Tecniche di preparazione specializzate per ceramiche al carburo di silicio

Ceramica al carburo di silicio (SiC).i materiali possiedono una gamma di proprietà eccellenti, tra cui resistenza alle alte temperature, forte resistenza all'ossidazione, resistenza all'usura superiore, stabilità termica, basso coefficiente di dilatazione termica, elevata conduttività termica, elevata durezza, resistenza allo shock termico e resistenza alla corrosione chimica. Queste caratteristiche rendono la ceramica SiC sempre più applicabile in vari campi come l’industria automobilistica, meccanica e chimica, la protezione ambientale, la tecnologia spaziale, l’elettronica dell’informazione e l’energia.Ceramica SiCsono diventati un materiale ceramico strutturale insostituibile in molti settori industriali grazie alle loro eccezionali prestazioni.

Quali sono le caratteristiche strutturali che lo miglioranoCeramica SiC?

Le proprietà superiori diCeramica SiCsono strettamente legati alla loro struttura unica. Il SiC è un composto con legami covalenti molto forti, dove il carattere ionico del legame Si-C è solo del 12% circa. Ciò si traduce in un'elevata resistenza e un ampio modulo elastico, fornendo un'eccellente resistenza all'usura. Il SiC puro non viene corroso da soluzioni acide come HCl, HNO3, H2SO4 o HF, né da soluzioni alcaline come NaOH. Mentre tende ad ossidarsi se riscaldato all'aria, la formazione di uno strato di SiO2 sulla superficie inibisce l'ulteriore diffusione dell'ossigeno, mantenendo così basso il tasso di ossidazione. Inoltre, il SiC presenta proprietà semiconduttrici, con una buona conduttività elettrica quando vengono introdotte piccole quantità di impurità ed un'eccellente conduttività termica.

In che modo le diverse forme cristalline del SiC influiscono sulle sue proprietà?

Il SiC esiste in due forme cristalline principali: α e β. Il β-SiC ha una struttura cristallina cubica, con Si e C che formano reticoli cubici a facce centrate. L'α-SiC esiste in oltre 100 politipi, inclusi 4H, 15R e 6H, di cui 6H è quello più comunemente utilizzato nelle applicazioni industriali. La stabilità di questi politipi varia con la temperatura. Al di sotto dei 1600°C il SiC esiste nella forma β, mentre al di sopra dei 1600°C il β-SiC si trasforma gradualmente in vari politipi α-SiC. Ad esempio, il 4H-SiC si forma intorno ai 2000°C, mentre i politipi 15R e 6H richiedono temperature superiori a 2100°C per formarsi facilmente. Il politipo 6H rimane stabile anche sopra i 2200°C. La piccola differenza di energia libera tra questi politipi significa che anche le impurità minori possono alterare i loro rapporti di stabilità termica.

Quali sono le tecniche per produrre polveri SiC?

La preparazione delle polveri SiC può essere classificata in sintesi in fase solida e sintesi in fase liquida in base allo stato iniziale delle materie prime.

Quali sono i metodi coinvolti nella sintesi in fase solida? 

La sintesi in fase solida comprende principalmente la riduzione carbotermica e le reazioni dirette silicio-carbonio. Il metodo di riduzione carbotermica comprende il processo Acheson, il metodo del forno verticale e il metodo del forno rotativo ad alta temperatura. Il processo Acheson, inventato da Acheson, prevede la riduzione della silice nella sabbia di quarzo mediante carbonio in un forno elettrico Acheson, azionato da una reazione elettrochimica ad alta temperatura e forti campi elettrici. Questo metodo, con una storia di produzione industriale che dura da oltre un secolo, produce particelle SiC relativamente grossolane e presenta un elevato consumo energetico, gran parte della quale viene dispersa sotto forma di calore.

Negli anni '70, i miglioramenti al processo Acheson portarono a sviluppi negli anni '80, come forni verticali e forni rotanti ad alta temperatura per la sintesi di polvere β-SiC, con ulteriori progressi negli anni '90. Ohsaki et al. hanno scoperto che il gas SiO rilasciato dal riscaldamento di una miscela di SiO2 e polvere di Si reagisce con il carbone attivo, con un aumento della temperatura e un tempo di mantenimento prolungato riducendo l'area superficiale specifica della polvere man mano che viene rilasciato più gas SiO. Il metodo della reazione diretta silicio-carbonio, un'applicazione di sintesi autopropagante ad alta temperatura, prevede l'accensione del corpo reagente con una fonte di calore esterna e l'utilizzo del calore della reazione chimica rilasciato durante la sintesi per sostenere il processo. Questo metodo ha un basso consumo energetico, attrezzature e processi semplici e un'elevata produttività, sebbene sia difficile controllare la reazione. La debole reazione esotermica tra silicio e carbonio rende difficile l'accensione e il mantenimento a temperatura ambiente, rendendo necessarie ulteriori fonti di energia come forni chimici, corrente continua, preriscaldamento o campi elettrici ausiliari.

Come viene sintetizzata la polvere SiC utilizzando metodi in fase liquida? 

I metodi di sintesi in fase liquida includono tecniche di decomposizione sol-gel e polimeri. Ewell et al. propose per primo il metodo sol-gel, che fu successivamente applicato alla preparazione della ceramica intorno al 1952. Questo metodo utilizza reagenti chimici liquidi per preparare precursori di alcossidi, che vengono disciolti a basse temperature per formare una soluzione omogenea. Aggiungendo agenti gelificanti appropriati, l'alcossido subisce idrolisi e polimerizzazione per formare un sistema sol stabile. Dopo un prolungato riposo o essiccazione, Si e C vengono miscelati uniformemente a livello molecolare. Il riscaldamento di questa miscela a 1460-1600°C induce una reazione di riduzione carbotermica per produrre polvere fine di SiC. I parametri chiave da controllare durante la lavorazione sol-gel includono il pH della soluzione, la concentrazione, la temperatura di reazione e il tempo. Questo metodo facilita l'aggiunta omogenea di vari componenti in tracce ma presenta inconvenienti quali residui di ossidrili e solventi organici dannosi per la salute, elevati costi delle materie prime e notevole ritiro durante la lavorazione.

La decomposizione ad alta temperatura dei polimeri organici è un altro metodo efficace per produrre SiC:

Riscaldamento dei polisilossani gel per scomporli in piccoli monomeri, formando infine SiO2 e C, che poi subiscono una riduzione carbotermica per produrre polvere di SiC.

Riscaldamento dei policarbosilani per scomporli in piccoli monomeri, formando una struttura che alla fine si traduce in polvere di SiC. Le recenti tecniche sol-gel hanno consentito la produzione di materiali sol/gel a base di SiO2, garantendo una distribuzione omogenea degli additivi di sinterizzazione e indurimento all'interno del gel, che facilita la formazione di polveri ceramiche SiC ad alte prestazioni.

Perché la sinterizzazione senza pressione è considerata una tecnica promettente perCeramica SiC?

La sinterizzazione senza pressione è considerata un metodo molto promettente persinterizzazione del SiC. A seconda del meccanismo di sinterizzazione, può essere suddiviso in sinterizzazione in fase solida e sinterizzazione in fase liquida. S. Proehazka ha raggiunto una densità relativa superiore al 98% per i corpi sinterizzati di SiC aggiungendo quantità adeguate di B e C alla polvere ultrafine di β-SiC (con contenuto di ossigeno inferiore al 2%) e sinterizzando a 2020°C sotto pressione normale. A. Mulla et al. utilizzato Al2O3 e Y2O3 come additivi per sinterizzare 0,5μm β-SiC (con una piccola quantità di SiO2 sulla superficie delle particelle) a 1850-1950°C, ottenendo una densità relativa maggiore del 95% della densità teorica e grani fini con una media dimensione di 1,5μm.

Come migliora la sinterizzazione con pressa a caldoCeramica SiC?

Nadeau ha sottolineato che il SiC puro può essere sinterizzato densamente solo a temperature estremamente elevate senza alcun aiuto per la sinterizzazione, spingendo molti a esplorare la sinterizzazione con pressa a caldo. Numerosi studi hanno esaminato gli effetti dell'aggiunta di B, Al, Ni, Fe, Cr e altri metalli sulla densificazione del SiC, con Al e Fe ritenuti i più efficaci per promuovere la sinterizzazione con pressa a caldo. F.F. Lange ha studiato le prestazioni del SiC sinterizzato a pressione a caldo con quantità variabili di Al2O3, attribuendo la densificazione a un meccanismo di dissoluzione-riprecipitazione. Tuttavia, la sinterizzazione con pressa a caldo può produrre solo componenti SiC di forma semplice e la quantità di prodotto in un singolo processo di sinterizzazione è limitata, rendendolo meno adatto alla produzione industriale.

Quali sono i vantaggi e i limiti della sinterizzazione a reazione per il SiC?

SiC sinterizzato per reazione, noto anche come SiC autolegato, prevede la reazione di un corpo verde poroso con fasi gassose o liquide per aumentare la massa, ridurre la porosità e sinterizzarlo in un prodotto resistente e dimensionalmente accurato. Il processo prevede la miscelazione di polvere di α-SiC e grafite in un determinato rapporto, il riscaldamento a circa 1650°C e l'infiltrazione del corpo verde con Si fuso o Si gassoso, che reagisce con la grafite per formare β-SiC, legando l'α-SiC esistente. particelle. L'infiltrazione completa di Si dà come risultato un corpo sinterizzato per reazione completamente denso e dimensionalmente stabile. Rispetto ad altri metodi di sinterizzazione, la sinterizzazione a reazione comporta modifiche dimensionali minime durante la densificazione, consentendo la produzione di componenti precisi. Tuttavia, la presenza di una notevole quantità di SiC nel corpo sinterizzato porta a prestazioni inferiori alle alte temperature.

In sintesi,Ceramica SiCprodotti mediante sinterizzazione senza pressione, sinterizzazione con pressa a caldo, pressatura isostatica a caldo e sinterizzazione a reazione presentano caratteristiche prestazionali variabili.Ceramica SiCdalla pressatura a caldo e dalla pressatura isostatica a caldo hanno generalmente densità sinterizzate e resistenze alla flessione più elevate, mentre il SiC sinterizzato per reazione ha valori relativamente inferiori. Le proprietà meccaniche diCeramica SiCvariano anche con diversi additivi di sinterizzazione. Senza pressione, pressata a caldo e sinterizzata per reazioneCeramica SiCmostrano una buona resistenza agli acidi e alle basi forti, ma il SiC sinterizzato per reazione ha una resistenza alla corrosione inferiore agli acidi forti come l'HF. In termini di prestazioni ad alta temperatura, quasi tuttiCeramica SiCmostrano un miglioramento della resistenza al di sotto dei 900°C, mentre la resistenza alla flessione del SiC sinterizzato per reazione diminuisce drasticamente sopra i 1400°C a causa della presenza di Si libero. Le prestazioni ad alta temperatura della pressatura isostatica senza pressione e a caldoCeramica SiCdipende principalmente dal tipo di additivi utilizzati.

Mentre ogni metodo di sinterizzazione perCeramica SiCha i suoi meriti, il rapido progresso della tecnologia richiede continui miglioramentiCeramica SiCprestazioni, tecniche di produzione e riduzione dei costi. Raggiungere la sinterizzazione a bassa temperatura diCeramica SiCè fondamentale per ridurre il consumo energetico e i costi di produzione, promuovendo così l’industrializzazione delCeramica SiCprodotti.**

Noi di Semicorex siamo specializzati inCeramica SiCe altri materiali ceramici applicati nella produzione di semiconduttori, se hai domande o hai bisogno di ulteriori dettagli, non esitare a contattarci.

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