反応焼結
反応焼結炭化ケイ素セラミック製造プロセスには、セラミックの成形、焼結フラックス浸透剤の成形、反応焼結セラミック製品の製造、炭化ケイ素木材セラミックの製造などのステップが含まれます。
反応焼結シリコンカーバイドノズル
まず、80～90％のセラミック粉末（1つまたは2つの炭化ケイ素粉末セラミック成形体は、炭素源粉末（カーボンブラックおよびフェノール樹脂のうちの１つまたは２つを含む）３〜１５％と成形剤（フェノール樹脂、ポリエチレングリコール、ヒドロキシメチルセルロースまたはパラフィン）５〜１５％をボールミルで均一に混合して混合粉末を得た後、噴霧乾燥して造粒し、金型でプレスして各種特定形状のセラミック成形体を得るものである。
次に、シリコン粉末60〜80％、炭化ケイ素粉末3〜10％、窒化ホウ素粉末37〜10％を均一に混合し、金型でプレスして焼結フラックス浸透剤成形体を得る。
次に、セラミック成形体と焼結した含浸材成形体を重ね合わせ、真空度5×10-1Pa以上の真空炉内で1450～1750℃に昇温し、1～3時間焼成保温することで反応焼結セラミック製品を得る。焼結セラミック表面の含浸材残留物をタッピングにより除去することで、緻密なセラミックシートが得られ、成形体の原形が維持される。
最後に、反応焼結法を採用する。すなわち、高温で反応活性を有する液体シリコンまたはシリコン合金が毛細管力の作用により炭素を含む多孔質セラミックス素材に浸透し、その中の炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、炭化ケイ素の体積が膨張し、残りの細孔が元素シリコンで満たされる。多孔質セラミックス素材は、純粋な炭素または炭化ケイ素/炭素系複合材料とすることができる。前者は、有機樹脂、気孔形成剤および溶媒を触媒硬化および熱分解することによって得られる。後者は、炭化ケイ素粒子/樹脂系複合材料を熱分解して炭化ケイ素/炭素系複合材料を得るか、またはα-SiCおよび炭素粉末を出発原料として、プレス成形または射出成形法を使用して複合材料を得ることによって得られる。
常圧焼結
炭化ケイ素の無加圧焼結プロセスは、固相焼結と液相焼結に分けられる。近年、炭化ケイ素セラミックス国内外では、主に液相焼結法が注目されています。セラミックの製造プロセスは、混合材料のボールミル粉砕→噴霧造粒→乾式プレス→成形体固化→真空焼結です。
加圧焼結炭化ケイ素製品
ボールミルに炭化ケイ素超微粉末（50-500nm）96-99部、炭化ホウ素超微粉末（50-500nm）1-2部、ナノチタンホウ化物（30-80nm）0.2-1部、水溶性フェノール樹脂10-20部、高効率分散剤0.1-0.5部を加えて24時間ボールミル混合し、混合したスラリーを混合バレルに入れて2時間撹拌し、スラリー中の気泡を取り除きます。
上記の混合物を造粒塔に噴霧し、噴霧圧力、空気入口温度、空気出口温度、噴霧シート粒子径を制御することで、粒子形態が良好で流動性が良く、粒子分布範囲が狭く、水分が適度な造粒粉末を得る。遠心分離周波数は26～32、空気入口温度は250～280℃、空気出口温度は100～120℃、スラリー入口圧力は40～60℃とする。
上記の造粒粉末を超硬合金製の金型に充填し、加圧成形して成形体を得る。加圧方法は双方向加圧とし、工作機械の加圧トン数は150～200トンとする。
圧縮されたグリーン体は、乾燥炉内に配置され、乾燥および硬化されて、良好なグリーン体強度を有するグリーン体が得られる。
上記の硬化したグリーン体は、グラファイトるつぼ緻密かつ整然と並べ、成形体を入れたグラファイトるつぼを高温真空焼結炉にセットし、焼成する。焼成温度は2200～2250℃、保温時間は1～2時間である。これにより、高性能な無加圧焼結炭化ケイ素セラミックスが得られる。
固相焼結
炭化ケイ素の常圧焼結プロセスは、固相焼結と液相焼結に分けられます。液相焼結では、Y2O3二元系および三元系添加剤などの焼結助剤を添加することで、SiCおよびその複合材料に液相焼結性を付与し、より低温での緻密化を実現します。固相焼結炭化ケイ素セラミックスの製造方法は、原料の混合、噴霧造粒、成形、真空焼結から成ります。具体的な製造プロセスは以下のとおりです。
サブミクロンαシリコンカーバイド（200～500nm）70～90%、炭化ホウ素0.1～5%、樹脂4～20%、有機バインダー5～20%をミキサーに入れ、純水を加えて湿式混合する。6～48時間後、混合スラリーを60～120メッシュの篩にかける。
篩別されたスラリーは、噴霧造粒塔を通して噴霧造粒されます。噴霧造粒塔の入口温度は180～260℃、出口温度は60～120℃です。造粒物の嵩密度は0.85～0.92g/cm3、流動性は8～11s/30gです。造粒物は60～120メッシュの篩で篩い分けされ、後工程で使用されます。
所望の製品形状に応じて金型を選択し、造粒物を金型キャビティ内に充填し、50〜200MPaの圧力で常温圧縮成形してグリーン体を得る。または、圧縮成形後のグリーン体を等圧プレス装置に入れ、200〜300MPaの圧力で等圧プレスし、二次プレス後にグリーン体を得る。
上記の手順で作製したグリーン体を真空焼結炉に入れて焼結し、合格したものが完成したシリコンカーバイド防弾セラミックです。上記の焼結工程では、まず焼結炉内を真空にし、真空度が3～5×10-2 Paに達したら、不活性ガスを焼結炉内に導入して常圧まで加熱します。加熱温度と時間の関係は、室温から800℃までは5～8時間、0.5～1時間保温、800℃から2000～2300℃までは6～9時間、1～2時間保温、その後、炉ごと冷却して室温まで下げます。
常圧焼結炭化ケイ素の微細構造と粒界
つまり、ホットプレス焼結法で製造されたセラミックは性能が優れているものの、製造コストも大幅に増加します。一方、無加圧焼結法で製造されたセラミックは、原料の必要量が多く、焼結温度が高く、製品サイズの変化が大きく、工程が複雑で、性能が低いという欠点があります。一方、反応焼結法で製造されたセラミック製品は、密度が高く、耐弾道性能に優れ、製造コストが比較的低いという利点があります。炭化ケイ素セラミックの各種焼結製造プロセスにはそれぞれ長所と短所があり、適用シーンも異なります。製品に応じて適切な製造方法を選択し、低コストと高性能のバランスを取ることが最善策です。
投稿日時: 2024年10月29日