Gốm sứ cacbua silic và quy trình chế tạo đa dạng của chúng

Gốm sứ cacbua silic (SiC)được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như vòng bi chính xác, vòng đệm, cánh quạt tuabin khí, bộ phận quang học, vòi phun nhiệt độ cao, bộ phận trao đổi nhiệt và vật liệu lò phản ứng hạt nhân. Việc sử dụng rộng rãi này bắt nguồn từ các đặc tính đặc biệt của chúng, bao gồm khả năng chống mài mòn cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời, khả năng chống oxy hóa vượt trội và các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao vượt trội. Tuy nhiên, liên kết cộng hóa trị mạnh và hệ số khuếch tán thấp vốn có của SiC đặt ra một thách thức đáng kể trong việc đạt được mật độ cao trong quá trình thiêu kết. Do đó, quá trình thiêu kết trở thành một bước quan trọng để đạt được hiệu suất caogốm SiC.

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về các kỹ thuật sản xuất khác nhau được sử dụng để sản xuấtRBSiC/PSSiC/RSiC gốm sứ, làm nổi bật các đặc điểm và ứng dụng độc đáo của chúng:

1. Cacbua silic liên kết phản ứng (RBSiC)

RBSiCliên quan đến việc trộn bột cacbua silic (thường là 1-10 μm) với carbon, định hình hỗn hợp thành một khối màu xanh lá cây và cho nó vào nhiệt độ cao để silicon thấm vào. Trong quá trình này, silicon phản ứng với carbon để tạo thành SiC, liên kết với các hạt SiC hiện có, cuối cùng đạt được mật độ dày đặc. Hai phương pháp xâm nhập silicon chính được sử dụng:

Xâm nhập silicon lỏng: Silicon được nung nóng trên điểm nóng chảy (1450-1470°C), cho phép silicon nóng chảy thâm nhập vào vật thể xốp màu xanh lá cây thông qua hoạt động mao dẫn. Silicon nóng chảy sau đó phản ứng với carbon, tạo thành SiC.

Xâm nhập hơi silicon: Silicon được nung nóng vượt quá điểm nóng chảy để tạo ra hơi silicon. Hơi này thấm vào vật thể xanh và sau đó phản ứng với carbon, tạo thành SiC.

Quy trình xử lý: Bột SiC + bột C + Chất kết dính → Tạo hình → Sấy khô → Đốt chất kết dính trong môi trường được kiểm soát → Xâm nhập Si ở nhiệt độ cao → Xử lý sau

(1) Những cân nhắc chính:

Nhiệt độ hoạt động củaRBSiCbị giới hạn bởi hàm lượng silic tự do còn sót lại trong vật liệu. Thông thường, nhiệt độ hoạt động tối đa là khoảng 1400°C. Trên nhiệt độ này, độ bền của vật liệu giảm đi nhanh chóng do silicon tự do nóng chảy.

Sự thẩm thấu silicon lỏng có xu hướng để lại hàm lượng silicon dư cao hơn (thường là 10-15%, đôi khi vượt quá 15%), điều này có thể tác động tiêu cực đến các đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Ngược lại, sự thẩm thấu silicon dạng hơi cho phép kiểm soát tốt hơn hàm lượng silicon còn sót lại. Bằng cách giảm thiểu độ xốp trong vật xanh, hàm lượng silicon còn sót lại sau khi thiêu kết có thể giảm xuống dưới 10% và được kiểm soát quá trình cẩn thận, thậm chí dưới 8%. Mức giảm này cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của sản phẩm cuối cùng.

Điều quan trọng cần lưu ý làRBSiC, bất kể phương pháp xâm nhập nào, chắc chắn sẽ chứa một lượng silicon dư (dao động từ 8% đến hơn 15%). Vì thế,RBSiCkhông phải là gốm cacbua silic một pha mà là hỗn hợp “silicon + cacbua silic”. Do đó,RBSiCcũng được gọi làSiSiC (hỗn hợp silicon cacbua silic).

(2) Ưu điểm và ứng dụng:

RBSiCcung cấp một số lợi thế, bao gồm:

Nhiệt độ thiêu kết thấp: Điều này làm giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất.

Hiệu quả về chi phí: Quy trình này tương đối đơn giản và sử dụng nguyên liệu thô sẵn có, góp phần nâng cao khả năng chi trả.

Mật độ cao:RBSiCđạt được mức mật độ cao, dẫn đến tính chất cơ học được cải thiện.

Định hình gần lưới: Khuôn phôi cacbon và cacbua silic có thể được gia công trước thành các hình dạng phức tạp và độ co rút tối thiểu trong quá trình thiêu kết (thường dưới 3%) đảm bảo độ chính xác kích thước tuyệt vời. Điều này làm giảm nhu cầu gia công sau thiêu kết tốn kém, làm choRBSiCđặc biệt thích hợp cho các thành phần lớn, hình dạng phức tạp.

Nhờ những ưu điểm này,RBSiCthích sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau, chủ yếu cho sản xuất:

Các thành phần của lò: Lớp lót, nồi nấu kim loại và saggars.

Gương không gian:RBSiCHệ số giãn nở nhiệt thấp và mô đun đàn hồi cao của nó làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho gương trong không gian.

Bộ trao đổi nhiệt nhiệt độ cao: Các công ty như Refel (Anh) đã đi tiên phong trong việc sử dụngRBSiCtrong các bộ trao đổi nhiệt nhiệt độ cao, với các ứng dụng từ xử lý hóa học đến sản xuất điện. Asahi Glass (Nhật Bản) cũng đã áp dụng công nghệ này, sản xuất các ống trao đổi nhiệt có chiều dài từ 0,5 đến 1 mét.

Hơn nữa, nhu cầu ngày càng tăng về các tấm bán dẫn lớn hơn và nhiệt độ xử lý cao hơn trong ngành bán dẫn đã thúc đẩy sự phát triển của các sản phẩm có độ tinh khiết cao.RBSiCthành phần. Các thành phần này, được sản xuất bằng bột SiC và silicon có độ tinh khiết cao, đang dần thay thế các bộ phận bằng thủy tinh thạch anh trong đồ gá đỡ cho ống điện tử và thiết bị xử lý tấm bán dẫn.

Thuyền bán dẫn Semicorex RBSiC cho lò khuếch tán

(3) Hạn chế:

Mặc dù có những ưu điểm,RBSiCcó những hạn chế nhất định:

Silicon dư: Như đã đề cập trước đó,RBSiCquá trình này vốn đã tạo ra silicon tự do còn sót lại trong sản phẩm cuối cùng. Silicon dư này ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất của vật liệu, bao gồm:

Giảm độ bền và khả năng chống mài mòn so với các loại khácgốm SiC.

Khả năng chống ăn mòn hạn chế: Silicon tự do dễ bị tấn công bởi dung dịch kiềm và axit mạnh như axit flohydric, hạn chếRBSiCsử dụng trong những môi trường như vậy.

Độ bền nhiệt độ cao thấp hơn: Sự hiện diện của silicon tự do hạn chế nhiệt độ hoạt động tối đa ở khoảng 1350-1400°C.

2. Thiêu kết không áp suất - PSSiC

Thiêu kết không áp suất của cacbua silicđạt được độ đậm đặc của các mẫu có hình dạng và kích thước khác nhau ở nhiệt độ từ 2000-2150°C trong môi trường trơ ​​và không tác dụng áp suất bên ngoài, bằng cách thêm các chất hỗ trợ thiêu kết thích hợp. Công nghệ thiêu kết không áp suất của SiC đã trưởng thành và ưu điểm của nó là chi phí sản xuất thấp và không có hạn chế về hình dạng và kích thước của sản phẩm. Đặc biệt, gốm SiC thiêu kết pha rắn có mật độ cao, cấu trúc vi mô đồng nhất và các đặc tính vật liệu toàn diện tuyệt vời, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các vòng đệm chống mài mòn và chống ăn mòn, vòng bi trượt và các ứng dụng khác.

Quá trình thiêu kết không áp suất của cacbua silic có thể được chia thành quá trình thiêu kết pha rắncacbua silic thiêu kết (SSiC)và cacbua silic thiêu kết pha lỏng (LSiC).

Cấu trúc vi mô và ranh giới hạt của cacbua silic thiêu kết pha rắn không áp suất

Quá trình thiêu kết pha rắn lần đầu tiên được phát minh bởi nhà khoa học người Mỹ Prochazka vào năm 1974. Ông đã thêm một lượng nhỏ boron và carbon vào submicron β-SiC, thực hiện quá trình thiêu kết cacbua silic không áp suất và thu được vật liệu thiêu kết dày đặc với mật độ gần bằng 95% so với thiêu kết pha rắn. giá trị lý thuyết. Sau đó, W. Btcker và H. Hansner đã sử dụng α-SiC làm nguyên liệu thô và bổ sung boron và carbon để đạt được mật độ của cacbua silic. Nhiều nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng cả hợp chất boron và boron cũng như hợp chất Al và Al đều có thể tạo thành dung dịch rắn với cacbua silic để thúc đẩy quá trình thiêu kết. Việc bổ sung cacbon có lợi cho quá trình thiêu kết bằng cách phản ứng với silicon dioxide trên bề mặt cacbua silic để tăng năng lượng bề mặt. Cacbua silic thiêu kết pha rắn có ranh giới hạt tương đối “sạch” về cơ bản không có pha lỏng và hạt phát triển dễ dàng ở nhiệt độ cao. Do đó, vết nứt có tính chất xuyên hạt, độ bền và độ dẻo dai của vết nứt nhìn chung không cao. Tuy nhiên, do ranh giới hạt “sạch”, độ bền nhiệt độ cao không thay đổi khi nhiệt độ tăng và nhìn chung vẫn ổn định ở nhiệt độ lên tới 1600°C.

Thiêu kết pha lỏng của cacbua silic được phát minh bởi nhà khoa học người Mỹ M.A. Mulla vào đầu những năm 1990. Phụ gia thiêu kết chính của nó là Y2O3-Al2O3. Thiêu kết pha lỏng có ưu điểm là nhiệt độ thiêu kết thấp hơn so với thiêu kết pha rắn và kích thước hạt nhỏ hơn.

Nhược điểm chính của quá trình thiêu kết pha rắn là yêu cầu nhiệt độ thiêu kết cao (> 2000°C), yêu cầu về độ tinh khiết cao đối với nguyên liệu thô, độ bền đứt gãy của thân thiêu kết thấp và độ nhạy đứt gãy cao đối với các vết nứt. Về mặt cấu trúc, các hạt thô và không đồng đều, và dạng gãy thường là dạng xuyên hạt. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu gốm cacbua silic trong và ngoài nước tập trung vào quá trình thiêu kết pha lỏng. Quá trình thiêu kết pha lỏng đạt được bằng cách sử dụng một lượng oxit eutectic đa thành phần nhất định làm chất hỗ trợ thiêu kết. Ví dụ, chất trợ nhị phân và bậc ba của Y2O3 có thể làm cho SiC và vật liệu tổng hợp của nó thể hiện quá trình thiêu kết pha lỏng, đạt được độ đậm đặc lý tưởng của vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn. Đồng thời, do sự ra đời của pha lỏng ranh giới hạt và độ bền liên kết giao diện duy nhất bị suy yếu, chế độ gãy của vật liệu gốm chuyển sang chế độ gãy giữa các hạt và độ bền đứt của vật liệu gốm được cải thiện đáng kể .

3. Cacbua silic kết tinh lại - RSiC

Cacbua silic kết tinh lại (RSiC)là vật liệu SiC có độ tinh khiết cao được làm từ bột cacbua silic (SiC) có độ tinh khiết cao với hai kích cỡ hạt khác nhau là thô và mịn. Nó được thiêu kết ở nhiệt độ cao (2200-2450°C) thông qua cơ chế ngưng tụ bay hơi mà không cần thêm chất hỗ trợ thiêu kết.

Lưu ý: Nếu không có chất hỗ trợ thiêu kết, sự phát triển của cổ thiêu kết thường đạt được thông qua khuếch tán bề mặt hoặc truyền khối lượng bay hơi-ngưng tụ. Theo lý thuyết thiêu kết cổ điển, cả hai phương pháp truyền khối này đều không thể làm giảm khoảng cách giữa tâm khối lượng của các hạt tiếp xúc, do đó không gây ra bất kỳ sự co rút nào ở quy mô vĩ mô, đó là một quá trình không cô đặc. Để giải quyết vấn đề này và thu được gốm cacbua silic mật độ cao, người ta đã thực hiện nhiều biện pháp, chẳng hạn như sử dụng nhiệt, thêm chất hỗ trợ thiêu kết hoặc sử dụng kết hợp nhiệt, áp suất và chất hỗ trợ thiêu kết.

Ảnh SEM của bề mặt gãy của cacbua silic kết tinh lại

Đặc điểm và ứng dụng:

RSiCchứa hơn 99% SiC và về cơ bản không có tạp chất ranh giới hạt, giữ lại nhiều đặc tính tuyệt vời của SiC, như độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống sốc nhiệt. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, vòi đốt, bộ chuyển đổi nhiệt mặt trời, thiết bị lọc khí thải xe diesel, luyện kim loại và các môi trường khác có yêu cầu hiệu suất cực kỳ khắt khe.

Do cơ chế thiêu kết ngưng tụ bay hơi nên trong quá trình nung không xảy ra hiện tượng co ngót, không sinh ra ứng suất dư gây biến dạng hoặc nứt vỡ sản phẩm.

RSiCcó thể được hình thành bằng nhiều phương pháp khác nhau như đúc trượt, đúc gel, ép đùn và ép. Vì không bị co ngót trong quá trình nung nên dễ dàng thu được các sản phẩm có hình dạng và kích thước chính xác miễn là kích thước thân xanh được kiểm soát tốt.

Người bị sa thảisản phẩm SiC kết tinh lạichứa khoảng 10% -20% lỗ chân lông còn sót lại. Độ xốp của vật liệu phần lớn phụ thuộc vào độ xốp của chính vật thể xanh và không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ thiêu kết, tạo cơ sở cho việc kiểm soát độ xốp.

Theo cơ chế thiêu kết này, vật liệu có nhiều lỗ rỗng liên kết với nhau, có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xốp. Ví dụ, nó có thể thay thế các sản phẩm xốp truyền thống trong lĩnh vực lọc khí thải và lọc không khí nhiên liệu hóa thạch.

RSiCcó ranh giới hạt rất rõ ràng và sạch sẽ, không có pha thủy tinh và tạp chất vì bất kỳ tạp chất oxit hoặc kim loại nào đều bay hơi ở nhiệt độ cao 2150-2300°C. Cơ chế thiêu kết ngưng tụ bay hơi cũng có thể tinh chế SiC (hàm lượng SiC trongRSiClà trên 99%), giữ lại nhiều đặc tính tuyệt vời của SiC, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền nhiệt độ cao, chống ăn mòn và chống sốc nhiệt, chẳng hạn như đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, vòi đốt, bộ chuyển đổi nhiệt mặt trời và luyện kim loại .**