Đánh giá về 9 kỹ thuật thiêu kết cho gốm sứ cacbua silic

Cacbua silic (SiC), một loại gốm kết cấu nổi bật, nổi tiếng với các đặc tính đặc biệt, bao gồm độ bền nhiệt độ cao, độ cứng, mô đun đàn hồi, chống mài mòn, dẫn nhiệt và chống ăn mòn. Những thuộc tính này làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng, từ sử dụng công nghiệp truyền thống trong đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, vòi đốt, bộ trao đổi nhiệt, vòng đệm và vòng bi trượt, đến các ứng dụng tiên tiến như áo giáp đạn đạo, gương không gian, mâm cặp bán dẫn, và vỏ bọc nhiên liệu hạt nhân.

Quá trình thiêu kết là rất quan trọng trong việc xác định các tính chất cuối cùng củagốm SiC. Nghiên cứu sâu rộng đã dẫn đến sự phát triển của các kỹ thuật thiêu kết khác nhau, từ các phương pháp đã được thiết lập như thiêu kết phản ứng, thiêu kết không áp suất, thiêu kết kết tinh lại và ép nóng, cho đến những cải tiến gần đây hơn như thiêu kết plasma tia lửa điện, thiêu kết flash và thiêu kết áp suất dao động.

Dưới đây là cái nhìn sâu hơn về chín điểm nổi bậtgốm SiCkỹ thuật thiêu kết:

1. Ép nóng:

Tiên phong bởi Alliegro et al. tại Công ty Norton, ép nóng bao gồm việc đồng thời áp dụng nhiệt và áp suất lên một vật liệu.bột SiCnhỏ gọn trong một khuôn. Phương pháp này cho phép cô đặc và định hình đồng thời. Mặc dù hiệu quả nhưng ép nóng đòi hỏi thiết bị phức tạp, khuôn dập chuyên dụng và kiểm soát quy trình nghiêm ngặt. Những hạn chế của nó bao gồm tiêu thụ năng lượng cao, độ phức tạp hình dạng hạn chế và chi phí sản xuất cao.

2. Thiêu kết phản ứng:

Lần đầu tiên được đề xuất bởi P. Popper vào những năm 1950, quá trình thiêu kết phản ứng bao gồm việc trộnbột SiCvới nguồn cacbon. Thân màu xanh lá cây, được hình thành thông qua quá trình đúc trượt, ép khô hoặc ép đẳng tĩnh lạnh, trải qua quá trình thấm silicon. Làm nóng trên 1500°C trong chân không hoặc môi trường trơ ​​sẽ làm tan chảy silicon, chất này xâm nhập vào cơ thể xốp thông qua hoạt động mao dẫn. Silicon lỏng hoặc khí phản ứng với carbon, tạo thành β-SiC tại chỗ liên kết với các hạt SiC hiện có, tạo ra gốm dày đặc.

SiC liên kết phản ứng có nhiệt độ thiêu kết thấp, hiệu quả về chi phí và mật độ cao. Độ co ngót không đáng kể trong quá trình thiêu kết khiến nó đặc biệt thích hợp với các bộ phận lớn, có hình dạng phức tạp. Các ứng dụng điển hình bao gồm đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, ống bức xạ, bộ trao đổi nhiệt và vòi khử lưu huỳnh.

Lộ trình xử lý Semicorex của thuyền RBSiC

3. Thiêu kết không áp suất:

Được phát triển bởi S. Prochazka và cộng sự. tại GE vào năm 1974, quá trình thiêu kết không áp suất đã loại bỏ nhu cầu về áp suất bên ngoài. Quá trình cô đặc xảy ra ở 2000-2150°C dưới áp suất khí quyển (1,01×105 Pa) trong môi trường trơ ​​với sự trợ giúp của các chất phụ gia thiêu kết. Thiêu kết không áp suất có thể được phân loại thành thiêu kết trạng thái rắn và thiêu kết pha lỏng.

Quá trình thiêu kết không áp suất ở trạng thái rắn đạt được mật độ cao (3,10-3,15 g/cm3) mà không cần pha thủy tinh giữa các hạt, dẫn đến các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao đặc biệt, với nhiệt độ sử dụng đạt tới 1600°C. Tuy nhiên, sự phát triển hạt quá mức ở nhiệt độ thiêu kết cao có thể tác động tiêu cực đến độ bền.

Quá trình thiêu kết không áp suất pha lỏng mở rộng phạm vi ứng dụng của gốm SiC. Pha lỏng, được hình thành bằng cách làm tan chảy một thành phần hoặc phản ứng eutectic của nhiều thành phần, tăng cường động học đậm đặc bằng cách cung cấp đường khuếch tán cao, dẫn đến nhiệt độ thiêu kết thấp hơn so với thiêu kết ở trạng thái rắn. Kích thước hạt mịn và pha lỏng giữa các hạt còn sót lại trong SiC thiêu kết pha lỏng thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ vết nứt xuyên hạt sang vết nứt giữa các hạt, tăng cường độ bền uốn và độ bền khi gãy.

Thiêu kết không áp suất là một công nghệ trưởng thành với những ưu điểm như hiệu quả về chi phí và tính linh hoạt về hình dạng. Đặc biệt, SiC thiêu kết ở trạng thái rắn có mật độ cao, cấu trúc vi mô đồng nhất và hiệu suất tổng thể tuyệt vời, khiến nó phù hợp với các bộ phận chống mài mòn và ăn mòn như vòng đệm và vòng bi trượt.

Áo giáp cacbua silic thiêu kết không áp lực

4. Thiêu kết kết tinh lại:

Vào những năm 1980, Kriegesmann đã trình diễn việc chế tạo các vật liệu tái kết tinh hiệu suất caogốm SiCbằng cách đúc trượt sau đó thiêu kết ở 2450°C. Kỹ thuật này nhanh chóng được FCT (Đức) và Norton (Mỹ) áp dụng để sản xuất ở quy mô lớn.

SiC kết tinh lại bao gồm quá trình thiêu kết một vật thể màu xanh lá cây được hình thành bằng cách đóng gói các hạt SiC có kích thước khác nhau. Các hạt mịn, phân bố đồng đều trong các kẽ hở của các hạt thô hơn, bay hơi và ngưng tụ tại các điểm tiếp xúc của các hạt lớn hơn ở nhiệt độ trên 2100°C trong bầu không khí được kiểm soát. Cơ chế ngưng tụ bay hơi này hình thành các ranh giới hạt mới ở cổ hạt, dẫn đến sự phát triển của hạt, hình thành cổ và thân thiêu kết có độ xốp còn sót lại.

Các tính năng chính của SiC kết tinh lại bao gồm:

Độ co rút tối thiểu: Việc không có ranh giới hạt hoặc khuếch tán thể tích trong quá trình thiêu kết dẫn đến độ co ngót không đáng kể.

Định hình gần lưới: Mật độ thiêu kết gần như giống hệt với mật độ thân xanh.

Ranh giới hạt sạch: SiC kết tinh thể hiện ranh giới hạt sạch không có pha thủy tinh hoặc tạp chất.

Độ xốp còn lại: Thân thiêu kết thường giữ được độ xốp 10-20%.

5. Ép đẳng nhiệt nóng (HIP):

HIP sử dụng áp suất khí trơ (thường là argon) để tăng cường mật độ. Bột SiC nén chặt, được đậy kín trong hộp thủy tinh hoặc kim loại, chịu áp suất đẳng tĩnh trong lò nung. Khi nhiệt độ tăng lên đến phạm vi thiêu kết, máy nén sẽ duy trì áp suất khí ban đầu ở mức vài megapascal. Áp suất này tăng dần trong quá trình gia nhiệt, đạt tới 200 MPa, loại bỏ hiệu quả các lỗ chân lông bên trong và đạt được mật độ cao.

6. Thiêu kết tia lửa plasma (SPS):

SPS là một kỹ thuật luyện kim bột mới để sản xuất các vật liệu dày đặc, bao gồm kim loại, gốm sứ và vật liệu tổng hợp. Nó sử dụng các xung điện năng lượng cao để tạo ra dòng điện xung và tia lửa điện plasma giữa các hạt bột. Quá trình gia nhiệt cục bộ và tạo plasma này xảy ra ở nhiệt độ tương đối thấp và thời gian ngắn, cho phép quá trình thiêu kết diễn ra nhanh chóng. Quá trình này loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm bề mặt, kích hoạt bề mặt hạt và thúc đẩy quá trình cô đặc nhanh chóng. SPS đã được sử dụng thành công để chế tạo gốm SiC đậm đặc sử dụng Al2O3 và Y2O3 làm chất trợ thiêu kết.

7. Thiêu kết bằng vi sóng:

Không giống như gia nhiệt thông thường, thiêu kết vi sóng tận dụng sự mất điện của vật liệu trong trường điện từ vi sóng để đạt được nhiệt độ và thiêu kết thể tích. Phương pháp này mang lại những ưu điểm như nhiệt độ thiêu kết thấp hơn, tốc độ gia nhiệt nhanh hơn và độ cô đặc được cải thiện. Sự vận chuyển khối lượng được tăng cường trong quá trình thiêu kết vi sóng cũng thúc đẩy các cấu trúc vi mô hạt mịn.

8. Thiêu kết flash:

Quá trình thiêu kết flash (FS) đã thu hút được sự chú ý vì mức tiêu thụ năng lượng thấp và động học thiêu kết cực nhanh. Quá trình này liên quan đến việc đặt một điện áp lên vật thể màu xanh lá cây trong lò. Khi đạt đến nhiệt độ ngưỡng, dòng điện tăng phi tuyến tính đột ngột sẽ tạo ra nhiệt lượng Joule nhanh chóng, dẫn đến sự cô đặc gần như tức thời trong vòng vài giây.

9. Thiêu kết áp suất dao động (OPS):

Việc tạo ra áp suất động trong quá trình thiêu kết sẽ phá vỡ sự liên kết và kết tụ của các hạt, làm giảm kích thước và sự phân bố lỗ rỗng. Điều này dẫn đến các cấu trúc vi mô có mật độ cao, hạt mịn và đồng nhất, tạo ra gốm sứ có độ bền cao và đáng tin cậy. Được tiên phong bởi nhóm của Xie Zhipeng tại Đại học Thanh Hoa, OPS thay thế áp suất tĩnh không đổi trong quá trình thiêu kết thông thường bằng áp suất dao động động.

OPS cung cấp một số lợi thế:

Mật độ xanh được tăng cường: Áp suất dao động liên tục thúc đẩy quá trình sắp xếp lại hạt, làm tăng đáng kể mật độ xanh của bột nén.

Lực truyền động thiêu kết tăng: OPS cung cấp động lực lớn hơn cho quá trình cô đặc, tăng cường khả năng xoay, trượt và dòng chảy của hạt. Điều này đặc biệt có lợi trong các giai đoạn sau của quá trình thiêu kết, khi tần số và biên độ dao động được kiểm soát sẽ loại bỏ hiệu quả các lỗ rỗng còn sót lại ở ranh giới hạt.

Hình ảnh thiết bị thiêu kết áp suất dao động

So sánh các kỹ thuật phổ biến:

Trong số các kỹ thuật này, thiêu kết phản ứng, thiêu kết không áp suất và thiêu kết kết tinh lại được sử dụng rộng rãi để sản xuất SiC công nghiệp, mỗi kỹ thuật đều có những ưu điểm riêng, tạo ra các cấu trúc, tính chất và ứng dụng vi mô riêng biệt.

SiC liên kết phản ứng:Cung cấp nhiệt độ thiêu kết thấp, tiết kiệm chi phí, độ co rút tối thiểu và mật độ cao, khiến nó phù hợp với các bộ phận lớn, có hình dạng phức tạp. Các ứng dụng điển hình bao gồm đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, vòi đốt, bộ trao đổi nhiệt và gương phản xạ quang học.

SiC thiêu kết không áp suất:Mang lại hiệu quả về mặt chi phí, tính linh hoạt về hình dạng, mật độ cao, cấu trúc vi mô đồng nhất và các đặc tính tổng thể tuyệt vời, khiến nó trở nên lý tưởng cho các bộ phận chính xác như vòng đệm, vòng bi trượt, áo giáp đạn đạo, gương phản xạ quang học và mâm cặp bán dẫn.

SiC kết tinh lại:Có pha SiC tinh khiết, độ tinh khiết cao, độ xốp cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời và khả năng chống sốc nhiệt, khiến nó phù hợp với đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, bộ trao đổi nhiệt và vòi đốt.**

Chúng tôi ở Semicorex chuyên vềGốm sứ SiC và khácVật liệu gốm sứáp dụng trong sản xuất chất bán dẫn, nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Điện thoại liên hệ: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com