Processo di preparazione della ceramica SiC

Ceramica al carburo di siliciosono tra i materiali più utilizzati nella ceramica strutturale. Grazie alla loro espansione termica relativamente bassa, all'elevata resistenza specifica, all'elevata conduttività termica e durezza, alla resistenza all'usura e alla corrosione e, soprattutto, alla loro capacità di mantenere buone prestazioni anche a temperature fino a 1650°C, le ceramiche al carburo di silicio sono ampiamente utilizzate in vari campi.

I metodi di sinterizzazione comuni per le ceramiche al carburo di silicio includono: sinterizzazione senza pressione, sinterizzazione per reazione e sinterizzazione per ricristallizzazione.

1. SiC sinterizzato per reazione (RBSiC)

La sinterizzazione di reazione prevede la miscelazione di una fonte di carbonio con polvere di carburo di silicio, formando un compatto e quindi consentendo al silicio liquido di infiltrarsi nel compatto ad alta temperatura e reagire con il carbonio per formare β-SiC, ottenendo la densificazione. Presenta un ritiro prossimo allo zero, rendendolo adatto a parti grandi e complesse. Vanta inoltre una bassa temperatura di sinterizzazione e un basso costo, ma il silicio libero può ridurre le prestazioni alle alte temperature.

Il SiC sinterizzato per reazione è una ceramica strutturale altamente attraente con eccellenti proprietà meccaniche come elevata resistenza, resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione. Inoltre, presenta una bassa temperatura di sinterizzazione, un basso costo di sinterizzazione e una formatura quasi netta.

Il processo di sinterizzazione della reazione è semplice. Implica la miscelazione di una fonte di carbonio e polvere di SiC per preparare un corpo verde, quindi, sotto forza capillare ad alta temperatura, l'infiltrazione di silicio fuso nel corpo verde poroso. Questo silicio fuso reagisce con la fonte di carbonio all'interno del corpo verde per formare una fase β-SiC, che contemporaneamente si lega strettamente con l'α-SiC originale. I restanti pori vengono riempiti con silicio fuso, ottenendo così la densificazione del materiale ceramico. Durante la sinterizzazione, le dimensioni vengono ridotte, ottenendo una forma quasi perfetta, consentendo la fabbricazione di forme complesse secondo necessità. Pertanto, è ampiamente utilizzato nella produzione industriale di vari prodotti ceramici.

In termini di applicazioni, i materiali dei mobili dei forni ad alta temperatura, i tubi radianti, gli scambiatori di calore e gli ugelli di desolforazione sono applicazioni tipiche delle ceramiche al carburo di silicio sinterizzate per reazione. Inoltre, grazie al basso coefficiente di dilatazione termica, all'elevato modulo elastico e alle caratteristiche di formatura quasi netta del carburo di silicio, il carburo di silicio sinterizzato per reazione è anche un materiale ideale per gli specchi spaziali. Inoltre, con l'aumento delle dimensioni del wafer e della temperatura del trattamento termico, il carburo di silicio sinterizzato per reazione sta gradualmente sostituendo il vetro al quarzo. I componenti di carburo di silicio (SiC) di elevata purezza contenenti una fase parziale di silicio possono essere prodotti utilizzando polvere di carburo di silicio di elevata purezza e silicio di elevata purezza. Questi componenti sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di supporto per apparecchiature di produzione di tubi elettronici e wafer semiconduttori.

2. SiC (SSiC) sinterizzato senza pressione

La sinterizzazione senza pressione è divisa in sinterizzazione in fase solida e in fase liquida: la sinterizzazione in fase solida, con l'aggiunta di additivi B/C, raggiunge la densificazione per diffusione in fase solida ad alte temperature, con conseguente buona prestazione alle alte temperature ma ingrossamento del grano. La sinterizzazione in fase liquida utilizza additivi come Al2O3-Y2O3 per formare una fase liquida, abbassando la temperatura, con conseguente grana più fine e maggiore tenacità. Questa tecnologia è a basso costo, consente varie forme ed è adatta per componenti strutturali di precisione come anelli di tenuta, cuscinetti e armature antiproiettile.

La sinterizzazione senza pressione è considerata il metodo di sinterizzazione più promettente per il SiC. Questo metodo è adattabile a vari processi di formatura, ha costi di produzione inferiori, non è limitato da forma o dimensione ed è il metodo di sinterizzazione più comune e più semplice per la produzione di massa.

La sinterizzazione senza pressione prevede l'aggiunta di boro e carbonio al β-SiC contenente tracce di ossigeno e la sinterizzazione a circa 2000 ℃ in un'atmosfera inerte per ottenere un corpo sinterizzato in carburo di silicio con una densità teorica del 98%. Questo metodo ha generalmente due approcci: sinterizzazione allo stato solido e sinterizzazione allo stato liquido. Il carburo di silicio sinterizzato allo stato solido senza pressione presenta elevata densità e purezza e, in particolare, possiede un'elevata conduttività termica unica e un'eccellente resistenza alle alte temperature, che lo rendono facile da trasformare in dispositivi ceramici di grandi dimensioni e di forma complessa.

Prodotti in carburo di silicio sinterizzato senza pressione: (a) guarnizioni ceramiche; (b) cuscinetti ceramici; c) piastre antiproiettile

In termini di applicazioni, la sinterizzazione senza pressione del SiC è semplice da utilizzare, moderatamente economica e adatta alla produzione in serie di parti ceramiche di varie forme. È ampiamente utilizzato in anelli di tenuta resistenti all'usura e alla corrosione, cuscinetti scorrevoli, ecc. Inoltre, le ceramiche di carburo di silicio sinterizzato senza pressione sono ampiamente utilizzate nelle armature antiproiettile, come per la protezione di veicoli e navi, nonché nelle casseforti civili e nei camion blindati, grazie alla loro elevata durezza, basso peso specifico, buone prestazioni balistiche, capacità di assorbire più energia dopo la rottura e basso costo. Essendo un materiale per armature antiproiettile, mostra un'eccellente resistenza a impatti multipli e il suo effetto protettivo complessivo è superiore alla normale ceramica al carburo di silicio. Se utilizzata in un'armatura protettiva in ceramica cilindrica leggera, il suo punto di frattura può raggiungere oltre 65 tonnellate, dimostrando prestazioni protettive significativamente migliori rispetto all'armatura protettiva in ceramica cilindrica che utilizza la normale ceramica al carburo di silicio.

3. Ceramica SiC sinterizzata ricristallizzata (R-SiC)

La sinterizzazione di ricristallizzazione prevede particelle SiC grossolane e fini graduate e un trattamento ad alta temperatura. Le particelle fini evaporano e si condensano sul collo delle particelle grossolane, formando una struttura a ponte priva di impurità ai bordi del grano. Il prodotto ha una porosità del 10-20%, buona conduttività termica e resistenza agli shock termici, ma bassa resistenza. Non presenta ritiro volumetrico ed è adatto per mobili porosi di forni, ecc.

La tecnologia di sinterizzazione per ricristallizzazione ha attirato l'attenzione diffusa perché non richiede l'aggiunta di ausiliari di sinterizzazione. La sinterizzazione per ricristallizzazione è il metodo più comune per preparare dispositivi ceramici SiC su larga scala e ad altissima purezza. Il processo di preparazione della ceramica SiC sinterizzata ricristallizzata (R-SiC) è il seguente: polveri SiC grossolane e fini di diverse dimensioni delle particelle vengono miscelate in una certa proporzione e preparate in grezzi verdi attraverso processi come colata a scorrimento, stampaggio ed estrusione. Quindi, i pezzi grezzi verdi vengono cotti ad una temperatura elevata di 2200~2450 ℃ in atmosfera inerte. Infine, le particelle fini evaporano gradualmente in una fase gassosa e si condensano nei punti di contatto con le particelle grossolane, formando ceramiche R-SiC.

L'R-SiC si forma ad alte temperature e ha una durezza seconda solo al diamante. Conserva molte delle eccellenti proprietà del SiC, come elevata resistenza alle alte temperature, forte resistenza alla corrosione, eccellente resistenza all'ossidazione e buona resistenza agli shock termici. Pertanto, è un materiale candidato ideale per mobili di forni ad alta temperatura, scambiatori di calore o ugelli di combustione. Nei campi aerospaziale e militare, il carburo di silicio ricristallizzato viene utilizzato per produrre componenti strutturali di veicoli aerospaziali, come motori, alette di coda e fusoliere. Grazie alle sue proprietà meccaniche superiori, alla resistenza alla corrosione e alla resistenza agli urti, può migliorare notevolmente le prestazioni e la durata dei veicoli aerospaziali.

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