تقنيات تحضير متخصصة لسيراميك كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) السيراميكتمتلك المواد مجموعة من الخصائص الممتازة، بما في ذلك قوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة القوية، ومقاومة التآكل الفائقة، والثبات الحراري، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والتوصيل الحراري العالي، والصلابة العالية، ومقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل الكيميائي. هذه الخصائص تجعل سيراميك SiC قابلاً للتطبيق بشكل متزايد في مجالات مختلفة مثل صناعات السيارات والميكانيكية والكيميائية وحماية البيئة وتكنولوجيا الفضاء وإلكترونيات المعلومات والطاقة.سيراميك سيكأصبحت مادة خزفية هيكلية لا يمكن الاستغناء عنها في العديد من القطاعات الصناعية بسبب أدائها المتميز.

ما هي الخصائص الهيكلية التي تعززسيراميك سيك?

الخصائص المتفوقة لسيراميك سيكترتبط ارتباطًا وثيقًا ببنيتها الفريدة. SiC هو مركب ذو روابط تساهمية قوية جدًا، حيث يبلغ الطابع الأيوني لرابطة Si-C حوالي 12٪ فقط. وينتج عن ذلك قوة عالية ومعامل مرونة كبير، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل. لا يتآكل Pure SiC بواسطة المحاليل الحمضية مثل HCl أو HNO3 أو H2SO4 أو HF، ولا بواسطة المحاليل القلوية مثل NaOH. في حين أنه يميل إلى الأكسدة عند تسخينه في الهواء، فإن تكوين طبقة SiO2 على السطح يمنع المزيد من انتشار الأكسجين، وبالتالي يحافظ على معدل الأكسدة منخفضًا. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر SiC خصائص أشباه الموصلات، مع موصلية كهربائية جيدة عند إدخال كميات صغيرة من الشوائب، وموصلية حرارية ممتازة.

كيف تؤثر الأشكال البلورية المختلفة من SiC على خصائصها؟

يوجد SiC في شكلين بلوريين رئيسيين: α و β. يحتوي β-SiC على بنية بلورية مكعبة، حيث يشكل Si وC شبكات مكعبة مركزية الوجه. يوجد α-SiC في أكثر من 100 نوع متعدد، بما في ذلك 4H و15R و6H، مع كون 6H هو الأكثر استخدامًا في التطبيقات الصناعية. يختلف استقرار هذه الأنواع المتعددة باختلاف درجة الحرارة. أقل من 1600 درجة مئوية، يوجد SiC في شكل β، بينما فوق 1600 درجة مئوية، يتحول β-SiC تدريجيًا إلى أنواع متعددة α-SiC. على سبيل المثال، يتشكل 4H-SiC عند حوالي 2000 درجة مئوية، بينما تتطلب الأنواع المتعددة 15R و6H درجات حرارة أعلى من 2100 درجة مئوية لتتشكل بسهولة. يظل النوع المتعدد 6H مستقرًا حتى فوق 2200 درجة مئوية. إن الاختلاف البسيط في الطاقة الحرة بين هذه الأنواع المتعددة يعني أنه حتى الشوائب البسيطة يمكن أن تغير علاقات الاستقرار الحراري الخاصة بها.

ما هي تقنيات إنتاج مساحيق SiC؟

يمكن تصنيف تحضير مساحيق SiC إلى تخليق الطور الصلب وتوليف الطور السائل بناءً على الحالة الأولية للمواد الخام.

ما هي الطرق المستخدمة في تركيب المرحلة الصلبة؟ 

يشتمل تخليق الطور الصلب في المقام الأول على تقليل الكربوثيرمال وتفاعلات الكربون والسيليكون المباشرة. تشتمل طريقة الاختزال الكربوثيرمالي على عملية أتشيسون، وطريقة الفرن العمودي، وطريقة الفرن الدوار ذو درجة الحرارة العالية. تتضمن عملية أتشيسون، التي ابتكرها أتشيسون، اختزال السيليكا في رمل الكوارتز بواسطة الكربون في فرن أتشيسون الكهربائي، مدفوعًا بتفاعل كهروكيميائي تحت درجة حرارة عالية ومجالات كهربائية قوية. تنتج هذه الطريقة، التي لها تاريخ من الإنتاج الصناعي يمتد لأكثر من قرن من الزمان، جسيمات كربيد السيليكون الخشنة نسبيًا وتستهلك طاقة عالية، ويفقد الكثير منها على شكل حرارة.

في السبعينيات، أدت التحسينات التي تم إدخالها على عملية أتشيسون إلى تطورات في الثمانينيات، مثل الأفران العمودية والأفران الدوارة ذات درجة الحرارة العالية لتصنيع مسحوق β-SiC، مع مزيد من التقدم في التسعينيات. أوهساكي وآخرون. وجد أن غاز SiO المنطلق من تسخين خليط من مسحوق SiO2 وSi يتفاعل مع الكربون المنشط، مع زيادة درجة الحرارة ووقت الاحتفاظ الممتد مما يقلل مساحة السطح المحددة للمسحوق مع إطلاق المزيد من غاز SiO. تتضمن طريقة التفاعل المباشر بين السيليكون والكربون، وهي أحد تطبيقات التوليف الذاتي الانتشار بدرجة حرارة عالية، إشعال الجسم المتفاعل بمصدر حرارة خارجي واستخدام حرارة التفاعل الكيميائي المنبعثة أثناء التوليف للحفاظ على العملية. تتميز هذه الطريقة باستهلاك منخفض للطاقة، ومعدات وعمليات بسيطة، وإنتاجية عالية، على الرغم من صعوبة التحكم في التفاعل. إن التفاعل الطارد للحرارة الضعيف بين السيليكون والكربون يجعل من الصعب الإشعال والمحافظة على درجة حرارة الغرفة، مما يستلزم مصادر طاقة إضافية مثل الأفران الكيميائية، أو التيار المباشر، أو التسخين المسبق، أو المجالات الكهربائية المساعدة.

كيف يتم تصنيع مسحوق SiC باستخدام طرق الطور السائل؟ 

تتضمن طرق تصنيع الطور السائل تقنيات تحلل الجل والبوليمر. يوويل وآخرون. اقترح لأول مرة طريقة السول جل، والتي تم تطبيقها لاحقًا على تحضير السيراميك حوالي عام 1952. تستخدم هذه الطريقة الكواشف الكيميائية السائلة لتحضير سلائف الألكوكسيد، والتي تذوب عند درجات حرارة منخفضة لتكوين محلول متجانس. ومن خلال إضافة عوامل التبلور المناسبة، يخضع الألكوكسيد للتحلل المائي والبلمرة لتكوين نظام محلول مستقر. بعد الوقوف أو التجفيف لفترة طويلة، يتم خلط Si وC بشكل موحد على المستوى الجزيئي. تسخين هذا الخليط إلى 1460-1600 درجة مئوية يؤدي إلى تفاعل اختزال كربوثيرمي لإنتاج مسحوق SiC الناعم. تشمل المعلمات الرئيسية التي يجب التحكم فيها أثناء معالجة هلام السول، درجة حموضة المحلول والتركيز ودرجة حرارة التفاعل والوقت. تسهل هذه الطريقة الإضافة المتجانسة للمكونات النزرة المختلفة ولكن لها عيوب مثل الهيدروكسيل المتبقي والمذيبات العضوية الضارة بالصحة، وارتفاع تكاليف المواد الخام، والانكماش الكبير أثناء المعالجة.

يعد التحلل بدرجة حرارة عالية للبوليمرات العضوية طريقة فعالة أخرى لإنتاج SiC:

تسخين هلام البولي سيلوكسان لتحليلها إلى مونومرات صغيرة، وتكوين SiO2 وC في النهاية، والتي تخضع بعد ذلك للاختزال الكربوثيرمالي لإنتاج مسحوق SiC.

تسخين البولي كربوسيلان لتحللها إلى مونومرات صغيرة، مما يشكل إطارًا يؤدي في النهاية إلى مسحوق SiC. لقد مكنت تقنيات سول-جل الحديثة من إنتاج مواد سول/جل القائمة على SiO2، مما يضمن التوزيع المتجانس لمضافات التلبيد والتقوية داخل الجل، مما يسهل تكوين مساحيق سيراميك SiC عالية الأداء.

لماذا يعتبر التلبد بدون ضغط تقنية واعدة لسيراميك سيك?

يعتبر التلبيد بدون ضغط طريقة واعدة للغايةتلبيد كربيد. اعتمادًا على آلية التلبيد، يمكن تقسيمها إلى تلبيد في الطور الصلب وتلبد في الطور السائل. حققت S. Proehazka كثافة نسبية أعلى من 98% للأجسام الملبدة من SiC عن طريق إضافة كميات مناسبة من B وC إلى مسحوق β-SiC فائق الدقة (مع محتوى أكسجين أقل من 2%) والتلبيد عند 2020 درجة مئوية تحت الضغط العادي. أ. الملا وآخرون. استخدم Al2O3 وY2O3 كإضافات لتلبيد 0.5μm β-SiC (مع كمية صغيرة من SiO2 على سطح الجسيمات) عند 1850-1950 درجة مئوية، مما يحقق كثافة نسبية أكبر من 95% من الكثافة النظرية والحبوب الدقيقة بمتوسط حجم 1.5 ميكرومتر.

كيف يتم تعزيز تلبيد الصحافة الساخنةسيراميك سيك?

أشار نادو إلى أن كربيد السيليكون النقي لا يمكن تلبده بكثافة إلا عند درجات حرارة عالية للغاية دون أي مساعدات تلبد، مما دفع الكثيرين إلى استكشاف التلبيد بالضغط الساخن. لقد قامت العديد من الدراسات بفحص تأثيرات إضافة B، وAl، وNi، وFe، وCr، ومعادن أخرى على تكثيف SiC، حيث وجد أن Al وFe هما الأكثر فعالية في تعزيز تلبيد الضغط الساخن. ف.ف. قام لانج بالتحقيق في أداء كربيد السيليكون الملبد بالضغط الساخن بكميات متفاوتة من Al2O3، وعزى التكثيف إلى آلية الذوبان والترسيب. ومع ذلك، يمكن للتلبيد بالضغط الساخن أن ينتج فقط مكونات SiC ذات شكل بسيط، وتكون كمية المنتج في عملية تلبيد واحدة محدودة، مما يجعلها أقل ملاءمة للإنتاج الصناعي.

ما هي فوائد وقيود تلبيد التفاعل لـ SiC؟

رد فعل متكلس كربيد السيليكون، المعروف أيضًا باسم SiC المرتبط ذاتيًا، يتضمن تفاعل جسم أخضر مسامي مع مراحل غازية أو سائلة لزيادة الكتلة وتقليل المسامية وتلبيده إلى منتج قوي ودقيق الأبعاد. تتضمن العملية خلط مسحوق α-SiC والجرافيت بنسبة معينة، والتسخين إلى حوالي 1650 درجة مئوية، وتسلل الجسم الأخضر باستخدام Si المنصهر أو Si الغازي، الذي يتفاعل مع الجرافيت لتكوين β-SiC، ويربط α-SiC الموجود. جزيئات. يؤدي التسلل الكامل لـ Si إلى جسم متكلس للتفاعل كثيف ومستقر الأبعاد. بالمقارنة مع طرق التلبيد الأخرى، يتضمن تلبيد التفاعل الحد الأدنى من تغييرات الأبعاد أثناء التكثيف، مما يسمح بتصنيع مكونات دقيقة. ومع ذلك، فإن وجود كمية كبيرة من كربيد السيليكون في الجسم الملبد يؤدي إلى ضعف الأداء في درجات الحرارة العالية.

في ملخص،سيراميك سيكالتي يتم إنتاجها عن طريق التلبيد بدون ضغط، والتلبيد بالضغط الساخن، والضغط المتوازن الساخن، وتلبد التفاعل يظهر خصائص أداء مختلفة.سيراميك سيكمن الضغط الساخن والضغط متساوي الضغط الساخن بشكل عام يكون لها كثافات ملبدة أعلى وقوة انثناء، في حين أن SiC الملبد بالتفاعل له قيم أقل نسبيًا. الخواص الميكانيكيةسيراميك سيكتختلف أيضًا مع إضافات التلبيد المختلفة. بدون ضغط، ضغط ساخن، ومتكلس بالتفاعلسيراميك سيكيُظهر مقاومة جيدة للأحماض والقواعد القوية، لكن SiC الملبد بالتفاعل لديه مقاومة أقل للتآكل للأحماض القوية مثل HF. من حيث الأداء في درجات الحرارة المرتفعة، كل شيء تقريباسيراميك سيكتظهر تحسنًا في القوة أقل من 900 درجة مئوية، في حين أن قوة الانحناء لـ SiC الملبدة بالتفاعل تنخفض بشكل حاد فوق 1400 درجة مئوية بسبب وجود Si حر. أداء درجة الحرارة العالية للضغط المتساوي الضغط والساخنسيراميك سيكيعتمد في المقام الأول على نوع المواد المضافة المستخدمة.

في حين أن كل طريقة تلبيد لسيراميك سيكله مزاياه، فإن التقدم التكنولوجي السريع يتطلب تحسينات مستمرة فيسيراميك كربيد السيليكونالأداء وتقنيات التصنيع وخفض التكلفة. تحقيق تلبيد درجة حرارة منخفضةسيراميك سيكأمر بالغ الأهمية لخفض استهلاك الطاقة وتكاليف الإنتاج، وبالتالي تعزيز التصنيعسيراميك كربيد السيليكونمنتجات.**

نحن في Semicorex متخصصون فيسيراميك سيكومواد السيراميك الأخرى المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات، إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال: +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com