Seramik silikon karbida (SiC) menduduki tempat penting di kalangan seramik struktur suhu tinggi kerana pekali pengembangan haba yang rendah, kekonduksian haba yang tinggi, kekerasan tinggi, kestabilan haba yang baik dan kestabilan kimia yang sangat baik. Ia digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, tenaga nuklear, ketenteraan, dan aplikasi semikonduktor.
Oleh kerana SiC mempunyai ikatan kovalen yang sangat kuat dan pekali resapan yang sangat rendah, mencapai ketumpatan penuh seramik SiC adalah amat sukar. Untuk menangani perkara ini, beberapa teknik pensinteran telah dibangunkan, termasuk pensinteran tindak balas, pensinteran keadaan pepejal tanpa tekanan, pensinteran fasa cecair tanpa tekanan, penekanan panas, dan pensinteran penghabluran semula.
01 Pensinteran Reaksi
Proses penyediaan untuk seramik silikon karbida (RBSC) terikat tindak balas adalah seperti berikut: pertama, serbuk SiC, serbuk karbon, dan pengikat organik dicampur secara seragam dalam nisbah tertentu dan dibentuk menjadi badan hijau; kemudian, silikon menyusup pada suhu tinggi. Silikon bertindak balas dengan karbon untuk membentuk SiC sekunder, yang mengikat zarah SiC asal bersama-sama. Akhirnya, silikon bebas sisa mengisi liang-liang, mencapai ketumpatan tinggi seramik RBSC.
Semasa pensinteran tindak balas, untuk memastikan penyusupan silikon lengkap, badan hijau ( ‑SiC + C) mesti mempunyai keliangan yang mencukupi; jika tidak, hanya kawasan permukaan akan tersilikasi, manakala karbon tidak bertindak balas dan sebilangan kecil liang kekal di tengah. Oleh itu, ketumpatan hijau mesti dikawal dengan ketat. Ketumpatan hijau yang sesuai boleh diperolehi dengan melaraskan kandungan ‑SiC dan karbon dalam campuran awal, taburan saiz zarah ‑SiC, bentuk dan saiz karbon, dan tekanan pembentukan.
Pensinteran tindak balas ialah proses bentuk hampir bersih dengan hampir tiada pengecutan atau perubahan dimensi semasa pensinteran. Ia menawarkan kelebihan seperti suhu pensinteran yang rendah, ketumpatan produk yang tinggi dan kos pengeluaran yang rendah, menjadikannya sesuai untuk mengeluarkan produk seramik SiC bersaiz besar dan berbentuk kompleks. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, dengan peningkatan dalam saiz wafer dan suhu rawatan haba, SiC terikat tindak balas telah beransur-ansur menggantikan kaca kuarza. Komponen SiC ketulenan tinggi yang mengandungi beberapa fasa silikon sisa boleh dihasilkan menggunakan serbuk SiC ketulenan tinggi dan silikon ketulenan tinggi, dan ini digunakan secara meluas sebagai lekapan sokongan untuk tiub elektron dan peralatan pembuatan wafer semikonduktor.
Proses Pensinteran Tanpa Tekanan
Pensinteran tanpa tekanan terbahagi terutamanya kepada pensinteran keadaan pepejal dan pensinteran fasa cecair.
Pensinteran Keadaan Pepejal
Pada tahun 1974, S. Prochazka mula-mula menggunakan proses pensinteran tanpa tekanan dengan menambahkan sedikit boron dan karbon kepada serbuk halus ‑SiC ketulenan tinggi, berjaya mendapatkan jasad tersinter SiC dengan ketumpatan relatif lebih daripada 98% pada 2020 darjah . Seramik SiC tersinter keadaan pepejal memerlukan suhu tinggi, tetapi sifat fizikokimianya adalah stabil, terutamanya tanpa perubahan dalam kekuatan suhu tinggi, memberikan nilai aplikasi yang istimewa.
Dalam sistem pensinteran keadaan pepejal, pelbagai bahan tambah pensinteran diperkenalkan. Sistem yang paling biasa ialah sistem B‑C, di mana serbuk B dan C atau secara langsung serbuk B₄C ditambah sebagai alat pensinteran. Sistem ini biasanya berketumpatan pada 1900–2100 darjah dan menghasilkan seramik SiC dengan sifat yang baik. Sistem Al‑C juga kerap digunakan; Logam Al adalah aditif kedua paling berkesan selepas boron. Selain itu, sistem AlN‑C digunakan untuk pensinteran SiC. Berbanding dengan B, penambahan AlN berkesan menyekat pertumbuhan bijian SiC.
Pensinteran keadaan pepejal seramik SiC bergantung terutamanya pada mekanisme resapan keadaan pepejal untuk pemekatan. Penambahan bahan bantu keadaan pepejal menggalakkan pertumbuhan butiran SiC sambil mengelakkan pembentukan fasa cecair. Walau bagaimanapun, sistem ini mempunyai had tertentu: pertama, suhu pensinteran mesti dikekalkan dalam julat tinggi 1900–2100 darjah, yang bukan sahaja menggunakan tenaga yang ketara tetapi juga mengenakan keperluan yang teruk pada peralatan; kedua, suhu tinggi boleh menyebabkan pertumbuhan bijirin yang tidak normal, merosakkan sifat bahan; ketiga, ketumpatan penuh selalunya memerlukan masa pegangan yang berpanjangan; tambahan pula, proses ini mempunyai permintaan yang ketat terhadap saiz zarah, ketulenan, dan keseragaman serbuk permulaan.
Pensinteran Fasa Cecair
Pensinteran fasa cecair melibatkan penambahan sejumlah oksida eutektik rendah berbilang komponen kepada bahan mentah, yang membentuk fasa cecair pada suhu tinggi. Ini mengubah mekanisme pemindahan jisim daripada resapan kepada aliran likat, merendahkan tenaga yang diperlukan untuk ketumpatan dan suhu pensinteran. Pada masa yang sama, pengenalan fasa cecair sempadan butiran meningkatkan kekuatan dan keliatan bahan dengan ketara.
Dalam pensinteran fasa cecair Al₂O‑SiC, Al₂O₃ bertindak balas dengan SiO₂ pada permukaan zarah SiC pada suhu tinggi untuk membentuk fasa cecair, yang bertindak sebagai fasa sempadan butiran dan menyediakan laluan resapan, melincirkan penyusunan semula zarah SiC dan menggalakkan penyusunan semula zarah. Pensinteran fasa cecair SiC dikawal oleh mekanisme pelarutan semula, dan tingkah laku pensinterannya dipengaruhi dengan ketara oleh ciri bahan mentah, termasuk saiz zarah permulaan, pengedaran saiz, kandungan kekotoran dan komposisi fasa kristal. Sementara itu, suhu pensinteran sedikit sebanyak dipengaruhi oleh jumlah alat bantu pensinteran; jumlah bantuan fasa cecair yang sesuai boleh menurunkan suhu pensinteran dengan ketara, tetapi boleh menjejaskan sifat pada tahap tertentu.
Sistem pensinteran fasa cecair yang paling biasa untuk SiC ialah sistem Al₂O₃‑Y₂O₃, yang seterusnya memperkenalkan Y₂O₃ berdasarkan Al₂O₃ sebagai bahan tambahan, membentuk sistem Al₂O₃‑Y₂O₃. Sistem ini berkesan mengurangkan suhu pensinteran SiC dan menambah baik struktur mikro dan sifat bahan.
03 Penekanan Panas
Penekanan panas melibatkan pengisian serbuk SiC kering ke dalam dadu grafit berkekuatan tinggi dan mengenakan tekanan paksi semasa memanaskan, mengawal proses dengan parameter tekanan-suhu-masa yang sesuai untuk mencapai pensinteran dan pembentukan SiC. Bahan tambah untuk SiC ditekan panas termasuk Al, Fe, B, B₄C, Al₂O₃, AlN, BeO, B+C, dsb. Mekanisme penumpuan bagi bahan tambahan ini boleh dibahagikan secara kasar kepada dua kategori: satu membentuk fasa cecair dengan kekotoran dalam SiC untuk menggalakkan pensinteran, dan yang lain membentuk larutan pepejal dan pelarut SiC. pensinteran.
Oleh kerana pemanasan dan penekanan berlaku serentak dalam penekanan panas, serbuk berada dalam keadaan termoplastik, yang memudahkan penyebaran sentuhan dan pemindahan jisim aliran likat. Ini membolehkan produk seramik SiC dengan butiran halus, ketumpatan relatif tinggi, dan sifat mekanikal yang baik diperoleh pada suhu pensinteran yang lebih rendah dan masa yang lebih singkat. Kelemahan proses ini ialah peralatan dan prosedurnya yang kompleks, memerlukan bahan cetakan, keupayaan terhad untuk menghasilkan bentuk mudah sahaja, produktiviti rendah dan kos pengeluaran yang tinggi. Walau bagaimanapun, dalam pembuatan semikonduktor, di mana keperluan prestasi untuk bahan seramik yang digunakan dalam instrumen dan komponen ketepatan adalah sangat tinggi, kawalan komposisi, ketulenan dan ketumpatan adalah jauh lebih penting daripada kos ekonomi. Selain itu, nilai tambah yang tinggi bagi produk menjadikan hot pressing amat penting.
04 Pensinteran Penghabluran Semula
Pensinteran penghabluran semula telah menarik perhatian meluas kerana ia tidak memerlukan alat pensinteran. Ia adalah kaedah yang paling biasa untuk menghasilkan komponen seramik SiC bersaiz besar ketulenan ultra-tinggi. Proses penyediaan untuk seramik SiC terhablur semula adalah seperti berikut: serbuk SiC kasar dan halus dengan saiz zarah yang berbeza dicampurkan dalam nisbah tertentu, dan badan hijau terbentuk melalui tuangan gelincir, menekan mati, penyemperitan, atau kaedah lain; kemudian, jasad hijau disinter pada 2200–2450 darjah di bawah suasana lengai. Akhirnya, zarah halus secara beransur-ansur menyejat ke dalam fasa wap dan terpeluwap pada titik sentuhan zarah kasar, membentuk seramik terhablur semula.
Pensinteran penghabluran semula menawarkan kelebihan tambahan: semasa pensinteran, badan hijau hampir tidak menunjukkan pengecutan, menjadikannya kurang terdedah kepada keretakan atau herotan, komponen seramik yang berbentuk kompleks dan berketepatan tinggi boleh dihasilkan; apabila menyediakan seramik terhablur semula berliang, keliangan dan pengagihan saiz liang boleh dikawal dengan mudah dalam julat yang sempit; seramik terhablur semula mempunyai struktur berliang saling berkait tiga dimensi, kebanyakannya liang terbuka, yang menjadikannya sesuai untuk penyusupan dengan fasa kedua untuk menghasilkan komposit.