Membrana ricristallizzata

Il carburo di silicio sinterizzato e il carburo di silicio ricristallizzato, come rappresentanti di materiali ceramici ad alte prestazioni, sono ampiamente utilizzati in molti campi industriali. Tuttavia, i due hanno i loro vantaggi nel processo di preparazione, microstruttura e caratteristiche delle prestazioni. Il carburo di silicio sinterizzato è realizzato mediante sinterizzazione in polvere ad alta temperatura e alta pressione. Ha una consistenza densa e dura ed esiste sotto forma di cristalli di fase. Ha una durezza estremamente elevata ed è una scelta ideale per freni, cuscinetti e altri componenti nei campi automobilistici e aerospaziali. Il carburo di silicio ricristallizzato, d'altra parte, utilizza la tecnologia di crescita dei semi. Inizialmente è in fase e può essere convertito in fase ad alte prestazioni dopo il trattamento. Ha un'eccellente resistenza, durezza e resistenza all'usura ad alta temperatura. È ampiamente utilizzato in foche, binari di guida, ecc. Nei campi di petrolchimici, produzione di macchinari, ecc. In sintesi, la differenza tra carburo di silicio sinterizzato e carburo di silicio ricristallizzato si riflette principalmente nel metodo di preparazione e nella risultante microstruttura e caratteristiche delle prestazioni. Quando si sceglie, è necessario peserlo in base alle esigenze dello scenario di applicazione specifico.

 

 

 

As an important structural ceramic material, silicon carbide is not only used in traditional industrial fields such as high-temperature kiln tools, combustion nozzles, heat exchangers, sealing rings, and sliding bearings, but also as bulletproof armor materials, space reflectors, fixture materials in semiconductor wafer preparation, and nuclear fuel cladding materials due to its excellent high-temperature mechanical strength, high hardness, high elastic Modulo, alta resistenza all'usura, alta conducibilità termica e resistenza alla corrosione.

 

Il processo di sinterizzazione della ceramica in carburo di silicio è molto importante. Dopo la ricerca ed esplorazione di molti ricercatori, sono state sviluppate varie tecnologie di sinterizzazione, tra cui sinterizzazione delle reazioni, sinterizzazione della pressione atmosferica, sinterizzazione di ricristallizzazione, sinterizzazione a caldo, sinterizzazione pressante isostatica e nuova tecnologia di sinterizzazione.

 

Sintering a caldo

Alliegro e altri della Norton Company negli Stati Uniti hanno inventato un metodo di sinterizzazione a caldo per preparare la ceramica in carburo di silicio. La polvere di carburo di silicio viene riempita nello stampo e una certa pressione viene mantenuta durante il processo di riscaldamento e infine si ottiene un metodo di sinterizzazione in cui lo stampaggio e la sinterizzazione vengono completati contemporaneamente. Le caratteristiche della sinterizzazione a caldo sono che il riscaldamento e la pressurizzazione vengono eseguiti contemporaneamente e lo stampaggio di sinterizzazione del carburo di silicio si ottiene sotto il controllo delle condizioni di processo a tempo di temperatura di pressione appropriate. Gli svantaggi della sinterizzazione a caldo sono che i macchinari e le attrezzature sono complessi, i requisiti del materiale dello stampo sono elevati, i requisiti del processo di produzione sono severi, sono adatti solo per preparare parti con forme semplici e il consumo di energia è grande, l'efficienza di produzione è bassa e il costo di produzione è elevato.

 

 

Sintering di reazione

La sinterizzazione di reazione di carburo di silicio fu proposta per la prima volta da P. popper negli anni '50. Il processo è quello di mescolare la sorgente di carbonio e la polvere di carburo di silicio, preparare il vuoto mediante modanatura a iniezione di slip, pressatura a secco o stampaggio di pressione isostatica fredda, quindi eseguire una reazione di siliconizzazione, cioè riscaldare il vuoto a oltre 1500 gradi sotto il vuoto o l'atmosfera inerte. Il vapore di silicio liquido o silicio reagisce chimicamente con C nel corpo verde e il SIC generato in situ si combina con le particelle SiC originali nel corpo verde per formare materiali ceramici in carburo di silicio stimato di reazione. Il diagramma di flusso di processo è il seguente:

I vantaggi del carburo di silicio provenienti da reazione sono bassi temperature di sinterizzazione, bassi costi di produzione e densificazione elevata del materiale. In particolare, non vi è quasi alcuna restringimento del volume durante il processo di sinterizzazione della reazione, che è particolarmente adatto per la preparazione di parti strutturali di grandi dimensioni e di forma complessa. Materiali in forno ad alta temperatura, tubi di radiazione, scambiatori di calore, ugelli di desolforazione, ecc. Sono tutte applicazioni tipiche di ceramiche in carburo di silicio stimato a reazione.

 

Sintering di pressione atmosferica

Inventato da S. Prochazka e altri di GE negli Stati Uniti nel 1974. La sinterizzazione della pressione atmosferica del carburo di silicio è quella di densificare campioni di diverse forme e dimensioni a 2000-2150 grado senza applicare la pressione esterna, che di solito è sotto la pressione di 1,01 × 105pa e le condizioni della atmosfera inerta, aggiungendo aiuti idonei. La sinterizzazione senza pressioni del carburo di silicio può essere divisa in due processi: sinterizzazione in fase solida e sinterizzazione della fase liquida.

 

La sinterizzazione senza pressione in fase solida di carburo di silicio può ottenere un'alta densità di 3. 10-3. 15g/cm3 e non esiste una fase di vetro tra i cristalli. Ha eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura e la sua temperatura di uso può raggiungere i 1600 gradi. Tuttavia, va notato che quando la temperatura di sinterizzazione del carburo di silicio sinterizzato in fase solida è troppo alta, può causare i suoi grani troppo grandi e ridurre la resistenza alla flessione del materiale.

L'emergere di sinterizzazione senza pressioni in fase liquida di carburo di silicio ha ulteriormente ampliato la gamma di applicazioni di materiali ceramici in carburo di silicio. L'aspetto della fase liquida nella sinterizzazione della fase liquida è generalmente formata dalla fusione di un singolo componente e dall'eutettico di due o più componenti. La generazione di fase liquida fornisce un percorso di velocità di diffusione elevata per aumentare la velocità di sinterizzazione, quindi la sinterizzazione della fase liquida ha il vantaggio di una temperatura inferiore rispetto alla sinterizzazione a stato solido e la dimensione del grano è piccola. La fase liquida rimanente tra i cristalli cambia la modalità di frattura della ceramica in carburo di silicio dalla frattura transgranulare alla frattura intergranulare, migliorando così la resistenza alla flessione e la tenacità della frattura del materiale. La tecnologia di sinterizzazione senza pressioni di SIC è diventata matura. I suoi vantaggi sono i costi di produzione bassi e nessuna restrizione sulla forma e sulle dimensioni del prodotto. In particolare, le ceramiche SIC sinterizzate in fase solida hanno un'alta densità, una microstruttura uniforme e un'eccellente prestazione completa del materiale. Gli anelli di tenuta resistenti all'usura e resistenti alla corrosione e cuscinetti scorrevoli ampiamente utilizzati nell'industria sono principalmente carburo di silicio da pressione.

 

Sintering di ricristallizzazione

Negli anni '80, Kriegesmann ha preparato i corpi verdi mediante modanatura a iniezione di slip e preparato materiali ceramici in carburo di silicio ricristallizzato con eccellenti prestazioni a 2450 gradi, che presto furono prodotti in serie da FCT di Germania e Norton degli Stati Uniti. I materiali ceramici SIC ricristallizzati sono particelle di dimensioni di particelle diverse che sono classificate in un determinato rapporto e formate in spazi vuoti. Le particelle fini negli spazi vuoti possono essere distribuite uniformemente nei pori tra le particelle grossolane. Quindi, ad alta temperatura di oltre 2100 gradi e un certo flusso di atmosfera protettiva, le particelle sottili SIC evaporano gradualmente e condensano e precipitano nei punti di contatto delle particelle grossolane fino a quando le particelle fini scompaiono completamente. Come risultato di questo meccanismo di evaporazione della condensazione, si formano nuovi confini del grano sul collo delle particelle, causando migrare particelle fini, formando una struttura a ponte tra particelle di grandi dimensioni e un corpo sinterizzato con una certa porosità.

 

A causa del meccanismo di sinterizzazione unico e del processo di SIC ricristallizzato, ha le seguenti caratteristiche:

1) Poiché non esiste un limite di grano o diffusione del volume durante il processo di sinterizzazione e la condensazione e la diffusione della superficie di evaporazione non riducono la distanza tra le particelle SIC, non vi è quasi alcuna restringimento del volume durante il processo di sinterizzazione;

2) la densità del vuoto SiC ricristallizzato aumenta difficilmente dopo la sinterizzazione;

3) SIC ricristallizzato ha confini di grano molto chiari e puliti, senza fase di vetro e impurità;

4) Il prodotto SIC ricristallizzato dopo la sinterizzazione contiene porosità residua dal 10% al 20%.

 

Sintering di pressione isostatica calda

La pressione isostatica a caldo è un processo che utilizza gas ad alta pressione inerte (come l'argon) per promuovere la sinterizzazione della densificazione del materiale. Il vuoto in polvere in carburo di silicio è sigillato in un contenitore di vetro o metallo sotto vuoto. Durante il processo di pressione isostatica calda, quando il campione viene riscaldato alla temperatura di sinterizzazione, il compressore mantiene una pressione iniziale del gas di più MPa. Durante il processo di riscaldamento, la pressione del gas aumenta gradualmente fino a 200 MPa e la pressione isostatica del gas viene utilizzata per eliminare i pori interni del materiale per raggiungere la densificazione.

 

Spark Plasma Sintering

Spark Plasma Sintering Technology è una nuova tecnologia di metallurgia delle polveri per la preparazione di materiali sfusi. Utilizza scintille elettriche ad alta energia per completare il processo di sinterizzazione del campione a una temperatura più bassa e in un tempo più breve. Può essere utilizzato per preparare materiali in metallo, materiali in ceramica e materiali compositi. Durante il processo di sinterizzazione, lo scarico istantaneo tra particelle e plasma ad alta temperatura può rompere o rimuovere impurità (come film di ossido, ecc.) E gas adsorbiti sulla superficie delle particelle di polvere, attivare la superficie delle particelle di polvere e migliorare la qualità della sinterizzazione e l'efficienza. Utilizzando la tecnologia di sinterizzazione del plasma scintillante, i micropowders SIC con gli aiuti di sinterizzazione AL2O3 e Y2O3 vengono rapidamente sinterizzati per ottenere una densa ceramica in carburo di silicio.

 

Sintering a microonde

Rispetto ai tradizionali processi di sinterizzazione, la sinterizzazione a microonde utilizza la perdita dielettrica dei materiali nei campi elettromagnetici a microonde per riscaldare i materiali nel loro insieme alla temperatura di sinterizzazione per raggiungere la sinterizzazione e la densificazione. Rispetto ai metodi di sinterizzazione convenzionali, la sinterizzazione a microonde presenta molti vantaggi, come la bassa temperatura di sinterizzazione, la velocità di riscaldamento rapida, la buona densità del materiale, ecc. Allo stesso tempo, la sinterizzazione a microonde accelera il processo di trasferimento di massa dei materiali, in modo da ottenere materiali a grana fine.

 

Sintering flash

Flash Sintering (FS) ha i vantaggi del basso consumo di energia e della velocità di sinterizzazione ultra-veloce. Negli ultimi anni è stato anche applicato alla ricerca di sinterizzazione del carburo di silicio. La sinterizzazione flash si riferisce all'applicazione diretta della tensione al campione durante il riscaldamento in un forno di riscaldamento. Una volta raggiunta una certa temperatura di soglia, l'improvviso aumento non lineare della corrente genera rapidamente il calore di Joule e il campione può essere rapidamente densificato in pochi secondi.

 

Sintering di pressione oscillante

L'introduzione della pressione dinamica durante il processo di sinterizzazione è favorevole a rompere il fenomeno dell'autoblocco e dell'agglomerazione nelle particelle, riducendo il numero e le dimensioni di difetti come pori e agglomerati, ceramiche ad alta restrizione, ad alta resistenza. Sulla base di questo nuovo concetto di sinterizzazione, il team di ricerca di Xie Zhipeng presso l'Università di Tsinghua ha proposto l'idea di introdurre una pressione oscillante dinamica per sostituire la costante pressione statica esistente durante il processo di sinterizzazione delle polveri ceramiche e ha nominato questa nuova tecnologia di sinterizzazione che oscilla la sinterizzazione della pressione.

 

I vantaggi di questa tecnologia di sinterizzazione sono:

1) la densità di imballaggio della polvere prima della sinterizzazione può essere significativamente migliorata dal riarrangiamento delle particelle generato dalla pressione oscillante continua;

 

2) Fornisce una maggiore forza di sinterizzazione, che è più favorevole alla promozione della rotazione e dello scivolamento dei cereali e del flusso di plastica nel corpo sinterizzato per accelerare la densificazione del corpo verde, specialmente nella fase successiva della sinterizzazione, regolando la frequenza e la dimensione della pressione oscillante, i pori minuscole residue al limite di grano sono eliminate e quindi i polleri residui e sono completamente eliminati.

I tre metodi per preparare materiali ceramici in carburo di silicio, sinterizzazione delle reazioni, sinterizzazione della pressione atmosferica e sinterizzazione della ricristallizzazione, che sono più comunemente usati nella produzione industriale, hanno tutti i loro vantaggi unici e anche i campi di microstruttura, prestazioni e applicazioni del carburo di silicio preparato.

 

La sinterizzazione della reazione ha una bassa temperatura di sinterizzazione e un basso costo di produzione. Il tasso di restringimento dei prodotti preparati è estremamente piccolo e il grado di densificazione è elevato. È adatto alla preparazione di parti strutturali di grandi dimensioni e di forma complessa. Il carburo di silicio sinterizzato di reazione è utilizzato principalmente in strumenti di forni, lanciafiamme, scambiatori di calore, riflettori ottici, ecc.

 

I vantaggi della sinterizzazione della pressione atmosferica sono i costi di produzione bassi, nessuna restrizione sulla forma e le dimensioni del prodotto, l'alta densità dei prodotti preparati, la microstruttura uniforme e l'eccellente performance completa del materiale. Pertanto, è più adatto alla preparazione di parti strutturali di precisione, come guarnizioni, cuscinetti scorrevoli e armature a prova di proiettile in varie pompe meccaniche, riflettori ottici, apparecchi di wafer a semiconduttore, ecc.

 

Il carburo di silicio ricristallizzato ha una fase di cristallo puro, non contiene impurità, ha un'alta porosità, un'eccellente conducibilità termica e una resistenza agli shock termici ed è un materiale candidato ideale per strumenti per forni, scambiatori di calore o ugelli di combustione.

 

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