دراسة سيراميك SiC الملبد بالتفاعل وخصائصه

لماذا يعتبر كربيد السيليكون مهمًا؟

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب يتكون من روابط تساهمية بين ذرات السيليكون والكربون، وهو معروف بمقاومته الممتازة للتآكل، ومقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل، والتوصيل الحراري العالي. يتم استخدامه على نطاق واسع في مجال الطيران والتصنيع الميكانيكي والبتروكيماويات وصهر المعادن وصناعة الإلكترونيات، خاصة لصنع الأجزاء المقاومة للتآكل والمكونات الهيكلية عالية الحرارة.رد فعل متكلس سيراميك كربيد السيليكونهي من بين السيراميك الإنشائي الأول الذي حقق إنتاجًا على نطاق صناعي. تقليديسيراميك كربيد السيليكون الملبد بالتفاعلمصنوعة من مسحوق كربيد السيليكون وكمية صغيرة من مسحوق الكربون من خلال تلبيد تفاعل تسلل السيليكون بدرجة حرارة عالية، الأمر الذي يتطلب أوقات تلبيد طويلة، ودرجات حرارة عالية، واستهلاكًا عاليًا للطاقة، وتكاليف عالية. مع تزايد تطبيق تكنولوجيا كربيد السيليكون الملبد بالتفاعل، أصبحت الطرق التقليدية غير كافية لتلبية الطلب الصناعي على الأشكال المعقدةسيراميك كربيد السيليكون.

ما هي التطورات الحديثة فيرد فعل متكلس كربيد السيليكون?

أدت التطورات الحديثة إلى إنتاج مواد عالية الكثافة وعالية الانحناءسيراميك كربيد السيليكونباستخدام مسحوق كربيد السيليكون بحجم النانو، مما أدى إلى تحسين الخواص الميكانيكية للمادة بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فإن التكلفة العالية لمسحوق كربيد السيليكون بحجم النانو، والذي يزيد سعره عن عشرات الآلاف من الدولارات للطن، يعيق التطبيق على نطاق واسع. في هذا العمل، استخدمنا الفحم الخشبي المتوفر على نطاق واسع كمصدر للكربون وكربيد السيليكون بحجم ميكرون كركام، واستخدمنا تقنية الصب المنزلق للتحضيرسيراميك كربيد السيليكون الملبد بالتفاعلالأجسام الخضراء. يلغي هذا النهج الحاجة إلى تصنيع مسحوق كربيد السيليكون مسبقًا، ويقلل من تكاليف الإنتاج، ويتيح تصنيع منتجات كبيرة ومعقدة الشكل ورقيقة الجدران، مما يوفر مرجعًا لتحسين الأداء وتطبيقسيراميك كربيد السيليكون الملبد بالتفاعل.

ما هي المواد الخام المستخدمة؟

المواد الخام المستخدمة في التجربة تشمل:

كربيد السيليكون بمتوسط ​​حجم جسيم (d50) يبلغ 3.6 ميكرومتر ونقاء (w(SiC)) ≥ 98%

أسود الكربون بحجم جسيم متوسط ​​(d50) يبلغ 0.5 ميكرومتر ونقاء (w©) ≥ 99%

جرافيت بحجم جسيم متوسط ​​(d50) يبلغ 10 ميكرومتر ونقاء (w©) ≥ 99%

المشتتات: بولي فينيل بيروليدون (PVP) K30 (قيمة K 27-33) وK90 (قيمة K 88-96)

مخفض الماء: بولي كربوكسيلات CE-64

وكيل الإصدار: AO

الماء منزوع الأيونات

كيف تم إجراء التجربة؟

تم إجراء التجربة على النحو التالي:

خلط المواد الخام طبقاً للجدول 1 باستخدام خلاط كهربائي لمدة 4 ساعات للحصول على ملاط ​​مختلط بشكل موحد.

للحفاظ على لزوجة الملاط ≥ 1000 مللي باسكال، تم صب الملاط المخلوط في قوالب جبسية مُجهزة للصب المنزلق، ويُسمح له بالتجفيف من خلال قوالب الجبس لمدة 2-3 دقائق لتكوين أجسام خضراء.

توضع الأجسام الخضراء في مكان بارد لمدة 48 ساعة، ثم يتم إخراجها من القوالب وتجفيفها في فرن تجفيف هوائي عند درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات.

تم إجراء عملية إزالة الصمغ من الأجسام الخضراء في فرن دثر عند 800 درجة مئوية لمدة ساعتين للحصول على التشكيل.

تم دمج القوالب في مسحوق مختلط من أسود الكربون ومسحوق السيليكون ونيتريد البورون بنسبة كتلة تبلغ 1:100:2000، وتم تلبيدها في فرن عند درجة حرارة 1720 درجة مئوية لمدة ساعتين للحصول على سيراميك كربيد السيليكون المسحوق بالكامل. .

ما هي الطرق المستخدمة لاختبار الأداء؟

اختبار الأداء يشمل:

قياس لزوجة الملاط في أوقات الخلط المختلفة (1-5 ساعات) باستخدام مقياس اللزوجة الدوار في درجة حرارة الغرفة.

قياس الكثافة الحجمية للتشكيلات وفقًا للمعيار الوطني GB/T 25995-2010.

قياس قوة الانحناء للعينات الملبدة عند 1720 درجة مئوية وفقًا للمواصفة GB/T 6569-2006، بأبعاد العينة 3 مم × 4 مم × 36 مم، وامتداد 30 مم، وسرعة التحميل 0.5 مم · دقيقة ^ -1 .

تحليل تكوين الطور والبنية المجهرية للعينات الملبدة عند 1720 درجة مئوية باستخدام XRD وSEM.

كيف يؤثر وقت الخلط على لزوجة الملاط، وكثافة حجم التشكيل، والمسامية الظاهرة؟

يوضح الشكلان 1 و2 على التوالي العلاقة بين وقت الخلط ولزوجة الملاط للعينة 2#، والعلاقة بين وقت الخلط وكثافة حجم التشكيل والمسامية الظاهرة.

يشير الشكل 1 إلى أنه مع زيادة وقت الخلط، تنخفض اللزوجة، حيث تصل إلى حد أدنى قدره 721 مللي باسكال · ثانية عند 4 ساعات ثم تستقر.

يوضح الشكل 2 أن العينة 2# لها كثافة حجمية قصوى تبلغ 1.47 جم·سم^-3 والحد الأدنى للمسامية الظاهرة 32.4%. تؤدي اللزوجة المنخفضة إلى تشتت أفضل، مما يؤدي إلى ملاط ​​أكثر تجانسًا وتحسينًاسيراميك كربيد السيليكونأداء. يؤدي وقت الخلط غير الكافي إلى خلط غير متساوٍ لمسحوق كربيد السيليكون الناعم، بينما يؤدي وقت الخلط المفرط إلى تبخر المزيد من الماء، مما يزعزع استقرار النظام. وقت الخلط الأمثل لتحضير سيراميك كربيد السيليكون المسحوق بشكل كامل هو 4 ساعات.

يسرد الجدول 2 لزوجة الملاط، وكثافة حجم التشكيل، والمسامية الظاهرة للعينة 2# مع الجرافيت المضاف والعينة 6# بدون الجرافيت المضاف. تؤدي إضافة الجرافيت إلى تقليل لزوجة الملاط، وزيادة كثافة حجم التشكيل، وتقليل المسامية الظاهرة بسبب تأثير التشحيم للجرافيت، مما يؤدي إلى تشتت أفضل وزيادة كثافة المسحوق الناعم بالكاملسيراميك كربيد السيليكون. بدون الجرافيت، يكون للملاط لزوجة أعلى، وتشتت أقل، واستقرار، مما يجعل إضافة الجرافيت ضرورية.

يعرض الشكل 3 كثافة حجم التشكيل والمسامية الواضحة للعينات ذات محتويات مختلفة من أسود الكربون. تحتوي العينة 2# على أعلى كثافة حجمية تبلغ 1.47 جم·سم^-3 وأقل مسامية ظاهرة تبلغ 32.4%. ومع ذلك، فإن المسامية المنخفضة جدًا تعيق تسلل السيليكون.

ويبين الشكل 4 أطياف XRD لعينة التشكيل 2# والعينات الملبدة عند 1720 درجة مئوية. تحتوي القوالب على الجرافيت وβ-SiC، بينما تحتوي العينات الملبدة على Si وβ-SiC وα-SiC، مما يشير إلى أن بعض β-SiC يتحول إلى α-SiC عند درجات حرارة عالية. تُظهر العينات الملبدة أيضًا زيادة في محتوى Si وانخفاض محتوى C بسبب تسلل السيليكون عالي الحرارة، حيث يتفاعل Si مع C لتكوين SiC، مما يملأ المسام.

ويبين الشكل 5 مورفولوجيا الكسر لنماذج العينة المختلفة. تكشف الصور عن كربيد السيليكون الناعم والجرافيت والمسام. تحتوي العينات 1# و4# و5# على مراحل تقشر أكبر ومسام موزعة بشكل غير متساو بسبب الخلط غير المتكافئ، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة التشكيل وارتفاع المسامية. تُظهر العينة رقم 2 التي تحتوي على 5.94% (وزن) من أسود الكربون بنية مجهرية مثالية.

ويبين الشكل 6 مورفولوجية الكسر للعينة 2# بعد التلبيد عند 1720 درجة مئوية، مع عرض جزيئات كربيد السيليكون الموزعة بإحكام وبشكل موحد مع الحد الأدنى من المسامية. نمو جزيئات كربيد السيليكون يرجع إلى تأثيرات درجات الحرارة العالية. تُرى أيضًا جزيئات SiC أصغر حجمًا تم تشكيلها حديثًا بين جزيئات هيكل SiC الأصلية من تلبيد التفاعل، مع بعض Si المتبقي الذي يملأ المسام الأصلية، مما يقلل من تركيز الإجهاد ولكن من المحتمل أن يؤثر على الأداء في درجات الحرارة العالية بسبب نقطة انصهاره المنخفضة. يتمتع المنتج الملبد بكثافة حجمية تبلغ 3.02 جم · سم ^ -3 وقوة انحناء تبلغ 580 ميجا باسكال، أي أكثر من ضعف قوة العاديكربيد السيليكون الملبد بالتفاعل.

الاستنتاجات

وقت الخلط الأمثل للملاط المستخدم لتحضير مسحوق ناعم بالكاملسيراميك كربيد السيليكونهو 4 ساعات. تؤدي إضافة الجرافيت إلى تقليل لزوجة الملاط، وزيادة كثافة حجم التشكيل، وتقليل المسامية الظاهرة، مما يعزز كثافة المسحوق الناعم تمامًاسيراميك كربيد السيليكون.

يبلغ المحتوى الأمثل لأسود الكربون لتحضير سيراميك كربيد السيليكون المسحوق الناعم بالكامل 5.94% (وزن).

يتم توزيع جزيئات كربيد السيليكون الملبدة بإحكام وبشكل موحد مع الحد الأدنى من المسامية، مما يدل على اتجاه النمو. تبلغ كثافة المنتج الملبد 3.02 جم · سم ^ -3، وقوة الانحناء 580 ميجا باسكال، مما يحسن بشكل كبير القوة الميكانيكية وكثافة المسحوق الناعم بالكاملسيراميك كربيد السيليكون.**

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