ่มเติม เช่น เตาเคมี กระแสตรง การอุ่นเครื่อง หรือสนามไฟฟ้าเสริม

ผง SiC สังเคราะห์โดยใช้วิธีเฟสของเหลวได้อย่างไร 

วิธีการสังเคราะห์เฟสของเหลวรวมถึงเทคนิคการสลายตัวของโซล-เจลและโพลีเมอร์ อีเวลล์ และคณะ เสนอวิธีโซล-เจลเป็นครั้งแรก ซึ่งต่อมานำไปใช้กับการเตรียมเซรามิกประมาณปี 1952 วิธีนี้ใช้สารเคมีเหลวเพื่อเตรียมสารตั้งต้นของอัลคอกไซด์ ซึ่งจะถูกละลายที่อุณหภูมิต่ำเพื่อสร้างสารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกัน ด้วยการเติมสารก่อเจลที่เหมาะสม อัลคอกไซด์จะผ่านการไฮโดรไลซิสและการเกิดพอลิเมอไรเซชันเพื่อสร้างระบบโซลที่เสถียร หลังจากยืนหรือทำให้แห้งเป็นเวลานาน Si และ C จะถูกผสมกันในระดับโมเลกุลอย่างสม่ำเสมอ การทำความร้อนส่วนผสมนี้ที่อุณหภูมิ 1460-1600°C จะทำให้เกิดปฏิกิริยาการลดความร้อนจากคาร์บอนเพื่อผลิตผง SiC ละเอียด พารามิเตอร์หลักที่ต้องควบคุมระหว่างการประมวลผลโซล-เจล ได้แก่ pH ของสารละลาย ความเข้มข้น อุณหภูมิของปฏิกิริยา และเวลา วิธีการนี้ช่วยให้สามารถเติมส่วนประกอบปริมาณเล็กน้อยที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ แต่มีข้อเสีย เช่น ไฮดรอกซิลและตัวทำละลายอินทรีย์ที่ตกค้างซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพ ต้นทุนวัตถุดิบสูง และการหดตัวอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการประมวลผล

การสลายตัวที่อุณหภูมิสูงของโพลีเมอร์อินทรีย์เป็นอีกวิธีหนึ่งที่มีประสิทธิภาพในการผลิต SiC:

ให้ความร้อนเจลโพลีไซลอกเซนเพื่อสลายพวกมันให้เป็นโมโนเมอร์ขนาดเล็ก และก่อตัวเป็น SiO2 และ C ในที่สุด จากนั้นจึงผ่านการลดความร้อนด้วยคาร์บอนเพื่อผลิตผง SiC

ให้ความร้อนโพลีคาร์โบซิเลนเพื่อสลายให้เป็นโมโนเมอร์ขนาดเล็ก ทำให้เกิดกรอบการทำงานที่ส่งผลให้เกิดผง SiC ในท้ายที่สุด เทคนิคโซลเจลล่าสุดช่วยให้สามารถผลิตวัสดุโซล/เจลที่ใช้ SiO2 ได้ ทำให้มั่นใจได้ถึงการกระจายตัวของสารเติมแต่งในการเผาผนึกและการทำให้แข็งตัวภายในเจลเป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งเอื้อให้เกิดการก่อตัวของผงเซรามิก SiC ประสิทธิภาพสูง

เหตุใดการเผาผนึกแบบไร้แรงกดดันจึงถือเป็นเทคนิคที่น่าหวังซีซี เซรามิคส์?

การเผาผนึกแบบไร้ความดันถือเป็นวิธีการที่มีศักยภาพสูงการเผา SiC- ขึ้นอยู่กับกลไกการเผาผนึก มันสามารถแบ่งออกเป็นการเผาผนึกเฟสของแข็งและการเผาผนึกเฟสของเหลว S. Proehazka มีความหนาแน่นสัมพัทธ์สูงกว่า 98% สำหรับตัวเผาผนึก SiC โดยการเติม B และ C ในปริมาณที่เหมาะสมลงในผง β-SiC ที่ละเอียดเป็นพิเศษ (โดยมีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่า 2%) และเผาที่อุณหภูมิ 2020°C ภายใต้ความดันปกติ อ. มัลลา และคณะ ใช้ Al2O3 และ Y2O3 เป็นสารเติมแต่งในการเผา 0.5μm β-SiC (โดยมี SiO2 จำนวนเล็กน้อยบนพื้นผิวอนุภาค) ที่อุณหภูมิ 1850-1950°C ทำให้ได้ความหนาแน่นสัมพัทธ์มากกว่า 95% ของความหนาแน่นตามทฤษฎีและเมล็ดละเอียดโดยเฉลี่ย ขนาด 1.5μm.

การเผาผนึกแบบกดร้อนเพิ่มประสิทธิภาพอย่างไรซีซี เซรามิคส์?

Nadeau ชี้ให้เห็นว่า SiC บริสุทธิ์สามารถเผาผนึกอย่างหนาแน่นได้ที่อุณหภูมิสูงมากเท่านั้น โดยไม่มีตัวช่วยในการเผาผนึกใดๆ ส่งผลให้หลายคนต้องสำรวจการเผาผนึกแบบกดร้อน การศึกษาจำนวนมากได้ตรวจสอบผลกระทบของการเติม B, Al, Ni, Fe, Cr และโลหะอื่นๆ ที่มีต่อความหนาแน่นของ SiC โดยพบว่า Al และ Fe มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการส่งเสริมการเผาผนึกด้วยความร้อน เอฟ.เอฟ. Lange ตรวจสอบประสิทธิภาพของ SiC เผาผนึกแบบกดร้อนด้วยปริมาณ Al2O3 ที่แตกต่างกัน โดยพิจารณาจากความหนาแน่นของกลไกการละลายและการตกตะกอน อย่างไรก็ตาม การเผาผนึกด้วยความร้อนสามารถผลิตได้เฉพาะส่วนประกอบ SiC ที่มีรูปทรงเรียบง่ายเท่านั้น และปริมาณผลิตภัณฑ์ในกระบวนการเผาผนึกเดียวนั้นมีจำกัด ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรม

ประโยชน์และข้อจำกัดของการเผาปฏิกิริยาสำหรับ SiC คืออะไร

SiC ที่ถูกเผาด้วยปฏิกิริยาหรือที่เรียกว่า SiC ที่มีพันธะในตัวเอง เกี่ยวข้องกับการทำปฏิกิริยากับวัตถุสีเขียวที่มีรูพรุนด้วยสถานะก๊าซหรือของเหลว เพื่อเพิ่มมวล ลดความพรุน และเผาให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่แข็งแกร่งและมีมิติที่แม่นยำ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการผสมผง α-SiC และกราไฟต์ในอัตราส่วนที่กำหนด โดยให้ความร้อนถึงประมาณ 1,650°C และแทรกซึมเข้าไปในวัตถุสีเขียวด้วย Si หลอมเหลวหรือ Si ที่เป็นก๊าซ ซึ่งทำปฏิกิริยากับกราไฟท์เพื่อสร้าง β-SiC ซึ่งจับกับ α-SiC ที่มีอยู่ อนุภาค การแทรกซึมของ Si ที่สมบูรณ์ส่งผลให้เกิดตัวเผาผนึกปฏิกิริยาที่มีความหนาแน่นเต็มที่และมีความเสถียรในมิติ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเผาผนึกแบบอื่นๆ การเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงขนาดเพียงเล็กน้อยในระหว่างการทำให้หนาแน่น ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตส่วนประกอบที่แม่นยำได้ อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของ SiC ในปริมาณมากในตัวเผาผนึกจะทำให้ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงลดลง

โดยสรุปเซรามิก SiCผลิตโดยการเผาผนึกแบบไร้แรงดัน การเผาแบบกดร้อน การกดแบบไอโซสแตติกแบบร้อน และการเผาผนึกปฏิกิริยามีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันเซรามิก SiCจากการรีดร้อนและการกดแบบไอโซสแตติกแบบร้อนโดยทั่วไปจะมีความหนาแน่นของการเผาผนึกและความแข็งแรงดัดงอที่สูงกว่า ในขณะที่ SiC ที่ถูกเผาด้วยปฏิกิริยาจะมีค่าค่อนข้างต่ำกว่า คุณสมบัติทางกลของเซรามิก SiCยังแตกต่างกันไปตามสารเติมแต่งการเผาผนึกที่แตกต่างกัน รีดร้อน ไร้แรงดัน และเผาผนึกปฏิกิริยาเซรามิก SiCมีความต้านทานที่ดีต่อกรดและเบสแก่ แต่ SiC ที่ถูกเผาด้วยปฏิกิริยามีความต้านทานการกัดกร่อนต่อกรดแก่เช่น HF ได้ต่ำกว่า ในเรื่องประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงเกือบทั้งหมดเซรามิก SiCแสดงการปรับปรุงความแข็งแรงที่ต่ำกว่า 900°C ในขณะที่ความต้านทานแรงดัดงอของ SiC ที่ถูกเผาด้วยปฏิกิริยาลดลงอย่างมากที่สูงกว่า 1,400°C เนื่องจากการมีอยู่ของ Si อิสระ ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงของการกดแบบไม่มีแรงดันและแบบร้อนเซรามิก SiCขึ้นอยู่กับประเภทของสารเติมแต่งที่ใช้เป็นหลัก

ในขณะที่แต่ละวิธีการเผาผนึกเซรามิก SiCมีข้อดีคือความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีจำเป็นต้องมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเซรามิก SiCประสิทธิภาพ เทคนิคการผลิต และการลดต้นทุน บรรลุการเผาผนึกที่อุณหภูมิต่ำของเซรามิก SiCเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการลดต้นทุนการผลิตและการใช้พลังงาน ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรมของเซรามิก SiCสินค้า.**

พวกเราที่ Semicorex เชี่ยวชาญด้านซีซี เซรามิคส์และวัสดุเซรามิกอื่นๆ ที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดติดต่อเราได้ตลอดเวลา

โทรศัพท์ติดต่อ: +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com