Τα κεραμικά υψηλής καθαρότητας από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχουν αναδειχθεί ως ιδανικά υλικά για κρίσιμα εξαρτήματα στις βιομηχανίες ημιαγωγών, αεροδιαστημικής και χημικών λόγω της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας, της χημικής σταθερότητας και της μηχανικής αντοχής τους. Με τις αυξανόμενες απαιτήσεις για κεραμικές συσκευές υψηλής απόδοσης και χαμηλής ρύπανσης, η ανάπτυξη αποτελεσματικών και κλιμακούμενων τεχνολογιών προετοιμασίας για κεραμικά SiC υψηλής καθαρότητας έχει γίνει ένα παγκόσμιο ερευνητικό επίκεντρο. Αυτή η εργασία εξετάζει συστηματικά τις κύριες τρέχουσες μεθόδους προετοιμασίας για κεραμικά SiC υψηλής καθαρότητας, συμπεριλαμβανομένης της πυροσυσσωμάτωσης με ανακρυστάλλωση, της πυροσυσσωμάτωσης χωρίς πίεση (PS), της θερμής συμπίεσης (HP), της πυροσυσσωμάτωσης με σπινθήρα πλάσματος (SPS) και της προσθετικής κατασκευής (AM), με έμφαση στη συζήτηση των μηχανισμών πυροσυσσωμάτωσης, των βασικών παραμέτρων, των ιδιοτήτων των υλικών και των υφιστάμενων προκλήσεων κάθε διαδικασίας.
Η εφαρμογή των κεραμικών SiC στον στρατιωτικό και μηχανικό τομέα
Επί του παρόντος, τα κεραμικά εξαρτήματα SiC υψηλής καθαρότητας χρησιμοποιούνται ευρέως στον εξοπλισμό κατασκευής πλακιδίων πυριτίου, συμμετέχοντας σε βασικές διεργασίες όπως η οξείδωση, η λιθογραφία, η χάραξη και η εμφύτευση ιόντων. Με την πρόοδο της τεχνολογίας πλακιδίων, η αύξηση του μεγέθους των πλακιδίων έχει γίνει μια σημαντική τάση. Το τρέχον κύριο μέγεθος πλακιδίων είναι 300 mm, επιτυγχάνοντας μια καλή ισορροπία μεταξύ κόστους και παραγωγικής ικανότητας. Ωστόσο, με γνώμονα τον νόμο του Moore, η μαζική παραγωγή πλακιδίων 450 mm βρίσκεται ήδη στην ημερήσια διάταξη. Τα μεγαλύτερα πλακίδια συνήθως απαιτούν υψηλότερη δομική αντοχή για να αντισταθούν στη στρέβλωση και την παραμόρφωση, οδηγώντας περαιτέρω την αυξανόμενη ζήτηση για κεραμικά εξαρτήματα SiC μεγάλου μεγέθους, υψηλής αντοχής και υψηλής καθαρότητας. Τα τελευταία χρόνια, η προσθετική κατασκευή (τρισδιάστατη εκτύπωση), ως τεχνολογία ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων που δεν απαιτεί καλούπια, έχει επιδείξει τεράστιες δυνατότητες στην κατασκευή κεραμικών εξαρτημάτων SiC πολύπλοκης δομής λόγω της κατασκευής σε στρώση προς στρώση και των ευέλικτων δυνατοτήτων σχεδιασμού, προσελκύοντας ευρεία προσοχή.
Αυτή η εργασία θα αναλύσει συστηματικά πέντε αντιπροσωπευτικές μεθόδους παρασκευής για κεραμικά SiC υψηλής καθαρότητας - πυροσυσσωμάτωση με ανακρυστάλλωση, πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, θερμή έκθλιψη, πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα και προσθετική κατασκευή - εστιάζοντας στους μηχανισμούς πυροσυσσωμάτωσης, τις στρατηγικές βελτιστοποίησης της διαδικασίας, τα χαρακτηριστικά απόδοσης των υλικών και τις προοπτικές βιομηχανικών εφαρμογών.
Απαιτήσεις πρώτης ύλης καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας
I. Ανακρυστάλλωση, πυροσυσσωμάτωση
Το ανακρυσταλλωμένο καρβίδιο του πυριτίου (RSiC) είναι ένα υλικό SiC υψηλής καθαρότητας που παρασκευάζεται χωρίς βοηθητικά πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλές θερμοκρασίες 2100–2500°C. Από τότε που ο Fredriksson ανακάλυψε για πρώτη φορά το φαινόμενο της ανακρυστάλλωσης στα τέλη του 19ου αιώνα, το RSiC έχει προσελκύσει σημαντική προσοχή λόγω των καθαρών ορίων των κόκκων του και της απουσίας γυάλινων φάσεων και ακαθαρσιών. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το SiC παρουσιάζει σχετικά υψηλή τάση ατμών και ο μηχανισμός πυροσυσσωμάτωσης περιλαμβάνει κυρίως μια διαδικασία εξάτμισης-συμπύκνωσης: οι λεπτοί κόκκοι εξατμίζονται και επανατοποθετούνται στις επιφάνειες μεγαλύτερων κόκκων, προωθώντας την ανάπτυξη του λαιμού και την άμεση σύνδεση μεταξύ των κόκκων, ενισχύοντας έτσι την αντοχή του υλικού.
Το 1990, ο Kriegesmann παρασκεύασε RSiC με σχετική πυκνότητα 79,1% χρησιμοποιώντας χύτευση με ολίσθηση στους 2200°C, με την διατομή να δείχνει μια μικροδομή που αποτελείται από χονδρόκοκκους κόκκους και πόρους. Στη συνέχεια, οι Yi et al. χρησιμοποίησαν χύτευση με γέλη για να προετοιμάσουν πράσινα σώματα και τα πυροσυσσωμάτωσαν στους 2450°C, λαμβάνοντας κεραμικά RSiC με πυκνότητα όγκου 2,53 g/cm³ και αντοχή σε κάμψη 55,4 MPa.
Η επιφάνεια θραύσης SEM του RSiC
Σε σύγκριση με το πυκνό SiC, το RSiC έχει χαμηλότερη πυκνότητα (περίπου 2,5 g/cm³) και περίπου 20% ανοιχτό πορώδες, περιορίζοντας την απόδοσή του σε εφαρμογές υψηλής αντοχής. Επομένως, η βελτίωση της πυκνότητας και των μηχανικών ιδιοτήτων του RSiC έχει γίνει βασικό ερευνητικό επίκεντρο. Ο Sung et al. πρότεινε τη διήθηση τηγμένου πυριτίου σε μικτά συμπαγή υλικά άνθρακα/β-SiC και την ανακρυστάλλωσή του στους 2200°C, κατασκευάζοντας με επιτυχία μια δομή δικτύου που αποτελείται από χονδρόκοκκους α-SiC. Το προκύπτον RSiC πέτυχε πυκνότητα 2,7 g/cm³ και αντοχή σε κάμψη 134 MPa, διατηρώντας εξαιρετική μηχανική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.
Για την περαιτέρω ενίσχυση της πυκνότητας, οι Guo et al. χρησιμοποίησαν τεχνολογία διήθησης και πυρόλυσης πολυμερών (PIP) για πολλαπλές επεξεργασίες του RSiC. Χρησιμοποιώντας διαλύματα PCS/ξυλενίου και πολτούς SiC/PCS/ξυλενίου ως διηθητικά, μετά από 3-6 κύκλους PIP, η πυκνότητα του RSiC βελτιώθηκε σημαντικά (έως 2,90 g/cm³), μαζί με την αντοχή του στην κάμψη. Επιπλέον, πρότειναν μια κυκλική στρατηγική που συνδυάζει PIP και ανακρυστάλλωση: πυρόλυση στους 1400°C ακολουθούμενη από ανακρυστάλλωση στους 2400°C, απομακρύνοντας αποτελεσματικά τα μπλοκαρίσματα των σωματιδίων και μειώνοντας το πορώδες. Το τελικό υλικό RSiC πέτυχε πυκνότητα 2,99 g/cm³ και αντοχή στην κάμψη 162,3 MPa, επιδεικνύοντας εξαιρετική συνολική απόδοση.
Εικόνες SEM της εξέλιξης της μικροδομής του γυαλισμένου RSiC μετά από κύκλους εμποτισμού πολυμερούς και πυρόλυσης (PIP)-ανακρυστάλλωσης: Αρχικό RSiC (A), μετά τον πρώτο κύκλο PIP-ανακρυστάλλωσης (B) και μετά τον τρίτο κύκλο (C)
ΙΙ. Πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση
Τα κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) χωρίς πίεση παρασκευάζονται συνήθως χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη εξαιρετικά λεπτή σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας, με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων βοηθητικών πυροσυσσωμάτωσης και πυροσυσσωμάτωση σε αδρανή ατμόσφαιρα ή κενό στους 1800–2150°C. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για την παραγωγή κεραμικών συστατικών μεγάλου μεγέθους και σύνθετης δομής. Ωστόσο, επειδή το SiC συνδέεται κυρίως με ομοιοπολικό δεσμό, ο συντελεστής αυτοδιάχυσής του είναι εξαιρετικά χαμηλός, καθιστώντας δύσκολη την πύκνωση χωρίς βοηθητικά πυροσυσσωμάτωσης.
Με βάση τον μηχανισμό πυροσυσσωμάτωσης, η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης χωρίς πίεση (PLS-SiC) και πυροσυσσωμάτωση στερεάς κατάστασης χωρίς πίεση (PSS-SiC).
1.1 PLS-SiC (Συντήξη Υγρής Φάσης)
Το PLS-SiC συνήθως πυροσυσσωματώνεται κάτω από τους 2000°C με την προσθήκη περίπου 10% κ.β. ευτηκτικών βοηθητικών πυροσυσσωμάτωσης (όπως Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ και οξείδια σπάνιων γαιών RE₂O₃) για να σχηματίσει μια υγρή φάση, προωθώντας την αναδιάταξη των σωματιδίων και τη μεταφορά μάζας για την επίτευξη συμπύκνωσης. Αυτή η διαδικασία είναι κατάλληλη για κεραμικά SiC βιομηχανικής ποιότητας, αλλά δεν έχουν αναφερθεί περιπτώσεις υψηλής καθαρότητας SiC που επιτυγχάνονται μέσω πυροσυσσωμάτωσης υγρής φάσης.
1.2 PSS-SiC (Συντήρηση στερεάς κατάστασης)
Το PSS-SiC περιλαμβάνει συμπύκνωση στερεάς κατάστασης σε θερμοκρασίες άνω των 2000°C με περίπου 1% κ.β. πρόσθετα. Αυτή η διαδικασία βασίζεται κυρίως στην ατομική διάχυση και την αναδιάταξη των κόκκων που προκαλούνται από τις υψηλές θερμοκρασίες για τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας και την επίτευξη συμπύκνωσης. Το σύστημα BC (βόριο-άνθρακας) είναι ένας κοινός συνδυασμός προσθέτων, ο οποίος μπορεί να μειώσει την ενέργεια των ορίων των κόκκων και να αφαιρέσει το SiO₂ από την επιφάνεια του SiC. Ωστόσο, τα παραδοσιακά πρόσθετα BC συχνά εισάγουν υπολειμματικές ακαθαρσίες, μειώνοντας την καθαρότητα του SiC.
Με έλεγχο της περιεκτικότητας σε πρόσθετα (B 0,4% κ.β., C 1,8% κ.β.) και πυροσυσσωμάτωση στους 2150°C για 0,5 ώρες, ελήφθησαν κεραμικά SiC υψηλής καθαρότητας με καθαρότητα 99,6% κ.β. και σχετική πυκνότητα 98,4%. Η μικροδομή έδειξε κόκκους σε σχήμα στήλης (μερικοί ξεπερνούσαν τα 450 µm σε μήκος), με μικρούς πόρους στα όρια των κόκκων και σωματίδια γραφίτη στο εσωτερικό των κόκκων. Τα κεραμικά παρουσίασαν αντοχή σε κάμψη 443 ± 27 MPa, μέτρο ελαστικότητας 420 ± 1 GPa και συντελεστή θερμικής διαστολής 3,84 × 10⁻6 K⁻¹ στο εύρος θερμοκρασίας δωματίου έως 600°C, επιδεικνύοντας εξαιρετική συνολική απόδοση.
Μικροδομή του PSS-SiC: (A) Εικόνα SEM μετά τη στίλβωση και τη χάραξη με NaOH. (BD) Εικόνες BSD μετά τη στίλβωση και τη χάραξη
ΙΙΙ. Θερμή συμπίεση με συμπύκνωση
Η θερμή σύντηξη (HP) είναι μια τεχνική συμπύκνωσης που εφαρμόζει ταυτόχρονα θερμότητα και μονοαξονική πίεση σε υλικά σε σκόνη υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης. Η υψηλή πίεση αναστέλλει σημαντικά τον σχηματισμό πόρων και περιορίζει την ανάπτυξη κόκκων, ενώ η υψηλή θερμοκρασία προάγει τη σύντηξη κόκκων και τον σχηματισμό πυκνών δομών, παράγοντας τελικά κεραμικά SiC υψηλής πυκνότητας και υψηλής καθαρότητας. Λόγω της κατευθυντικής φύσης της συμπίεσης, αυτή η διαδικασία τείνει να προκαλεί ανισοτροπία κόκκων, επηρεάζοντας τις μηχανικές ιδιότητες και τις ιδιότητες φθοράς.
Τα καθαρά κεραμικά SiC είναι δύσκολο να πυκνωθούν χωρίς πρόσθετα, απαιτώντας πυροσυσσωμάτωση σε εξαιρετικά υψηλή πίεση. Οι Nadeau et al. παρασκεύασαν με επιτυχία πλήρως πυκνό SiC χωρίς πρόσθετα στους 2500°C και 5000 MPa. Οι Sun et al. έλαβαν χύδην υλικά β-SiC με σκληρότητα Vickers έως 41,5 GPa στα 25 GPa και 1400°C. Χρησιμοποιώντας πίεση 4 GPa, παρασκευάστηκαν κεραμικά SiC με σχετικές πυκνότητες περίπου 98% και 99%, σκληρότητα 35 GPa και μέτρο ελαστικότητας 450 GPa στους 1500°C και 1900°C, αντίστοιχα. Η πυροσυσσωμάτωση σκόνης SiC μεγέθους μικρού στα 5 GPa και 1500°C απέδωσε κεραμικά με σκληρότητα 31,3 GPa και σχετική πυκνότητα 98,4%.
Παρόλο που αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η εξαιρετικά υψηλή πίεση μπορεί να επιτύχει συμπύκνωση χωρίς πρόσθετα, η πολυπλοκότητα και το υψηλό κόστος του απαιτούμενου εξοπλισμού περιορίζουν τις βιομηχανικές εφαρμογές. Επομένως, στην πρακτική παρασκευή, χρησιμοποιούνται συχνά ιχνοστοιχεία ή κοκκοποίηση σκόνης για την ενίσχυση της κινητήριας δύναμης σύντηξης.
Με την προσθήκη 4% κ.β. φαινολικής ρητίνης ως πρόσθετο και με σύντηξη στους 2350°C και 50 MPa, ελήφθησαν κεραμικά SiC με ρυθμό συμπύκνωσης 92% και καθαρότητα 99,998%. Χρησιμοποιώντας χαμηλές ποσότητες προσθέτων (βορικό οξύ και D-φρουκτόζη) και σύντηξη στους 2050°C και 40 MPa, παρασκευάστηκε SiC υψηλής καθαρότητας με σχετική πυκνότητα >99,5% και περιεκτικότητα σε υπολειμματικό B μόνο 556 ppm. Οι εικόνες SEM έδειξαν ότι, σε σύγκριση με τα δείγματα που είχαν υποστεί σύντηξη χωρίς πίεση, τα δείγματα θερμής συμπίεσης είχαν μικρότερους κόκκους, λιγότερους πόρους και υψηλότερη πυκνότητα. Η αντοχή σε κάμψη ήταν 453,7 ± 44,9 MPa και το μέτρο ελαστικότητας έφτασε τα 444,3 ± 1,1 GPa.
Με την επέκταση του χρόνου συγκράτησης στους 1900°C, το μέγεθος των κόκκων αυξήθηκε από 1,5 μm σε 1,8 μm και η θερμική αγωγιμότητα βελτιώθηκε από 155 σε 167 W·m⁻¹·K⁻¹, ενώ παράλληλα ενισχύθηκε η αντοχή στη διάβρωση πλάσματος.
Υπό συνθήκες 1850°C και 30 MPa, η θερμή συμπίεση και η ταχεία θερμή συμπίεση κοκκοποιημένης και ανόπτησης σκόνης SiC απέδωσαν πλήρως πυκνά κεραμικά β-SiC χωρίς πρόσθετα, με πυκνότητα 3,2 g/cm³ και θερμοκρασία σύντηξης 150–200°C χαμηλότερη από τις παραδοσιακές διαδικασίες. Τα κεραμικά παρουσίασαν σκληρότητα 2729 GPa, αντοχή σε θραύση 5,25–5,30 MPa·m^1/2 και εξαιρετική αντοχή στον ερπυσμό (ρυθμοί ερπυσμού 9,9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ και 3,8 × 10⁻⁹ s⁻¹ στους 1400°C/1450°C και 100 MPa).
(Α) Εικόνα SEM της γυαλισμένης επιφάνειας· (Β) Εικόνα SEM της επιφάνειας θραύσης· (Γ, Δ) Εικόνα BSD της γυαλισμένης επιφάνειας
Στην έρευνα τρισδιάστατης εκτύπωσης για πιεζοηλεκτρικά κεραμικά, ο κεραμικός πολτός, ως ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει τη διαμόρφωση και την απόδοση, έχει γίνει βασικό επίκεντρο τόσο στην εγχώρια όσο και στη διεθνή αγορά. Οι τρέχουσες μελέτες δείχνουν γενικά ότι παράμετροι όπως το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης, το ιξώδες του πολτού και η περιεκτικότητα σε στερεά επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα διαμόρφωσης και τις πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος.
Έρευνες έχουν δείξει ότι τα κεραμικά πολτά που παρασκευάζονται με χρήση σκονών τιτανικού βαρίου μικρού, υπομικρού και νανομεγέθους παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στις στερεολιθογραφικές διαδικασίες (π.χ., LCD-SLA). Καθώς το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται, το ιξώδες του πολτού αυξάνεται σημαντικά, με τις σκόνες νανομεγέθους να παράγουν πολτά με ιξώδες που φτάνει τα δισεκατομμύρια mPa·s. Τα πολτά με σκόνες μικρού μεγέθους είναι επιρρεπή σε αποκόλληση και ξεφλούδισμα κατά την εκτύπωση, ενώ οι σκόνες υπομικρού και νανομεγέθους επιδεικνύουν πιο σταθερή συμπεριφορά σχηματισμού. Μετά από πυροσυσσωμάτωση σε υψηλή θερμοκρασία, τα κεραμικά δείγματα που προέκυψαν πέτυχαν πυκνότητα 5,44 g/cm³, πιεζοηλεκτρικό συντελεστή (d₃₃) περίπου 200 pC/N και χαμηλούς συντελεστές απωλειών, επιδεικνύοντας εξαιρετικές ηλεκτρομηχανικές ιδιότητες απόκρισης.
Επιπλέον, σε διεργασίες μικροστερεολιθογραφίας, η ρύθμιση της περιεκτικότητας σε στερεά των πολτών τύπου PZT (π.χ., 75% κ.β.) απέδωσε πυροσυσσωματωμένα σώματα με πυκνότητα 7,35 g/cm³, επιτυγχάνοντας πιεζοηλεκτρική σταθερά έως και 600 pC/N υπό ηλεκτρικά πεδία πόλωσης. Η έρευνα σχετικά με την αντιστάθμιση παραμόρφωσης σε μικροκλίμακα βελτίωσε σημαντικά την ακρίβεια διαμόρφωσης, ενισχύοντας τη γεωμετρική ακρίβεια έως και 80%.
Μια άλλη μελέτη σε πιεζοηλεκτρικά κεραμικά PMN-PT αποκάλυψε ότι η περιεκτικότητα σε στερεά επηρεάζει σημαντικά τη δομή και τις ηλεκτρικές ιδιότητες της κεραμικής. Σε περιεκτικότητα σε στερεά 80% κατά βάρος, τα υποπροϊόντα εμφανίζονταν εύκολα στα κεραμικά. Καθώς η περιεκτικότητα σε στερεά αυξανόταν στο 82% κατά βάρος και άνω, τα υποπροϊόντα εξαφανίζονταν σταδιακά και η κεραμική δομή γινόταν καθαρότερη, με σημαντικά βελτιωμένη απόδοση. Σε περιεκτικότητα 82% κατά βάρος, τα κεραμικά εμφάνισαν βέλτιστες ηλεκτρικές ιδιότητες: πιεζοηλεκτρική σταθερά 730 pC/N, σχετική διαπερατότητα 7226 και διηλεκτρική απώλεια μόνο 0,07.
Συνοπτικά, το μέγεθος των σωματιδίων, η περιεκτικότητα σε στερεά και οι ρεολογικές ιδιότητες των κεραμικών πολτών όχι μόνο επηρεάζουν τη σταθερότητα και την ακρίβεια της διαδικασίας εκτύπωσης, αλλά καθορίζουν επίσης άμεσα την πυκνότητα και την πιεζοηλεκτρική απόκριση των συντηγμένων σωμάτων, καθιστώντας τα βασικές παραμέτρους για την επίτευξη υψηλής απόδοσης τρισδιάστατα εκτυπωμένων πιεζοηλεκτρικών κεραμικών.
Η κύρια διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης LCD-SLA δειγμάτων BT/UV
Οι ιδιότητες των κεραμικών PMN-PT με διαφορετική περιεκτικότητα σε στερεά
IV. Συσσωμάτωση με σπινθήρα και πλάσμα
Η πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα (SPS) είναι μια προηγμένη τεχνολογία πυροσυσσωμάτωσης που χρησιμοποιεί παλμικό ρεύμα και μηχανική πίεση που εφαρμόζονται ταυτόχρονα στις σκόνες για την επίτευξη ταχείας συμπύκνωσης. Σε αυτήν τη διαδικασία, το ρεύμα θερμαίνει απευθείας το καλούπι και τη σκόνη, παράγοντας θερμότητα Joule και πλάσμα, επιτρέποντας την αποτελεσματική πυροσυσσωμάτωση σε σύντομο χρονικό διάστημα (συνήθως εντός 10 λεπτών). Η ταχεία θέρμανση προάγει τη διάχυση στην επιφάνεια, ενώ η εκκένωση σπινθήρα βοηθά στην απομάκρυνση των προσροφημένων αερίων και των στρωμάτων οξειδίου από τις επιφάνειες της σκόνης, βελτιώνοντας την απόδοση της πυροσυσσωμάτωσης. Το φαινόμενο ηλεκτρομετανάστευσης που προκαλείται από τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ενισχύει επίσης την ατομική διάχυση.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή θερμή έκθλιψη, η SPS χρησιμοποιεί πιο άμεση θέρμανση, επιτρέποντας την πύκνωση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ενώ παράλληλα αναστέλλει αποτελεσματικά την ανάπτυξη των κόκκων για την επίτευξη λεπτών και ομοιόμορφων μικροδομών. Για παράδειγμα:
- Χωρίς πρόσθετα, χρησιμοποιώντας αλεσμένη σκόνη SiC ως πρώτη ύλη, η πυροσυσσωμάτωση στους 2100°C και στα 70 MPa για 30 λεπτά απέδωσε δείγματα με σχετική πυκνότητα 98%.
- Η πυροσυσσωμάτωση στους 1700°C και στα 40 MPa για 10 λεπτά παρήγαγε κυβικό SiC με πυκνότητα 98% και μέγεθος κόκκων μόνο 30-50 nm.
- Η χρήση κοκκώδους σκόνης SiC 80 µm και η πυροσυσσωμάτωση στους 1860°C και στα 50 MPa για 5 λεπτά είχαν ως αποτέλεσμα κεραμικά SiC υψηλής απόδοσης με σχετική πυκνότητα 98,5%, μικροσκληρότητα Vickers 28,5 GPa, αντοχή σε κάμψη 395 MPa και αντοχή σε θραύση 4,5 MPa·m^1/2.
Η μικροδομική ανάλυση έδειξε ότι καθώς η θερμοκρασία σύντηξης αυξήθηκε από 1600°C σε 1860°C, το πορώδες του υλικού μειώθηκε σημαντικά, πλησιάζοντας την πλήρη πυκνότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η μικροδομή των κεραμικών SiC που έχουν υποστεί σύντηξη σε διαφορετικές θερμοκρασίες: (Α) 1600°C, (Β) 1700°C, (Γ) 1790°C και (Δ) 1860°C
V. Προσθετική Παραγωγή
Η προσθετική κατασκευή (AM) έχει πρόσφατα επιδείξει τεράστιες δυνατότητες στην κατασκευή σύνθετων κεραμικών εξαρτημάτων λόγω της διαδικασίας κατασκευής σε στρώση προς στρώση. Για τα κεραμικά SiC, έχουν αναπτυχθεί πολλαπλές τεχνολογίες AM, όπως η έγχυση συνδετικού υλικού (BJ), η 3DP, η επιλεκτική σύντηξη με λέιζερ (SLS), η άμεση γραφή με μελάνι (DIW) και η στερεολιθογραφία (SL, DLP). Ωστόσο, τα 3DP και DIW έχουν χαμηλότερη ακρίβεια, ενώ η SLS τείνει να προκαλεί θερμική καταπόνηση και ρωγμές. Αντίθετα, τα BJ και SL προσφέρουν μεγαλύτερα πλεονεκτήματα στην παραγωγή σύνθετων κεραμικών υψηλής καθαρότητας και υψηλής ακρίβειας.
- Binder Jetting (BJ)
Η τεχνολογία BJ περιλαμβάνει τον ψεκασμό στρώσεων προς στρώση συνδετικού υλικού για να σχηματίσει σκόνη σύνδεσης, ακολουθούμενο από αποσύνδεση και πυροσυσσωμάτωση για να ληφθεί το τελικό κεραμικό προϊόν. Συνδυάζοντας το BJ με χημική διήθηση ατμών (CVI), παρασκευάστηκαν με επιτυχία πλήρως κρυσταλλικά κεραμικά SiC υψηλής καθαρότητας. Η διαδικασία περιλαμβάνει:
① Σχηματισμός κεραμικών πράσινων σωμάτων SiC χρησιμοποιώντας BJ.
② Πύκνωση μέσω CVI στους 1000°C και 200 Torr.
③ Το τελικό κεραμικό SiC είχε πυκνότητα 2,95 g/cm³, θερμική αγωγιμότητα 37 W/m·K και αντοχή σε κάμψη 297 MPa.
Σχηματικό διάγραμμα εκτύπωσης με αυτοκόλλητο πίδακα (BJ). (Α) Μοντέλο σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD), (Β) σχηματικό διάγραμμα της αρχής BJ, (Γ) εκτύπωση SiC με BJ, (Δ) πύκνωση SiC με χημική διείσδυση ατμών (CVI)
- Στερεολιθογραφία (SL)
Η SL είναι μια τεχνολογία σχηματισμού κεραμικών που βασίζεται στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV) με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και δυνατότητες κατασκευής σύνθετων δομών. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί φωτοευαίσθητα κεραμικά πολτά με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά και χαμηλό ιξώδες για να σχηματίσει τρισδιάστατα κεραμικά πράσινα σώματα μέσω φωτοπολυμερισμού, ακολουθούμενη από αποσύνδεση και πυροσυσσωμάτωση σε υψηλή θερμοκρασία για να ληφθεί το τελικό προϊόν.
Χρησιμοποιώντας ένα πολτό SiC 35% κατ' όγκο, παρασκευάστηκαν τρισδιάστατα πράσινα σώματα υψηλής ποιότητας υπό υπεριώδη ακτινοβολία 405 nm και συμπυκνώθηκαν περαιτέρω μέσω καύσης πολυμερούς στους 800°C και επεξεργασίας PIP. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα δείγματα που παρασκευάστηκαν με πολτό 35% κατ' όγκο πέτυχαν σχετική πυκνότητα 84,8%, ξεπερνώντας τις ομάδες ελέγχου 30% και 40%.
Με την εισαγωγή λιπόφιλου SiO₂ και φαινολικής εποξειδικής ρητίνης (PEA) για την τροποποίηση του πολτού, η απόδοση του φωτοπολυμερισμού βελτιώθηκε αποτελεσματικά. Μετά από πυροσυσσωμάτωση στους 1600°C για 4 ώρες, επιτεύχθηκε σχεδόν πλήρης μετατροπή σε SiC, με τελική περιεκτικότητα σε οξυγόνο μόνο 0,12%, επιτρέποντας την κατασκευή σε ένα βήμα κεραμικών SiC υψηλής καθαρότητας, πολύπλοκης δομής, χωρίς βήματα προοξείδωσης ή προδιήθησης.
Απεικόνιση της δομής εκτύπωσης και της διαδικασίας σύντηξης. Η εμφάνιση του δείγματος μετά από ξήρανση στους (Α) 25°C, πυρόλυση στους (Β) 1000°C και σύντηξη στους (Γ) 1600°C.
Σχεδιάζοντας φωτοευαίσθητα κεραμικά πολτά Si₃N₄ για τρισδιάστατη στερεολιθογραφική εκτύπωση και χρησιμοποιώντας διαδικασίες αποσύνδεσης-προπύκνωσης και γήρανσης σε υψηλή θερμοκρασία, παρασκευάστηκαν κεραμικά Si₃N₄ με θεωρητική πυκνότητα 93,3%, αντοχή σε εφελκυσμό 279,8 MPa και αντοχή σε κάμψη 308,5–333,2 MPa. Μελέτες διαπίστωσαν ότι υπό συνθήκες περιεκτικότητας σε στερεά 45% κατ' όγκο και χρόνο έκθεσης 10 δευτερολέπτων, μπορούσαν να ληφθούν μονοστρωματικά πράσινα σώματα με ακρίβεια σκλήρυνσης επιπέδου IT77. Μια διαδικασία αποσύνδεσης σε χαμηλή θερμοκρασία με ρυθμό θέρμανσης 0,1 °C/min βοήθησε στην παραγωγή πράσινων σωμάτων χωρίς ρωγμές.
Η πυροσυσσωμάτωση είναι ένα βασικό βήμα που επηρεάζει την τελική απόδοση στη στερεολιθογραφία. Η έρευνα δείχνει ότι η προσθήκη βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την πυκνότητα και τις μηχανικές ιδιότητες της κεραμικής. Χρησιμοποιώντας CeO₂ ως βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης και τεχνολογία πυροσυσσωμάτωσης με υποβοήθηση ηλεκτρικού πεδίου για την παρασκευή κεραμικών Si₃N₄ υψηλής πυκνότητας, διαπιστώθηκε ότι το CeO₂ διαχωρίζεται στα όρια των κόκκων, προωθώντας την ολίσθηση και την πύκνωση των ορίων των κόκκων. Τα κεραμικά που προέκυψαν εμφάνισαν σκληρότητα Vickers HV10/10 (1347,9 ± 2,4) και αντοχή σε θραύση (6,57 ± 0,07) MPa·m¹/². Με MgO–Y₂O₃ ως πρόσθετα, βελτιώθηκε η ομοιογένεια της κεραμικής μικροδομής, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση. Σε συνολικό επίπεδο πρόσμιξης 8% κ.β., η αντοχή σε κάμψη και η θερμική αγωγιμότητα έφτασαν τα 915,54 MPa και 59,58 W·m⁻¹·K⁻¹, αντίστοιχα.
VI. Συμπέρασμα
Συνοπτικά, τα κεραμικά υψηλής καθαρότητας από καρβίδιο του πυριτίου (SiC), ως ένα εξαιρετικό κεραμικό υλικό μηχανικής, έχουν επιδείξει ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε ημιαγωγούς, αεροδιαστημική και εξοπλισμό ακραίων συνθηκών. Αυτή η εργασία ανέλυσε συστηματικά πέντε τυπικές οδούς παρασκευής για κεραμικά SiC υψηλής καθαρότητας - πυροσυσσωμάτωση με ανακρυστάλλωση, πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, θερμή έκθλιψη, πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα και προσθετική κατασκευή - με λεπτομερείς συζητήσεις σχετικά με τους μηχανισμούς συμπύκνωσής τους, τη βελτιστοποίηση βασικών παραμέτρων, την απόδοση του υλικού και τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα και περιορισμούς.
Είναι προφανές ότι διαφορετικές διαδικασίες έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά όσον αφορά την επίτευξη υψηλής καθαρότητας, υψηλής πυκνότητας, σύνθετων δομών και βιομηχανικής σκοπιμότητας. Η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής, ειδικότερα, έχει δείξει ισχυρό δυναμικό στην κατασκευή σύνθετων και προσαρμοσμένων εξαρτημάτων, με σημαντικές ανακαλύψεις σε υποπεδία όπως η στερεολιθογραφία και η έγχυση συνδετικού υλικού, καθιστώντας την μια σημαντική αναπτυξιακή κατεύθυνση για την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής καθαρότητας.
Η μελλοντική έρευνα σχετικά με την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής καθαρότητας πρέπει να εμβαθύνει, προωθώντας τη μετάβαση από εργαστηριακή κλίμακα σε μεγάλης κλίμακας, εξαιρετικά αξιόπιστες μηχανικές εφαρμογές, παρέχοντας έτσι κρίσιμη υλική υποστήριξη για την κατασκευή εξοπλισμού υψηλής τεχνολογίας και τις τεχνολογίες πληροφοριών επόμενης γενιάς.
Η XKH είναι μια επιχείρηση υψηλής τεχνολογίας που ειδικεύεται στην έρευνα και παραγωγή κεραμικών υλικών υψηλής απόδοσης. Είναι αφοσιωμένη στην παροχή εξατομικευμένων λύσεων για τους πελάτες με τη μορφή κεραμικών υψηλής καθαρότητας από καρβίδιο του πυριτίου (SiC). Η εταιρεία διαθέτει προηγμένες τεχνολογίες προετοιμασίας υλικών και δυνατότητες ακριβούς επεξεργασίας. Οι δραστηριότητές της περιλαμβάνουν την έρευνα, την παραγωγή, την ακριβή επεξεργασία και την επιφανειακή επεξεργασία κεραμικών SiC υψηλής καθαρότητας, καλύπτοντας τις αυστηρές απαιτήσεις των ημιαγωγών, της νέας ενέργειας, της αεροδιαστημικής και άλλων τομέων για κεραμικά εξαρτήματα υψηλής απόδοσης. Αξιοποιώντας ώριμες διαδικασίες σύντηξης και τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής, μπορούμε να προσφέρουμε στους πελάτες μια ολοκληρωμένη υπηρεσία, από τη βελτιστοποίηση του τύπου των υλικών, τον σχηματισμό σύνθετης δομής έως την ακριβή επεξεργασία, διασφαλίζοντας ότι τα προϊόντα διαθέτουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, θερμική σταθερότητα και αντοχή στη διάβρωση.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Ιουλίου 2025