Reactiegebonden versus drukloos gesinterd SiC: twee verschillende routes naar dichte siliciumcarbideceramica

keramiek van siliciumcarbideworden algemeen gewaardeerd vanwege hun hardheid, thermische geleidbaarheid, lage thermische expansie en weerstand tegen agressieve omgevingen.

Maar SiC biedt ook een ongebruikelijke verwerkingsuitdaging.

De sterke covalente binding en de lage atomaire diffusiviteit maken de conventionele verdichting extreem moeilijk, waardoor fabrikanten gedwongen worden gespecialiseerde sintertechnologieën te gebruiken.

De belangrijkste industriële routes zijn:reactiebindingendrukloos sinteren.

Hoewel beide worden gebruikt voor de vervaardiging van hoogwaardige SiC-keramiek, bereiken ze verdichting door middel van zeer verschillende mechanismen.

Hoe wordt siliconcarbide geproduceerd?

Reactiegebonden siliciumcarbide, vaak afgekort als RB-SiC, begint meestal met een mengsel van SiC-poeder, koolstof en een organische bindmiddel.

Het poedermengsel wordt gevormd tot een groen lichaam voordat het onderhevig wordt aan siliciuminfiltratie bij verhoogde temperatuur.

Tijdens het proces komt gesmolten of dampfase silicium in het poreuze groene lichaam en reageert met koolstof:

Si + C → SiC

Deze reactie creëert secundair siliciumcarbide tussen de oorspronkelijke SiC-deeltjes.

Residuele vrij silicium neemt dan veel van de resterende porieerruimte in, waardoor een zeer dichte keramische structuur ontstaat.

Waarom groene porositeit van het lichaam van belang is

Een van de belangrijkste factoren bij reactiesinternen is de aanvankelijke porositeit van het groene lichaam.

Silicium moet voldoende in de structuur kunnen doordringen.

Als het groene lichaam te dicht is, kan de siliciuminfiltratie worden beperkt.

De reactie kan dan voornamelijk plaatsvinden in de buurt van het oppervlak, terwijl niet gereageerde koolstof en poriën in het midden van het onderdeel blijven.

Om deze reden moet de dichtheid van groene lichamen zorgvuldig worden ontworpen.

De fabrikanten kunnen het controleren door parameters aan te passen, waaronder:

• Verhouding SiC/koolstof
• SiC-deeltjesgrootteverdeling
• Grootte en morfologie van koolstofdeeltjes
• Bindmiddelformule
• Drukvorming

Een succesvolle reactiebinding begint dus lang voor de siliconeninfiltratiestadium.

Waarom reactiegebonden SiC geschikt is voor grote componenten

Een groot voordeel van reactiegebonden SiC is de uiterst lage krimp tijdens de verwerking.

Omdat dimensionale veranderingen relatief klein zijn, wordt de technologie vaak beschreven als een bijna netvormige productieroute.

Dit maakt RB-SiC aantrekkelijk voor grote, complexe of nauwkeurig gevormde keramische componenten.

Typische producten zijn warmtewisselaarcomponenten, ovenrollers, sproeiers en diverse structurele onderdelen.

De relatief lage verwerkingstemperatuur in vergelijking met sommige andere SiC-sinteringsroutes en het vermogen om ingewikkelde geometrieën te produceren, kunnen reactiebinding ook economisch aantrekkelijk maken.

Reactiegebonden SiC in halfgeleiderapparatuur

Naarmate de grootte van de halfgeleiderwafels en de procestemperaturen zijn toegenomen,SiC-keramiek krijgt steeds meer aandacht als alternatief voor conventionele materialen in hoge temperatuur en chemisch veeleisende apparatuuromgevingen.

De in de bijlage bij Verordening (EG) nr. 1272/2008 vermelde technische specificaties zijn van toepassing op de in de bijlage bij Verordening (EG) nr. 1272/2008 bedoelde installaties.dragers en structurele onderdelen van apparatuur voor de vervaardiging van halfgeleiders en elektronica.

Hun combinatie van thermische stabiliteit, stijfheid en dimensionale stabiliteit is bijzonder waardevol wanneer onderdelen worden blootgesteld aan herhaalde verwarmingscycli.

Bij de selectie van RB-SiC voor een specifieke procesomgeving moet echter altijd rekening worden gehouden met residuele silicium.

Zonder druk sinteren met een andere aanpak

In tegenstelling tot reactiebinding probeert drukloos sinteren SiC te verdichten zonder externe mechanische druk toe te passen tijdens het hoofdsinterproces.

Er worden twee belangrijke routes onderscheiden:

met een vermogen van niet meer dan 10 kWenmet een vermogen van niet meer dan 10 kW.

Hoewel beide drukloze processen zijn, verschillen hun verdichtingsmechanismen fundamenteel.

Sintering in vaste stoffen: hoge temperatuur en gecontroleerde additieven

Een van de mijlpalen in de SiC-verwerking kwam in 1974, toen S.Prochazka heeft aangetoond dat hoogzuiver β-SiC-poeder met kleine hoeveelheden boor en koolstof onder drukloos gesinterd kan worden bij ongeveer 2020°C tot een relatieve dichtheid van meer dan 98%.

Het B-C-additief systeem blijft een van de bekendste methoden voor het sinteren van SiC in vaste staat.

Boron en koolstof kunnen afzonderlijk worden ingevoerd, of verbindingen zoals B4C kunnen worden gebruikt.

De typische verdichtingstemperaturen zijn ongeveer 1900 ∼ 2100 °C.

Andere additieve systemen zijn Al-C en AlN-C.

Aluminium is een effectief toevoegingsmiddel voor het sinteren van SiC, terwijl toevoegingen van AlN kunnen helpen bij het onderdrukken van overmatige groei van SiC-korrels onder bepaalde verwerkingsomstandigheden.

Voordelen van SiC gesinterd in vaste staat

Vast gesinterd SiC kan uitstekende chemische en thermische stabiliteit bieden.

Een van de bijzonder waardevolle eigenschappen is het vermogen om bij hoge temperaturen een hoge mechanische prestatie te behouden.

Aangezien de verdichting plaatsvindt zonder dat een groot volume van de vloeibare fase granaatgrens wordt ingevoerd, kan het eindmateriaal uitstekende hoge temperatuur eigenschappen behouden.

Dit maakt gesinterd vaste SiC aantrekkelijk voor veeleisende structurele en thermische toepassingen.

Waarom het sinteren van vaste stoffen moeilijk is

Het grootste nadeel is de verwerkingsintensiteit.

Temperaturen van 1900~2100°C vereisen aanzienlijke energie en gespecialiseerde hoogtemperatuurapparatuur.

Slechte controle kan ook leiden tot abnormale korrelgroei, waardoor de mechanische prestaties kunnen afnemen.

Er kunnen lange houdtijden nodig zijn om bijna volle dichtheid te bereiken.

Bovendien is het proces zeer gevoelig voor de eigenschappen van poeder, waaronder:

deeltjesgrootte, deeltjesgrootteverdeling, zuiverheid en gemengde gelijkheid.

Liquid-phase sintering: het vergemakkelijken van massavervoer

Het sinteren in vloeibare fase biedt een alternatieve oplossing.

In plaats van volledig op vaste diffusie te vertrouwen, vormen geselecteerde additieven tijdens het verwarmen een vloeibare fase.

Deze vloeistof bevochtigt en smeert de SiC-deeltjes, bevordert de herrangschikking en creëert een efficiënte weg voor massavervoer.

In systemen die bijvoorbeeld Al2O3 bevatten, kan het oxide met SiO2 reageren dat van nature aanwezig is op het oppervlak van SiC-deeltjes.

De resulterende vloeibare graangrensfase helpt bij de verdichting.

Het proces wordt gewoonlijk beschreven door een oplos-reprecipitatie mechanisme.

Het Al2O3-Y2O3-systeem

Een van de veel bestudeerde additieve systemen voor het sinteren in vloeibare fase voor SiC is Al2O3-Y2O3.

Het invoeren van Y2O3 samen met Al2O3 kan gunstige vloeibare fasen bij verhoogde temperatuur creëren.

In vergelijking met de conventionele vaste stoffen sintering kan deze aanpak de voor de verdichting vereiste temperatuur verminderen en de microstructuur, sterkte en breuksterkte verbeteren.

De hoeveelheid en samenstelling van de additieve fase moeten echter zorgvuldig worden gecontroleerd.

Te veel graangrensfase kan negatieve gevolgen hebben voor eigenschappen die afhankelijk zijn van een hoge zuiverheid of een stabiele prestatie bij hoge temperaturen.

Kies tussen de twee wegen

Reactiebinding en drukloos sinteren mogen niet simpelweg worden beschouwd als concurrerende technologieën.

Ze lossen verschillende productieproblemen op.

Reactiegebonden SiC is vooral aantrekkelijk wanneer prioriteit wordt gegeven aan productie in bijna netvormige vorm, lage krimp, grote afmetingen en complexe geometrie.

Het drukloze gesinterde SiC is aantrekkelijk wanneer de intrinsieke prestaties van de SiC-keramiek zelf belangrijker zijn en restvrij silicium ongewenst is.

Binnen drukloos sinteren introduceren vaste- en vloeibarefasen een andere keuze:

Het sinteren in de vaste toestand geeft prioriteit aan hoge temperatuurstabiliteit, terwijl het sinteren in de vloeibare fase een gemakkelijker verdichting en een betere mechanische taaiheid kan bieden.

De juiste keuze hangt dus niet alleen af van de dichtheid, maar ook van de onderdelengeometrie, de werktemperatuur, de zuiverheidsvereisten en de omliggende procesomgeving.