Silicio karbido (SiC) keramika užima svarbią vietą tarp aukštos temperatūros struktūrinės keramikos dėl mažo šiluminio plėtimosi koeficiento, didelio šilumos laidumo, didelio kietumo, gero terminio stabilumo ir puikaus cheminio stabilumo. Jie plačiai naudojami kosmoso, branduolinės energijos, karinių ir puslaidininkių srityse.
Kadangi SiC turi itin stiprius kovalentinius ryšius ir labai mažą difuzijos koeficientą, pasiekti visišką SiC keramikos tankinimą yra labai sunku. Siekiant išspręsti šią problemą, buvo sukurti keli sukepinimo būdai, įskaitant reakcinį sukepinimą, beslėgį kietojo kūno sukepinimą, beslėgį skystosios fazės sukepinimą, karštąjį presavimą ir perkristalizacinį sukepinimą.
01 Reakcinis sukepinimas
Reakcijomis surištos silicio karbido (RBSC) keramikos paruošimo procesas yra toks: pirma, SiC milteliai, anglies milteliai ir organiniai rišikliai sumaišomi vienodai tam tikru santykiu ir suformuojamas žalias korpusas; tada aukštoje temperatūroje prasiskverbia silicis. Silicis reaguoja su anglimi ir susidaro antrinis SiC, kuris sujungia pradines SiC daleles. Galiausiai laisvas silicio likutis užpildo poras, todėl RBSC keramika labai sutankinama.
Reakcinio sukepinimo metu, siekiant užtikrinti visišką silicio infiltraciją, žalias korpusas (-SiC + C) turi būti pakankamai poringas; Priešingu atveju tik paviršiaus sritis bus silikinta, o nesureagavusi anglis ir nedidelis porų skaičius liks centre. Todėl žalias tankis turi būti griežtai kontroliuojamas. Tinkamą žalios spalvos tankį galima gauti koreguojant –SiC ir anglies kiekį pradiniame mišinyje, –SiC dalelių pasiskirstymą, anglies formą ir dydį bei formavimo slėgį.
Reakcinis sukepinimas yra beveik tinklinės formos procesas, kurio metu sukepinimo metu beveik nesitraukia arba nesikeičia matmenys. Jis pasižymi tokiais pranašumais kaip žema sukepinimo temperatūra, didelis gaminio tankis ir mažos gamybos sąnaudos, todėl tinka didelių dydžių sudėtingos formos SiC keramikos gaminiams gaminti. Pastaraisiais metais, didėjant plokštelių dydžiui ir terminio apdorojimo temperatūroms, reakcijos būdu surištas SiC palaipsniui pakeitė kvarcinį stiklą. Didelio grynumo SiC komponentai, kuriuose yra šiek tiek likutinės silicio fazės, gali būti gaminami naudojant didelio grynumo SiC miltelius ir didelio grynumo silicį, ir jie plačiai naudojami kaip elektroninių vamzdžių ir puslaidininkinių plokštelių gamybos įrangos atramos.
Beslėgio sukepinimo procesai
Beslėgis sukepinimas daugiausia skirstomas į kietojo kūno sukepinimą ir skystosios fazės sukepinimą.
Kietojo kūno sukepinimas
1974 m. S. Prochazka pirmą kartą panaudojo beslėgį sukepinimo procesą, į didelio grynumo smulkius SiC miltelius įdėdamas nedidelį kiekį boro ir anglies, taip sėkmingai gaudamas SiC sukepintas kūnus, kurių santykinis tankis 2020 m. yra didesnis nei 98 %. Kietojo kūno sukepintai SiC keramikai reikalinga aukšta temperatūra, tačiau jos fizikinės ir cheminės savybės yra stabilios, ypač nesikeičiant stipriam aukštoje temperatūroje, todėl jai suteikiama ypatinga naudojimo vertė.
Kietojo kūno sukepinimo sistemose naudojami įvairūs sukepinimo priedai. Labiausiai paplitusi sistema yra B-C sistema, kurioje B ir C milteliai arba tiesiogiai B₄C milteliai pridedami kaip sukepinimo pagalbinės priemonės. Ši sistema paprastai tankėja 1900–2100 laipsnių ir išgauna gerų savybių SiC keramiką. Al-C sistema taip pat dažnai naudojama; Al metalas yra antras efektyviausias priedas po boro. Be to, AlN-C sistema naudojama SiC sukepinti. Palyginti su B, AlN pridėjimas veiksmingai slopina SiC grūdų augimą.
SiC keramikos kietojo kūno sukepinimas daugiausia priklauso nuo tankinimo kietojo kūno difuzijos mechanizmų. Kietojo kūno pagalbinių medžiagų pridėjimas skatina SiC grūdelių augimą, tuo pačiu išvengiant skystosios fazės susidarymo. Tačiau ši sistema turi tam tikrų apribojimų: pirma, sukepinimo temperatūra turi būti palaikoma aukštame 1900–2100 laipsnių diapazone, o tai ne tik sunaudoja daug energijos, bet ir kelia didelius reikalavimus įrangai; antra, aukšta temperatūra gali sukelti nenormalų grūdų augimą, pakenkti medžiagos savybėms; trečia, pilnam tankinimui dažnai reikia ilgesnio laikymo laiko; be to, šis procesas turi griežtus reikalavimus dėl pradinių miltelių dalelių dydžio, grynumo ir vienodumo.
Skystosios fazės sukepinimas
Skystosios fazės sukepinimas apima tam tikro kiekio daugiakomponentių mažai eutektinių oksidų pridėjimą prie žaliavų, kurie aukštoje temperatūroje sudaro skystą fazę. Tai pakeičia masės perdavimo mechanizmą iš difuzijos į klampų srautą, sumažindama tankinimui reikalingą energiją ir sukepinimo temperatūrą. Tuo pačiu metu įvedus grūdėtumo ribą skystą fazę, žymiai pagerėja medžiagos stiprumas ir kietumas.
Atliekant Al2O3 dalyvaujamą SiC skystosios fazės sukepinimą, Al2O3 reaguoja su SiO₂ ant SiC dalelių paviršių aukštoje temperatūroje ir sudaro skystą fazę, kuri veikia kaip grūdelių ribinė fazė ir užtikrina difuzijos kelius, sutepa SiC daleles ir skatina dalelių pertvarkymą. SiC skystosios fazės sukepinimas kontroliuojamas tirpimo-nusodinimo mechanizmu, o jo sukepinimo elgsenai didelę įtaką daro žaliavos savybės, įskaitant pradinį dalelių dydį, pasiskirstymą pagal dydį, priemaišų kiekį ir kristalinės fazės sudėtį. Tuo tarpu sukepinimo temperatūrai tam tikru mastu įtakos turi pagalbinių sukepinimo medžiagų kiekis; tinkamas skystosios fazės pagalbinės medžiagos kiekis gali žymiai sumažinti sukepinimo temperatūrą, tačiau gali tam tikru laipsniu paveikti savybes.
Dažniausia SiC skystosios fazės sukepinimo sistema yra Al2O3-Y2O3 sistema, kuri papildomai įveda Y2O3 kaip priedą Al2O3 pagrindu ir sudaro Al2O3-Y2O3 sistemą. Ši sistema efektyviai sumažina SiC sukepinimo temperatūrą ir pagerina medžiagos mikrostruktūrą bei savybes.
03 Karštas spaudimas
Karštas presavimas apima džiovintų SiC miltelių įpylimą į didelio stiprumo grafito štampą ir ašinį slėgį kaitinant, kontroliuojant procesą tinkamais slėgio, temperatūros ir laiko parametrais, kad būtų sukepintas ir suformuotas SiC. Karštojo spaudimo SiC priedai yra Al, Fe, B, B₄C, Al₂O3, AlN, BeO, B+C ir kt. Šių priedų tankinimo mechanizmus galima apytiksliai suskirstyti į dvi kategorijas: viena sudaro skystą fazę su priemaišomis SiC, skatinanti sukepinimą, o kita – formuoja kietus tirpalus, kurie susijungia su SiC.
Kadangi karšto presavimo metu kaitinimas ir presavimas vyksta vienu metu, milteliai yra termoplastinės būsenos, o tai palengvina kontaktų difuziją ir klampų srauto masės perdavimą. Tai leidžia gauti smulkių grūdelių, didelio santykinio tankio ir gerų mechaninių savybių SiC keramikos gaminius esant žemesnei sukepinimo temperatūrai ir trumpesniam laikui. Šio proceso trūkumai yra sudėtinga įranga ir procedūros, reikalaujančios štampavimo medžiagos, ribotos galimybės pagaminti tik paprastas formas, mažas našumas ir didelės gamybos sąnaudos. Tačiau puslaidininkių gamyboje, kur tiksliuose prietaisuose ir komponentuose naudojamų keraminių medžiagų eksploatacinių savybių reikalavimai yra itin aukšti, sudėties, grynumo ir tankinimo kontrolė yra daug svarbesnė už ekonomines išlaidas. Be to, dėl didelės produktų pridėtinės vertės karštasis presavimas yra ypač svarbus.
04 Rekristalizacija Sukepinimas
Rekristalizacinis sukepinimas sulaukė didelio dėmesio, nes jam nereikia pagalbinių sukepinimo priemonių. Tai labiausiai paplitęs itin gryno, didelio dydžio SiC keramikos komponentų gamybos metodas. Perkristalizuotos SiC keramikos paruošimo procesas yra toks: tam tikru santykiu maišomi stambūs ir smulkūs skirtingo dydžio dalelių SiC milteliai, o žaliavos formuojamos liejant, presuojant štampais, ekstruzijos būdu ar kitais būdais; tada žali kūnai sukepinami 2200–2450 laipsnių temperatūroje inertinėje atmosferoje. Galiausiai smulkios dalelės palaipsniui išgaruoja į garų fazę ir kondensuojasi stambių dalelių sąlyčio taškuose, sudarydamos perkristalizuotą keramiką.
Rekristalizacinis sukepinimas suteikia papildomų privalumų: sukepinimo metu žalias korpusas beveik nesitraukia, todėl jis mažiau linkęs įtrūkti ar deformuotis, todėl galima pagaminti sudėtingos formos, didelio tikslumo keramikos komponentus; ruošiant porėtą perkristalizuotą keramiką, poringumą ir porų dydžio pasiskirstymą galima lengvai valdyti siauruose diapazonuose; Perkristalizuota keramika turi trimatę tarpusavyje sujungtą porėtą struktūrą, daugiausia atvirų porų, todėl ji tinkama infiltracijai su antrąja faze kompozitams gaminti.