Χημική εναπόθεση ατμών, πυροσυσσωμάτωση με αντίδραση και πυροσυσσωμάτωση καρβιδίου πυριτίου με πυροσυσσωμάτωση

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά σκληρό και ελαστικό κεραμικό υλικό με εξαιρετική αντοχή, ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και αντίσταση στην οξείδωση. Για την παραγωγή διατίθεται τόσο σε συμπυκνωμένη όσο και σε συνδεδεμένη με αντίδραση μορφή.

Το καρβίδιο του πυριτίου σε πυροσυσσωμάτωση (SSiC) παράγεται με συμπίεση και πυροσυσσωμάτωση σκόνης πυριτίου. Το SSiC διαθέτει χαμηλές θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης, δυνατότητες εύκολης μορφοποίησης και εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες που του προσδίδουν σαφή πλεονεκτήματα έναντι των ανταγωνιστικών υλικών.

Χημική εναπόθεση ατμών

Η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) χρησιμοποιεί ρέοντα αέρια για τη δημιουργία λεπτών υμενίων υψηλής ποιότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία στερεών υλικών και επικαλύψεων, τη χάραξη και τη δημιουργία μικροηλεκτρονικών διατάξεων.

Η CVD αναφέρεται σε μια οικογένεια διεργασιών, η οποία περιλαμβάνει την ταχεία θερμική CVD, τη χημική εναπόθεση ατμών με ενίσχυση πλάσματος και τη χημική εναπόθεση ατμών με χρήση λέιζερ. Κάθε μία από αυτές χρησιμοποιεί πρόδρομο αέριο για την εναπόθεση στερεών σε επιφάνειες υποστρώματος, ενώ οι διαφορετικές διεργασίες χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους για την έναρξη των αντιδράσεων και την έναρξη των αντιδράσεων στερεοποίησης.

Η ταχεία θερμική CVD χρησιμοποιεί λαμπτήρες θέρμανσης για την προθέρμανση του πρόδρομου αερίου πριν αυτό φτάσει στην επιφάνεια του πλακιδίου, συμβάλλοντας στη μείωση των ανεπιθύμητων αντιδράσεων αέριας φάσης και των αερίων αντιδράσεων.

Μια άλλη μέθοδος παραγωγής CVD-b-SiC περιλαμβάνει την εισαγωγή ενός διαφράγματος γραφίτη 102 πριν από το κιβώτιο ατράκτου. Αυτή η τεχνική προθερμαίνει τα αντιδραστήρια, αυξάνοντας την ταχύτητα σάρωσής τους στα τοιχώματα της ατράκτου και παράγοντας πυκνές, καλής ποιότητας αποθέσεις b-SiC που φαίνονται στα ΣΧΗΜΑΤΑ 3α και 3β. Μπορούν επίσης να τοποθετηθούν και άλλα διαφράγματα πριν και μετά το κιβώτιο ατράκτου για τη μεγιστοποίηση των αποτελεσμάτων εναπόθεσης και την παροχή πιο ομοιόμορφης και σύμμορφης επικάλυψης b-SiC σε υποστρώματα ακανόνιστου σχήματος. Το υλικό αυτό είναι ιδιαίτερα αγώγιμο, χημικά και οξειδωτικά σταθερό, σκληρό, ανθεκτικό στις γρατζουνιές και θεωρητικά πολύ πυκνό - χαρακτηριστικά που το καθιστούν κατάλληλο για πολλές εξειδικευμένες εφαρμογές υλικών, όπως βάρκες και έπιπλα για την επεξεργασία πλακιδίων ημιαγωγών, δομές οπτικών τηλεσκοπίων και ακραίους επενεργητές που χρησιμοποιούνται κατά τον καθαρισμό υγρών πάγκων.

Συσσωμάτωση χωρίς πίεση

Η πυροσυσσωμάτωση είναι η διαδικασία ένωσης ή αναδιάταξης σωματιδίων κεραμικής ή μεταλλικής σκόνης σε μια ολοκληρωμένη δομή, συνήθως με θερμή συμπίεση, πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης και πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση. Εδώ και αιώνες η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την κατασκευή όλων σχεδόν των μορφών κεραμικών και μεταλλικών αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων δομικών τμημάτων χάλυβα, πορωδών μεταλλικών φίλτρων για εφαρμογές φιλτραρίσματος, καλωδίων βολφραμίου για αυτολιπαινόμενα ρουλεμάν και ηλεκτρικών υλικών μεταξύ πολλών άλλων. Οι διαδικασίες κατασκευής περιλαμβάνουν συνήθως θερμή συμπίεση, πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης ή πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση.

Η πυροσυσσωμάτωση καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να ωφελήσει σε μεγάλο βαθμό την πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση ως έναν αποτελεσματικό τρόπο βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων του, ιδίως της αντοχής στη θερμοκρασία και της αντοχής σε κάμψη. Η μείωση της ανάπτυξης των κόκκων κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης συμβάλλει σε αυτό το αποτέλεσμα, ενώ η αύξηση της εφελκυστικής αντοχής οδηγεί σε μεγαλύτερη ανθεκτικότητα και διάρκεια ζωής του υλικού.

Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση προσφέρει πολλά διακριτά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητάς της να δημιουργεί πολύπλοκα σχήματα με ακριβείς διαστάσεις. Αυτό καθιστά τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης χωρίς πίεση ιδανική για την κατασκευή μοναδικών προϊόντων που θα ήταν δύσκολο ή αδύνατο να δημιουργηθούν με άλλα μέσα, καθιστώντας την ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων, όπως εξαρτήματα στεγανοποίησης με σκληρή επιφάνεια και εργασίες σε υψηλές θερμοκρασίες.

Θερμή πρέσα

Η θερμή πρέσα είναι μια αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική μέθοδος για τη γρήγορη παραγωγή εξαρτημάτων καρβιδίου του πυριτίου με μεγάλα μεγέθη και πολύπλοκα σχήματα, όπως είναι οι στεγανοποιήσεις για αντλίες με απαιτητικές εφαρμογές. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας εφαρμόζονται ταυτόχρονα πίεση και υψηλή θερμοκρασία (έως 2000 βαθμούς Κελσίου), με αποτέλεσμα να επιτυγχάνονται γρήγοροι χρόνοι παραγωγής με αποδοτικότητα κόστους.

Οι διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης που παράγουν πυκνά σύνθετα κεραμικά SiC και b-SiC για στεγανοποιήσεις ξηρού αερίου έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα επιτυχείς. Μια τέτοια αποτελεσματική μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης περιλαμβάνει την ανάμιξη σκόνης α-SiC με γραφίτη σε ορισμένες αναλογίες και θέρμανση- κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης, η σκόνη α-SiC διεισδύει σε πορώδη χαλύβδινα τεμάχια μέσω της χρήσης ατμοσφαιρικής φάσης Si για να σχηματίσει πυκνά σώματα χωρίς μείωση μεγέθους και με υψηλή πυκνότητα.

Λόγω του ισχυρού ομοιοπολικού δεσμού Si-C, το καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζει χαμηλούς ρυθμούς αυτοδιάχυσης κατά τη διάρκεια των διεργασιών πυροσυσσωμάτωσης. Ως εκ τούτου, η κινητήρια δύναμή του για την παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου υψηλής πυκνότητας είναι σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη άλλων κεραμικών υλικών και η έρευνα για τις κατάλληλες μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης και τα πρόσθετα έχει καταστεί πρωταρχικό μέλημα στον τομέα αυτό.

Ο χαρακτηρισμός της μικροδομής των πυροσυσσωματωμένων δειγμάτων περιλαμβάνει τη χρήση προτύπων XRD και την ανάλυση περίθλασης ηλεκτρονίων επιλεγμένης περιοχής (SAED) για τον χαρακτηρισμό της μικροδομής τους. Προσδιορίσαμε μια αναλογία 83:17 όσον αφορά τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης.

Πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης

Η πυροσυσσωμάτωση καρβιδίου πυριτίου με αντίδραση (RSSiC) είναι μια διαδικασία κατά την οποία υγρό πυρίτιο διηθείται σε πορώδη προπλάσματα άνθρακα ή γραφίτη μέσω διήθησης λιωμένου πυριτίου, παράγοντας κεραμικό που διαθέτει υψηλή αντοχή, εξαιρετική αντοχή στη φθορά και θερμική σταθερότητα, καθώς και ανώτερη αντοχή στην οξείδωση, τη διάβρωση και τη χάραξη, καθώς και καλές ηλεκτρικές ιδιότητες. Η πυκνότητα για το RSSC εξαρτάται από την αναλογία πυριτίου/άνθρακα, η οποία τελικά καθορίζει τη σκληρότητα.

Η πυροσυσσωμάτωση περιλαμβάνει μετακινήσεις μάζας εντός μιας πορώδους μικροδομής που μειώνουν το συνολικό πορώδες με επανασυσσωμάτωση και μεταφορά κατά μήκος των κρυσταλλικών ορίων για την εξομάλυνση των τοιχωμάτων των πόρων, μειώνοντας έτσι το μέγεθος των κόκκων και οδηγώντας σε πυκνές λεπτόκοκκες δομές μήτρας με ομοιόμορφες δομές.

Η πυροσυσσωμάτωση με αντίδραση επιτρέπει την παραγωγή μεγάλων και πολύπλοκου σχήματος πυροσυσσωματωμένων εξαρτημάτων καρβιδίου του πυριτίου με σχεδόν καθαρό σχήμα και υψηλή ακρίβεια, χρησιμοποιώντας χαμηλότερες θερμοκρασίες και μικρότερους χρόνους σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης. Ωστόσο, δεν πρέπει να χρησιμοποιείται σε περιβάλλοντα με έντονες οξειδωτικές ή διαβρωτικές επιδράσεις, καθώς η διαδικασία αυτή μπορεί να προκαλέσει ανεπαρκή διείσδυση πυριτίου και μη φυσιολογική ανάπτυξη κόκκων, μειώνοντας τελικά τις μηχανικές ιδιότητες των πυροσυσσωματωμένων υλικών. Οι διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συνοχή των αρχικών σκονών και πρέπει να διαχειρίζονται προσεκτικά για συνεπή συρρίκνωση των τεμαχίων, μειωμένη παραμόρφωση και για την παραγωγή εξαρτημάτων με σταθερή ποιότητα. Ο κλίβανος πυροσυσσωμάτωσης υπό κενό RVS-S μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πυροσυσσωμάτωση αντιδράσεων των προϊόντων SiC για να εγγυηθεί την ποιότητα των προϊόντων.