תהליך הכנת קרמיקה מסיליקון קרביד באמצעות סינטור ריאקטיבי וסינטור ללא לחץ

סינטור ריאקטיבי

התגובה של סינטורסיליקון קרביד קרמיתהליך הייצור כולל דחיסת קרמיקה, דחיסת חומר חדירת שטף סינטור, הכנת מוצר קרמי בסינטור תגובה, הכנת קרמיקה מעץ סיליקון קרביד ושלבים נוספים.

זרבובית סיליקון קרביד לסינטור תגובה

ראשית, 80-90% של אבקה קרמית (המורכבת מאבקה אחת או שתיים שלאבקת סיליקון קרבידואבקת בורון קרביד), 3-15% של אבקת מקור פחמן (המורכבת מאחד או שניים של פחמן שחור ושרף פנולי) ו-5-15% של חומר יציקה (שרף פנולי, פוליאתילן גליקול, הידרוקסימתיל תאית או פרפין) מעורבבים באופן שווה באמצעות טחנת כדורים לקבלת אבקה מעורבת, אשר מיובשת בהתזה ומגורענת, ולאחר מכן נלחצת בתבנית לקבלת קומפקט קרמי בעל צורות ספציפיות שונות.
שנית, מעורבבים באופן שווה אבקת סיליקון 60-80%, אבקת סיליקון קרביד 3-10% ואבקת בורון ניטריד 37-10%, ולוחצים בתבנית לקבלת חומר דחיסה לחדירת שטף סינטור.
לאחר מכן, החומר הקרמי הקומפקטי והחדיר המסונטר נערמים יחד, והטמפרטורה עולה ל-1450-1750 מעלות צלזיוס בתנור ואקום עם דרגת ואקום של לא פחות מ-5×10-1 פאסל לצורך סינטור ושימור חום למשך 1-3 שעות כדי לקבל מוצר קרמי מסונטר בתגובה. שאריות החדיר על פני הקרמיקה המסונטרת מוסרות על ידי הקשה כדי לקבל יריעת קרמיקה צפופה, והצורה המקורית של החומר הקומפקטי נשמרת.
לבסוף, מאומץ תהליך סינטור ריאקטיבי, כלומר, סיליקון נוזלי או סגסוגת סיליקון עם פעילות תגובה בטמפרטורה גבוהה חודר לתוך ריק הקרמיקה הנקבובי המכיל פחמן תחת פעולת כוח נימי, ומגיב עם הפחמן שבו ליצירת סיליקון קרביד, אשר יתרחב בנפחו, והנקבוביות הנותרות מתמלאות בסיליקון אלמנטרי. ריק הקרמיקה הנקבובי יכול להיות פחמן טהור או חומר מרוכב מבוסס סיליקון קרביד/פחמן. הראשון מתקבל על ידי ריפוי קטליטי ופירוליזה של שרף אורגני, יוצר נקבוביות וממס. האחרון מתקבל על ידי פירוליזה של חלקיקי סיליקון קרביד/חומרים מרוכבים מבוססי שרף לקבלת חומרים מרוכבים מבוססי סיליקון קרביד/פחמן, או על ידי שימוש ב-α-SiC ואבקת פחמן כחומרי מוצא ושימוש בתהליך כבישה או הזרקה לקבלת החומר המרוכב.

סינטור ללא לחץ

תהליך הסינטור ללא לחץ של סיליקון קרביד ניתן לחלק לסינטור בפאזה מוצקה וסינטור בפאזה נוזלית. בשנים האחרונות, המחקר עלקרמיקה מסיליקון קרבידבארץ ובחו"ל התמקדה בעיקר בסינטור בפאזה נוזלית. תהליך הכנת הקרמיקה הוא: טחינת כדורים של חומר מעורב -> גרגירים בהתזה -> כבישה יבשה -> התמצקות גוף ירוק -> סינטור בוואקום.

מוצרי סיליקון קרביד מסונטרים ללא לחץ

הוסיפו לטחנת הכדורים 96-99 חלקים של אבקת סיליקון קרביד דקה במיוחד (50-500 ננומטר), 1-2 חלקים של אבקת בורון קרביד דקה במיוחד (50-500 ננומטר), 0.2-1 חלקים של ננו-טיטניום בורד (30-80 ננומטר), 10-20 חלקים של שרף פנולי מסיס במים, ו-0.1-0.5 חלקים של חומר פיזור יעיל במיוחד לטחנת הכדורים לצורך טחינת כדורים וערבוב במשך 24 שעות, והכניסו את התרחיף המעורבב לחבית ערבוב למשך שעתיים כדי להסיר בועות בתרחיף.
התערובת הנ"ל מרוססת לתוך מגדל הגרנולציה, ואבקת הגרנולציה בעלת מורפולוגיה טובה של חלקיקים, נזילות טובה, טווח פיזור חלקיקים צר ולחות בינונית מתקבלת על ידי שליטה בלחץ הריסוס, טמפרטורת כניסת האוויר, טמפרטורת יציאת האוויר וגודל החלקיקים של משטח הריסוס. המרת התדר הצנטריפוגלי היא 26-32, טמפרטורת כניסת האוויר היא 250-280 ℃, טמפרטורת יציאת האוויר היא 100-120 ℃, ולחץ כניסת התרחיף הוא 40-60.
אבקת הגרנולציה הנ"ל מונחת בתבנית קרביד צמנטית לצורך דחיסה לקבלת גוף ירוק. שיטת הדחיסה היא לחץ דו-כיווני, וטונות הלחץ של כלי המכונה הן 150-200 טון.
הגוף הירוק הדחוס מוכנס לתנור ייבוש לייבוש ואשפרה כדי לקבל גוף ירוק בעל חוזק גוף ירוק טוב.
הגוף הירוק המרוכך הנ"ל ממוקם ב-כור היתוך גרפיטומסודרים בקפידה ובצורה מסודרת, ולאחר מכן כור ההיתוך של הגרפיט עם הגוף הירוק מוכנס לתנור סינטור ואקום בטמפרטורה גבוהה לצורך שריפה. טמפרטורת השריפה היא 2200-2250 ℃, וזמן הבידוד הוא 1-2 שעות. לבסוף, מתקבלת קרמיקה סיליקון קרביד סינטורית ללא לחץ בעלת ביצועים גבוהים.

סינטור בפאזה מוצקה

תהליך הסינטור ללא לחץ של סיליקון קרביד ניתן לחלק לסינטור בפאזה מוצקה וסינטור בפאזה נוזלית. סינטור בפאזה נוזלית דורש הוספת תוספי סינטור, כגון תוספים בינאריים וטרנריים של Y2O3, כדי לגרום ל-SiC ולחומרים המרוכבים שלו להציג סינטור בפאזה נוזלית ולהשיג צפיפות בטמפרטורה נמוכה יותר. שיטת ההכנה של קרמיקה מסיליקון קרביד מסונטרת בפאזה מוצקה כוללת ערבוב חומרי גלם, גרנולציה בהתזה, יציקה וסינטור בוואקום. תהליך הייצור הספציפי הוא כדלקמן:
70-90% של סיליקון קרביד α תת-מיקרון (200-500 ננומטר), 0.1-5% של בורון קרביד, 4-20% של שרף, ו-5-20% של חומר מקשר אורגני מוכנסים למיקסר ומוסיפים אליו מים טהורים לערבוב רטוב. לאחר 6-48 שעות, התרחיף המעורבב מועבר דרך מסננת בקוטר 60-120 רשת;
התרחיף המסונן עובר גרגירים בהתזה באמצעות מגדל גרגירים בהתזה. טמפרטורת הכניסה של מגדל גרגירים בהתזה היא 180-260 מעלות צלזיוס, וטמפרטורת היציאה היא 60-120 מעלות צלזיוס; צפיפות הנפח של החומר המגורען היא 0.85-0.92 גרם/סמ"ק, הנוזליות היא 8-11 שניות/30 גרם; החומר המגורען עובר סינון דרך מסננת 60-120 רשת לשימוש מאוחר יותר;
בחרו תבנית בהתאם לצורת המוצר הרצויה, דחסו את החומר המגורען לתוך חלל התבנית, ובצעו יציקה בטמפרטורת החדר בלחץ של 50-200MPa לקבלת גוף ירוק; או הניחו את הגוף הירוק לאחר יציקה בדחיסה לתוך מכשיר כבישה איזוסטטית, בצעו כבישה איזוסטטית בלחץ של 200-300MPa, וקבלו גוף ירוק לאחר כבישה משנית;
יש להכניס את הגוף הירוק שהוכן בשלבים הנ"ל לתנור סינטור ואקום לצורך סינטור, והגוף המתאים הוא קרמיקה חסינת כדורים מסיליקון קרביד גמור; בתהליך הסינטור הנ"ל, יש לפנות תחילה את תנור הסינטור, וכאשר דרגת הוואקום מגיעה ל-3-5 × 10-2 לאחר Pa, הגז האינרטי מועבר לתנור הסינטור ללחץ רגיל ולאחר מכן מחומם. הקשר בין טמפרטורת החימום לזמן הוא: מטמפרטורת החדר עד 800 ℃, 5-8 שעות, שימור חום למשך 0.5-1 שעה, מ-800 ℃ ל-2000-2300 ℃, 6-9 שעות, שימור חום למשך 1 עד 2 שעות, ולאחר מכן לקרר בתנור ולהוריד לטמפרטורת החדר.

מיקרו-מבנה וגבול גרגירים של סיליקון קרביד מסונטר בלחץ רגיל

בקיצור, לקרמיקה המיוצרת בתהליך סינטור חם יש ביצועים טובים יותר, אך גם עלות הייצור שלה עולה משמעותית; לקרמיקה המיוצרת בתהליך סינטור ללא לחץ יש דרישות גבוהות יותר לחומרי גלם, טמפרטורת סינטור גבוהה, שינויים גדולים בגודל המוצר, תהליך מורכב וביצועים נמוכים; למוצרי קרמיקה המיוצרים בתהליך סינטור ריאקטיבי יש צפיפות גבוהה, ביצועים אנטי-בליסטיים טובים ועלות הכנה נמוכה יחסית. לתהליכי הכנת סינטור שונים של קרמיקה מסיליקון קרביד יש יתרונות וחסרונות משלהם, וגם תרחישי היישום יהיו שונים. המדיניות הטובה ביותר היא לבחור את שיטת ההכנה הנכונה בהתאם למוצר ולמצוא איזון בין עלות נמוכה לביצועים גבוהים.