Nghiên cứu gốm SiC thiêu kết phản ứng và tính chất của chúng

Tại sao cacbua silic lại quan trọng?

Cacbua silic (SiC) là hợp chất được hình thành bởi liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử silicon và carbon, được biết đến với khả năng chống mài mòn tuyệt vời, chống sốc nhiệt, chống ăn mòn và dẫn nhiệt cao. Nó được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất cơ khí, hóa dầu, luyện kim loại và công nghiệp điện tử, đặc biệt để chế tạo các bộ phận chịu mài mòn và các bộ phận kết cấu chịu nhiệt độ cao.Gốm sứ cacbua silic phản ứng thiêu kếtlà một trong những loại gốm sứ kết cấu đầu tiên đạt được sản xuất ở quy mô công nghiệp. Truyền thốnggốm sứ cacbua silic phản ứng thiêu kếtđược làm từ bột cacbua silic và một lượng nhỏ bột carbon thông qua quá trình thiêu kết phản ứng thấm silicon ở nhiệt độ cao, đòi hỏi thời gian thiêu kết dài, nhiệt độ cao, tiêu thụ năng lượng cao và chi phí cao. Với ứng dụng ngày càng tăng của công nghệ cacbua silic phản ứng thiêu kết, các phương pháp truyền thống không đủ để đáp ứng nhu cầu công nghiệp về các sản phẩm có hình dạng phức tạp.gốm sứ cacbua silic.

Những tiến bộ gần đây trongCacbua silic thiêu kết phản ứng?

Những tiến bộ gần đây đã dẫn đến việc sản xuất các loại vật liệu có mật độ cao, độ bền uốn caogốm sứ cacbua silicsử dụng bột cacbua silic có kích thước nano, cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vật liệu. Tuy nhiên, giá thành cao của bột cacbua silic cỡ nano, lên tới hàng chục nghìn đô la mỗi tấn, cản trở việc ứng dụng trên quy mô lớn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng than củi có sẵn rộng rãi làm nguồn carbon và cacbua silic cỡ micron làm cốt liệu, sử dụng công nghệ đúc trượt để chuẩn bịgốm silicon cacbua phản ứng thiêu kếtthể xanh. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ nhu cầu tổng hợp trước bột cacbua silic, giảm chi phí sản xuất và cho phép chế tạo các sản phẩm có thành mỏng, hình dạng phức tạp, cung cấp tài liệu tham khảo để cải thiện hiệu suất và ứng dụng củagốm sứ cacbua silic phản ứng thiêu kết.

Nguyên liệu thô được sử dụng là gì?

Nguyên liệu dùng trong thí nghiệm bao gồm:

Cacbua silic có kích thước hạt trung bình (d50) là 3,6 μm và độ tinh khiết (w(SiC)) ≥ 98%

Than đen có kích thước hạt trung bình (d50) là 0,5 μm và độ tinh khiết (w©) ≥ 99%

Than chì có kích thước hạt trung bình (d50) là 10 μm và độ tinh khiết (w©) ≥ 99%

Chất phân tán: Polyvinylpyrrolidone (PVP) K30 (giá trị K 27-33) và K90 (giá trị K 88-96)

Chất khử nước: Polycarboxylate CE-64

Đại lý phát hành: AO

Nước khử ion

Thí nghiệm được tiến hành như thế nào?

Thí nghiệm được tiến hành như sau:

Trộn nguyên liệu thô theo Bảng 1 bằng máy trộn điện trong 4 giờ để thu được hỗn hợp sệt đồng nhất.

Giữ độ nhớt của bùn ≤ 1000 mPa·s, hỗn hợp bùn được đổ vào khuôn thạch cao đã chuẩn bị sẵn để đúc trượt, để khử nước qua khuôn thạch cao trong 2-3 phút để tạo thành vật thể xanh.

Thân xanh được đặt ở nơi mát trong 48 giờ, sau đó lấy ra khỏi khuôn và sấy khô trong lò sấy chân không ở 80°C trong 4-6 giờ.

Quá trình khử keo của vật thể xanh được thực hiện trong lò nung ở nhiệt độ 800°C trong 2 giờ để thu được phôi.

Các khuôn phôi được nhúng vào bột hỗn hợp gồm cacbon đen, bột silicon và boron nitrit theo tỷ lệ khối lượng 1:100:2000 và nung trong lò nung ở 1720°C trong 2 giờ để thu được gốm sứ cacbua silic dạng bột hoàn toàn. .

Những phương pháp nào được sử dụng để kiểm tra hiệu suất?

Kiểm tra hiệu suất bao gồm:

Đo độ nhớt của bùn ở các thời điểm trộn khác nhau (1-5 giờ) bằng máy đo độ nhớt quay ở nhiệt độ phòng.

Đo mật độ thể tích của phôi theo tiêu chuẩn quốc gia GB/T 25995-2010.

Đo cường độ uốn của mẫu thiêu kết ở 1720°C theo GB/T 6569-2006, với kích thước mẫu 3 mm × 4 mm × 36 mm, khoảng cách 30 mm và tốc độ tải 0,5 mm·min^-1 .

Phân tích thành phần pha và vi cấu trúc của các mẫu thiêu kết ở 1720°C bằng XRD và SEM.

Thời gian trộn ảnh hưởng như thế nào đến độ nhớt của bùn, mật độ thể tích phôi và độ xốp biểu kiến?

Hình 1 và 2 tương ứng cho thấy mối quan hệ giữa thời gian trộn và độ nhớt của bùn đối với mẫu 2#, cũng như mối quan hệ giữa thời gian trộn và mật độ thể tích phôi và độ xốp biểu kiến.

Hình 1 chỉ ra rằng khi thời gian trộn tăng lên, độ nhớt giảm xuống, đạt tối thiểu 721 mPa·s sau 4 giờ và sau đó ổn định.

Hình 2 cho thấy mẫu 2# có mật độ thể tích tối đa là 1,47 g·cm^-3 và độ xốp biểu kiến ​​tối thiểu là 32,4%. Độ nhớt thấp hơn giúp phân tán tốt hơn, tạo ra hỗn hợp sệt đồng đều hơn và cải thiệngốm cacbua silichiệu suất. Thời gian trộn không đủ sẽ dẫn đến việc trộn bột mịn cacbua silic không đồng đều, trong khi thời gian trộn quá nhiều sẽ làm bay hơi nhiều nước hơn, làm mất ổn định hệ thống. Thời gian trộn tối ưu để chuẩn bị gốm cacbua silic dạng bột mịn hoàn toàn là 4 giờ.

Bảng 2 liệt kê độ nhớt của bùn, mật độ thể tích phôi và độ xốp biểu kiến ​​của mẫu 2# có thêm than chì và mẫu 6# không thêm than chì. Việc bổ sung than chì làm giảm độ nhớt của bùn, tăng mật độ thể tích phôi và giảm độ xốp biểu kiến ​​do tác dụng bôi trơn của than chì, dẫn đến độ phân tán tốt hơn và tăng mật độ của bột mịn hoàn toàn.gốm sứ cacbua silic. Không có than chì, hỗn hợp bùn có độ nhớt cao hơn, độ phân tán và độ ổn định kém hơn, nên việc bổ sung than chì là cần thiết.

Hình 3 hiển thị mật độ thể tích phôi và độ xốp biểu kiến ​​của các mẫu có hàm lượng cacbon đen khác nhau. Mẫu 2# có mật độ thể tích cao nhất là 1,47 g·cm^-3 và độ xốp biểu kiến ​​thấp nhất là 32,4%. Tuy nhiên, độ xốp quá thấp sẽ cản trở sự xâm nhập của silicon.

Hình 4 cho thấy phổ XRD của mẫu phôi 2# và mẫu thiêu kết ở 1720°C. Các dạng phôi chứa than chì và β-SiC, trong khi các mẫu thiêu kết chứa Si, β-SiC và α-SiC, cho thấy một số β-SiC được chuyển hóa thành α-SiC ở nhiệt độ cao. Các mẫu thiêu kết cũng cho thấy hàm lượng Si tăng và hàm lượng C giảm do sự thấm silicon ở nhiệt độ cao, trong đó Si phản ứng với C để tạo thành SiC, lấp đầy các lỗ rỗng.

Hình 5 cho thấy hình thái đứt gãy của các mẫu phôi khác nhau. Các hình ảnh cho thấy cacbua silic, than chì và lỗ chân lông mịn. Các mẫu 1#, 4# và 5# có pha vảy lớn hơn và các lỗ phân bố không đều hơn do trộn không đều, dẫn đến mật độ phôi thấp và độ xốp cao. Mẫu 2# với 5,94% (w) muội than cho thấy cấu trúc vi mô tối ưu.

Hình 6 cho thấy hình thái đứt gãy của mẫu 2# sau khi thiêu kết ở 1720°C, hiển thị các hạt cacbua silic được phân bố chặt chẽ và đồng đều với độ xốp tối thiểu. Sự phát triển của các hạt cacbua silic là do tác động của nhiệt độ cao. Các hạt SiC mới hình thành nhỏ hơn cũng được nhìn thấy giữa các hạt khung SiC ban đầu từ quá trình thiêu kết phản ứng, với một số Si còn sót lại lấp đầy các lỗ ban đầu, làm giảm nồng độ ứng suất nhưng có khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt độ cao do điểm nóng chảy thấp. Sản phẩm thiêu kết có mật độ thể tích 3,02 g·cm^-3 và độ bền uốn 580 MPa, gấp đôi cường độ thông thườngcacbua silic phản ứng thiêu kết.

Kết luận

Thời gian trộn tối ưu cho hỗn hợp bùn được sử dụng để chuẩn bị bột mịn hoàn toàngốm sứ cacbua siliclà 4 giờ. Việc thêm than chì làm giảm độ nhớt của bùn, tăng mật độ thể tích phôi và giảm độ xốp biểu kiến, tăng cường mật độ của bột mịn hoàn toàn.gốm sứ cacbua silic.

Hàm lượng cacbon đen tối ưu để chế tạo gốm cacbua silic dạng bột hoàn toàn là 5,94% (w).

Các hạt cacbua silic thiêu kết được phân bố chặt chẽ và đồng đều với độ xốp tối thiểu, cho thấy xu hướng tăng trưởng. Mật độ sản phẩm thiêu kết là 3,02 g·cm^-3 và độ bền uốn là 580 MPa, cải thiện đáng kể độ bền cơ học và mật độ của bột mịn hoàn toàngốm sứ cacbua silic.**

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