Kỹ thuật chuẩn bị chuyên biệt cho gốm sứ silic cacbua

Gốm silic cacbua (SiC)Vật liệu sở hữu nhiều đặc tính tuyệt vời, bao gồm độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa mạnh, chống mài mòn vượt trội, ổn định nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao, độ cứng cao, chống sốc nhiệt và chống ăn mòn hóa học. Những đặc điểm này làm cho gốm SiC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp ô tô, cơ khí và hóa chất, bảo vệ môi trường, công nghệ vũ trụ, điện tử thông tin và năng lượng.gốm SiCđã trở thành vật liệu gốm kết cấu không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực công nghiệp do tính năng vượt trội của chúng.

Các đặc điểm cấu trúc tăng cường là gìGốm sứ SiC?

Những đặc tính ưu việt củagốm SiCcó liên quan chặt chẽ với cấu trúc độc đáo của chúng. SiC là hợp chất có liên kết cộng hóa trị rất mạnh, trong đó tính chất ion của liên kết Si-C chỉ khoảng 12%. Điều này mang lại độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn, mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời. SiC nguyên chất không bị ăn mòn bởi các dung dịch axit như HCl, HNO3, H2SO4 hoặc HF cũng như không bị ăn mòn bởi các dung dịch kiềm như NaOH. Mặc dù nó có xu hướng oxy hóa khi đun nóng trong không khí, nhưng sự hình thành lớp SiO2 trên bề mặt sẽ ức chế sự khuếch tán oxy hơn nữa, do đó giữ cho tốc độ oxy hóa ở mức thấp. Ngoài ra, SiC thể hiện tính chất bán dẫn, có tính dẫn điện tốt khi đưa vào một lượng nhỏ tạp chất và tính dẫn nhiệt tuyệt vời.

Các dạng tinh thể khác nhau của SiC ảnh hưởng đến tính chất của nó như thế nào?

SiC tồn tại ở hai dạng tinh thể chính: α và β. β-SiC có cấu trúc tinh thể lập phương, với Si và C tạo thành mạng lập phương tâm mặt. α-SiC tồn tại ở hơn 100 polytype, bao gồm 4H, 15R và 6H, trong đó 6H được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp. Độ ổn định của các polytype này thay đổi theo nhiệt độ. Dưới 1600°C, SiC tồn tại ở dạng β, trong khi trên 1600°C, β-SiC dần biến đổi thành nhiều dạng đa hình α-SiC khác nhau. Ví dụ, 4H-SiC hình thành ở khoảng 2000°C, trong khi các polytype 15R và 6H yêu cầu nhiệt độ trên 2100°C để dễ dàng hình thành. Polytype 6H vẫn ổn định ngay cả ở nhiệt độ trên 2200°C. Sự khác biệt nhỏ về năng lượng tự do giữa các polytype này có nghĩa là ngay cả những tạp chất nhỏ cũng có thể làm thay đổi mối quan hệ ổn định nhiệt của chúng.

Kỹ thuật sản xuất bột SiC là gì?

Việc điều chế bột SiC có thể được phân loại thành tổng hợp pha rắn và tổng hợp pha lỏng dựa trên trạng thái ban đầu của nguyên liệu thô.

Các phương pháp liên quan đến tổng hợp pha rắn là gì? 

Tổng hợp pha rắn chủ yếu bao gồm quá trình khử cacbon nhiệt và các phản ứng silic-cacbon trực tiếp. Phương pháp khử cacbon nhiệt bao gồm quy trình Acheson, phương pháp lò đứng và phương pháp lò quay nhiệt độ cao. Quy trình Acheson, do Acheson phát minh, liên quan đến việc khử silica trong cát thạch anh bằng carbon trong lò điện Acheson, được thúc đẩy bởi phản ứng điện hóa dưới nhiệt độ cao và điện trường mạnh. Phương pháp này, với lịch sử sản xuất công nghiệp kéo dài hơn một thế kỷ, tạo ra các hạt SiC tương đối thô và có mức tiêu thụ điện năng cao, phần lớn trong số đó bị thất thoát dưới dạng nhiệt.

Trong những năm 1970, những cải tiến đối với quy trình Acheson đã dẫn đến những phát triển trong những năm 1980, chẳng hạn như lò nung đứng và lò quay nhiệt độ cao để tổng hợp bột β-SiC, với những tiến bộ hơn nữa trong những năm 1990. Ohsaki và cộng sự. phát hiện ra rằng khí SiO thoát ra khi đun nóng hỗn hợp SiO2 và bột Si phản ứng với than hoạt tính, với nhiệt độ tăng và thời gian giữ kéo dài làm giảm diện tích bề mặt riêng của bột khi có nhiều khí SiO được giải phóng. Phương pháp phản ứng silicon-cacbon trực tiếp, một ứng dụng tổng hợp nhiệt độ cao tự lan truyền, bao gồm việc đốt cháy chất phản ứng bằng nguồn nhiệt bên ngoài và sử dụng nhiệt phản ứng hóa học giải phóng trong quá trình tổng hợp để duy trì quá trình. Phương pháp này tiêu thụ năng lượng thấp, thiết bị và quy trình đơn giản, năng suất cao nhưng khó kiểm soát phản ứng. Phản ứng tỏa nhiệt yếu giữa silicon và carbon khiến việc đốt cháy và duy trì ở nhiệt độ phòng trở nên khó khăn, đòi hỏi các nguồn năng lượng bổ sung như lò hóa chất, dòng điện một chiều, gia nhiệt trước hoặc điện trường phụ.

Bột SiC được tổng hợp bằng phương pháp pha lỏng như thế nào? 

Phương pháp tổng hợp pha lỏng bao gồm kỹ thuật phân hủy sol-gel và polymer. Ewell và cộng sự. lần đầu tiên đề xuất phương pháp sol-gel, sau này được áp dụng để điều chế gốm sứ vào khoảng năm 1952. Phương pháp này sử dụng thuốc thử hóa học lỏng để điều chế tiền chất alkoxide, được hòa tan ở nhiệt độ thấp để tạo thành dung dịch đồng nhất. Bằng cách thêm các chất tạo gel thích hợp, alkoxide trải qua quá trình thủy phân và trùng hợp để tạo thành hệ thống sol ổn định. Sau khi để yên hoặc sấy khô trong thời gian dài, Si và C được trộn đều ở cấp độ phân tử. Đun nóng hỗn hợp này đến 1460-1600°C sẽ tạo ra phản ứng khử cacbon nhiệt để tạo ra bột SiC mịn. Các thông số chính cần kiểm soát trong quá trình xử lý sol-gel bao gồm pH dung dịch, nồng độ, nhiệt độ phản ứng và thời gian. Phương pháp này tạo điều kiện cho việc bổ sung đồng nhất các thành phần vi lượng khác nhau nhưng có nhược điểm như dư lượng hydroxyl và dung môi hữu cơ có hại cho sức khỏe, chi phí nguyên liệu cao và độ co ngót đáng kể trong quá trình chế biến.

Phân hủy polyme hữu cơ ở nhiệt độ cao là một phương pháp hiệu quả khác để sản xuất SiC:

Đun nóng polysiloxan gel để phân hủy chúng thành các monome nhỏ, cuối cùng tạo thành SiO2 và C, sau đó trải qua quá trình khử nhiệt cacbon để tạo ra bột SiC.

Đun nóng polycarbosilanes để phân hủy chúng thành các monome nhỏ, tạo thành một khung mà cuối cùng tạo ra bột SiC. Các kỹ thuật sol-gel gần đây đã cho phép sản xuất vật liệu sol/gel dựa trên SiO2, đảm bảo phân phối đồng nhất các chất phụ gia thiêu kết và làm cứng trong gel, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành bột gốm SiC hiệu suất cao.

Tại sao thiêu kết không áp suất được coi là một kỹ thuật đầy hứa hẹn choGốm sứ SiC?

Thiêu kết không áp suất được coi là một phương pháp có nhiều hứa hẹn chothiêu kết SiC. Tùy thuộc vào cơ chế thiêu kết, nó có thể được chia thành thiêu kết pha rắn và thiêu kết pha lỏng. S. Proehazka đã đạt được mật độ tương đối trên 98% đối với vật liệu thiêu kết SiC bằng cách thêm lượng B và C thích hợp vào bột β-SiC siêu mịn (có hàm lượng oxy dưới 2%) và thiêu kết ở 2020°C dưới áp suất bình thường. A. Mulla và cộng sự. sử dụng Al2O3 và Y2O3 làm chất phụ gia để thiêu kết 0,5μm β-SiC (với một lượng nhỏ SiO2 trên bề mặt hạt) ở nhiệt độ 1850-1950°C, đạt mật độ tương đối lớn hơn 95% mật độ lý thuyết và hạt mịn với tỷ trọng trung bình kích thước 1,5µm.

Quá trình thiêu kết ép nóng tăng cường như thế nàoGốm sứ SiC?

Nadeau chỉ ra rằng SiC nguyên chất chỉ có thể được thiêu kết dày đặc ở nhiệt độ cực cao mà không có bất kỳ chất hỗ trợ thiêu kết nào, khiến nhiều người khám phá quá trình thiêu kết ép nóng. Nhiều nghiên cứu đã kiểm tra tác động của việc thêm B, Al, Ni, Fe, Cr và các kim loại khác lên quá trình cô đặc SiC, trong đó Al và Fe được cho là hiệu quả nhất để thúc đẩy quá trình thiêu kết ép nóng. F. F. Lange đã nghiên cứu hiệu suất của SiC thiêu kết ép nóng với lượng Al2O3 khác nhau, tạo ra sự đậm đặc hóa cho cơ chế hòa tan-tái kết tủa. Tuy nhiên, thiêu kết ép nóng chỉ có thể tạo ra các thành phần SiC có hình dạng đơn giản và số lượng sản phẩm trong một quy trình thiêu kết duy nhất bị hạn chế nên không phù hợp cho sản xuất công nghiệp.

Lợi ích và hạn chế của quá trình thiêu kết phản ứng đối với SiC là gì?

SiC thiêu kết phản ứng, còn được gọi là SiC tự liên kết, liên quan đến phản ứng của vật thể xanh xốp với các pha khí hoặc lỏng để tăng khối lượng, giảm độ xốp và thiêu kết nó thành một sản phẩm chắc chắn, có kích thước chính xác. Quá trình này bao gồm việc trộn bột α-SiC và than chì theo một tỷ lệ nhất định, đun nóng đến khoảng 1650°C và đưa Si nóng chảy hoặc Si dạng khí xâm nhập vào vật thể xanh, phản ứng với than chì để tạo thành β-SiC, liên kết với α-SiC hiện có. các hạt. Sự xâm nhập Si hoàn toàn dẫn đến một cơ thể thiêu kết phản ứng hoàn toàn dày đặc, ổn định về kích thước. So với các phương pháp thiêu kết khác, thiêu kết phản ứng bao gồm những thay đổi kích thước tối thiểu trong quá trình cô đặc, cho phép sản xuất các bộ phận chính xác. Tuy nhiên, sự hiện diện của một lượng đáng kể SiC trong vật liệu thiêu kết dẫn đến hiệu suất nhiệt độ cao kém hơn.

Tóm lại,gốm SiCđược sản xuất bằng phương pháp thiêu kết không áp suất, thiêu kết ép nóng, ép đẳng tĩnh nóng và thiêu kết phản ứng thể hiện các đặc tính hiệu suất khác nhau.gốm SiCtừ ép nóng và ép đẳng tĩnh nóng thường có mật độ thiêu kết và độ bền uốn cao hơn, trong khi SiC thiêu kết phản ứng có giá trị tương đối thấp hơn. Các tính chất cơ học củagốm SiCcũng thay đổi với các chất phụ gia thiêu kết khác nhau. Không áp suất, ép nóng và thiêu kết phản ứnggốm SiCthể hiện khả năng chống chịu tốt với axit và bazơ mạnh, nhưng SiC thiêu kết phản ứng có khả năng chống ăn mòn kém hơn đối với axit mạnh như HF. Về hiệu suất nhiệt độ cao, hầu hết tất cảgốm SiCcho thấy sự cải thiện độ bền dưới 900°C, trong khi độ bền uốn của SiC thiêu kết phản ứng giảm mạnh trên 1400°C do sự có mặt của Si tự do. Hiệu suất nhiệt độ cao của máy ép đẳng nhiệt nóng và không áp suấtgốm SiCchủ yếu phụ thuộc vào loại chất phụ gia được sử dụng.

Trong khi mỗi phương pháp thiêu kết chogốm SiCcó giá trị của nó, sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ đòi hỏi phải có những cải tiến liên tục tronggốm SiChiệu suất, kỹ thuật sản xuất và giảm chi phí. Đạt được quá trình thiêu kết ở nhiệt độ thấpgốm SiClà rất quan trọng để giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy quá trình công nghiệp hóagốm SiCcác sản phẩm.**

Chúng tôi ở Semicorex chuyên vềGốm sứ SiCvà các Vật liệu gốm sứ khác ứng dụng trong sản xuất chất bán dẫn, nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm thông tin chi tiết, vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Điện thoại liên hệ: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com