В обширной области материаловедения керамика на основе карбида кремния стала «любимцем» многих высокотехнологичных отраслей благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая твёрдость, прочность, хорошая термическая и химическая стабильность. От аэрокосмической промышленности до производства полупроводников, от новых энергетических транспортных средств до промышленного оборудования – керамика на основе карбида кремния играет незаменимую роль. В процессе изготовления керамики на основе карбида кремния метод спекания является ключевым фактором, определяющим её свойства и область применения. Сегодня мы подробно рассмотрим процесс спекания карбида кремния и сосредоточимся на изучении уникальных преимуществ реакционного спекания.керамика из карбида кремния.
Распространенные методы спекания карбида кремния
Существуют различные методы спекания карбида кремния, каждый из которых имеет свои уникальные принципы и характеристики.
1. Горячее прессование и спекание: этот метод спекания включает в себя помещение порошка карбида кремния в форму, приложение определённого давления при нагревании для одновременного осуществления процессов формования и спекания. Горячее прессование и спекание позволяют получать плотную керамику из карбида кремния при относительно низких температурах и в короткие сроки, с мелким зерном и хорошими механическими свойствами. Однако оборудование для горячего прессования и спекания сложное, стоимость формы высокая, требования к производственному процессу строгие, и можно изготавливать только детали простой формы, что приводит к низкой эффективности производства, что в определённой степени ограничивает его широкое применение.
2. Спекание при атмосферном давлении: Спекание при атмосферном давлении представляет собой процесс уплотнения карбида кремния путем нагрева его до 2000-2150 ℃ в условиях атмосферного давления и инертной атмосферы с добавлением соответствующих спекающих добавок. Он делится на два процесса: спекание в твердой фазе и спекание в жидкой фазе. Спекание в твердой фазе позволяет достичь высокой плотности карбида кремния, без стекловидной фазы между кристаллами и превосходных механических свойств при высоких температурах; спекание в жидкой фазе имеет преимущества более низкой температуры спекания, меньшего размера зерна и улучшенной прочности материала на изгиб и вязкости разрушения. Спекание при атмосферном давлении не имеет ограничений по форме и размеру продукта, низкие производственные затраты и превосходные комплексные свойства материала, но температура спекания высока, а потребление энергии велико.
3. Реакционное спекание: Реакционно-спеченный карбид кремния был впервые предложен П. Поппером в 1950-х годах. Процесс включает смешивание источника углерода и порошка карбида кремния и подготовку сырца такими методами, как литье под давлением, сухое прессование или холодное изостатическое прессование. Затем заготовку нагревают до температуры выше 1500 ℃ в вакууме или инертной атмосфере, при этом твердый кремний плавится, превращаясь в жидкий кремний, который проникает в заготовку, содержащую поры, посредством капиллярного эффекта. Жидкий кремний или пары кремния вступают в химическую реакцию с C в сырце, и образовавшийся in situ β-SiC соединяется с исходными частицами SiC в сырце, образуя реакционно-спеченные керамические материалы из карбида кремния.
Преимущества реакционного спекания керамики на основе карбида кремния
По сравнению с другими методами спекания реакционно-спеченная керамика из карбида кремния имеет ряд существенных преимуществ:
1. Низкая температура спекания и контролируемая стоимость: температура реакционного спекания обычно ниже температуры спекания при атмосферных условиях, что значительно снижает энергопотребление и требования к высокотемпературным характеристикам оборудования для спекания. Более низкая температура спекания означает снижение затрат на обслуживание оборудования и снижение энергопотребления в процессе производства, что эффективно снижает производственные затраты. Это обеспечивает значительные экономические преимущества керамики из карбида кремния, полученной методом реакционного спекания, при крупномасштабном производстве.
2. Формование с размерами, близкими к заданным, подходит для сложных конструкций: в процессе реакционного спекания материал практически не подвергается объемной усадке. Это свойство делает его особенно подходящим для изготовления крупногабаритных структурных компонентов сложной формы. Будь то прецизионные механические компоненты или крупногабаритные компоненты промышленного оборудования, керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, позволяет точно соответствовать требованиям проекта, сокращать количество последующих этапов обработки, повышать эффективность производства, а также снижать потери материала и рост затрат, связанных с обработкой.
3. Высокая степень уплотнения материала: благодаря разумному контролю условий реакции, реакционное спекание позволяет достичь высокой степени уплотнения керамики на основе карбида кремния. Плотная структура придает материалу превосходные механические свойства, такие как высокая прочность на изгиб и сжатие, что позволяет сохранять структурную целостность при значительных внешних нагрузках. Кроме того, плотная структура повышает износостойкость и коррозионную стойкость материала, обеспечивая его стабильную работу в суровых условиях и продлевая срок службы.
4. Хорошая химическая стабильность: керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, обладает превосходной стойкостью к воздействию сильных кислот и расплавленных металлов. В таких отраслях, как химическая и металлургическая, оборудование часто контактирует с различными коррозионными средами. Керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, эффективно противостоит эрозии в этих средах, обеспечивает нормальную работу оборудования, снижает затраты на обслуживание и замену, а также повышает непрерывность и стабильность производства.
Широко применимо в различных областях
Благодаря этим преимуществам керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, нашла широкое применение во многих областях. В оборудовании для высокотемпературных печей она способна выдерживать высокие температуры и обеспечивать эффективную работу печей; в теплообменниках благодаря превосходной теплопроводности и коррозионной стойкости она является идеальным материалом; в оборудовании для защиты окружающей среды, таком как сопла для десульфурации, она устойчива к воздействию агрессивных сред и обеспечивает долгосрочную стабильную работу оборудования. Кроме того, керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, играет важную роль в таких высокотехнологичных областях, как фотоэлектричество и аэрокосмическая промышленность.
Керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, занимает важное место в семействе карбидкремниевой керамики благодаря своим уникальным преимуществам. Благодаря постоянному развитию технологий и оптимизации технологических процессов, предполагается, что керамика из карбида кремния, полученная методом реакционного спекания, продемонстрирует свои превосходные эксплуатационные характеристики во всё большем количестве областей, обеспечивая мощную материальную поддержку для развития различных отраслей промышленности.
Время публикации: 13 июня 2025 г.