Spezielle Vorbereitungstechniken für Siliziumkarbidkeramik

Siliziumkarbid (SiC)-KeramikMaterialien verfügen über eine Reihe hervorragender Eigenschaften, darunter Hochtemperaturfestigkeit, starke Oxidationsbeständigkeit, hervorragende Verschleißfestigkeit, thermische Stabilität, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte, Thermoschockbeständigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaften machen SiC-Keramik zunehmend in verschiedenen Bereichen einsetzbar, beispielsweise in der Automobilindustrie, der mechanischen und chemischen Industrie, dem Umweltschutz, der Raumfahrttechnik, der Informationselektronik und der Energiebranche.SiC-KeramikAufgrund ihrer herausragenden Leistungsfähigkeit sind sie in vielen Industriebereichen zu einem unersetzlichen Strukturkeramikwerkstoff geworden.

Was sind die strukturellen Merkmale, die eine Verbesserung bewirken?SiC-Keramik?

Die überlegenen Eigenschaften vonSiC-Keramiksind eng mit ihrer einzigartigen Struktur verbunden. SiC ist eine Verbindung mit sehr starken kovalenten Bindungen, wobei der ionische Charakter der Si-C-Bindung nur etwa 12 % beträgt. Dies führt zu einer hohen Festigkeit und einem großen Elastizitätsmodul, was zu einer hervorragenden Verschleißfestigkeit führt. Reines SiC wird weder durch saure Lösungen wie HCl, HNO3, H2SO4 oder HF noch durch alkalische Lösungen wie NaOH korrodiert. Während es beim Erhitzen an der Luft zur Oxidation neigt, hemmt die Bildung einer SiO2-Schicht auf der Oberfläche die weitere Sauerstoffdiffusion und hält so die Oxidationsrate niedrig. Darüber hinaus weist SiC Halbleitereigenschaften auf, mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wenn geringe Mengen an Verunreinigungen eingeführt werden, und ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit.

Wie wirken sich verschiedene Kristallformen von SiC auf seine Eigenschaften aus?

SiC existiert in zwei Hauptkristallformen: α und β. β-SiC hat eine kubische Kristallstruktur, wobei Si und C kubisch flächenzentrierte Gitter bilden. α-SiC gibt es in über 100 Polytypen, darunter 4H, 15R und 6H, wobei 6H in industriellen Anwendungen am häufigsten verwendet wird. Die Stabilität dieser Polytypen variiert mit der Temperatur. Unterhalb von 1600 °C liegt SiC in der β-Form vor, während sich β-SiC oberhalb von 1600 °C allmählich in verschiedene α-SiC-Polytypen umwandelt. Beispielsweise bildet sich 4H-SiC bei etwa 2000 °C, während 15R- und 6H-Polytypen Temperaturen über 2100 °C erfordern, um sich leicht zu bilden. Der 6H-Polytyp bleibt auch über 2200 °C stabil. Der geringe Unterschied in der freien Energie zwischen diesen Polytypen bedeutet, dass selbst geringfügige Verunreinigungen ihre thermischen Stabilitätsverhältnisse verändern können.

Welche Techniken gibt es zur Herstellung von SiC-Pulvern?

Die Herstellung von SiC-Pulvern kann je nach Ausgangszustand der Rohstoffe in Festphasensynthese und Flüssigphasensynthese eingeteilt werden.

Welche Methoden kommen bei der Festphasensynthese zum Einsatz? 

Die Festphasensynthese umfasst hauptsächlich carbothermische Reduktion und direkte Silizium-Kohlenstoff-Reaktionen. Das carbothermische Reduktionsverfahren umfasst das Acheson-Verfahren, das Vertikalofenverfahren und das Hochtemperatur-Drehrohrofenverfahren. Der von Acheson erfundene Acheson-Prozess beinhaltet die Reduktion von Siliziumdioxid in Quarzsand durch Kohlenstoff in einem Acheson-Elektroofen, angetrieben durch eine elektrochemische Reaktion bei hoher Temperatur und starken elektrischen Feldern. Dieses Verfahren, dessen industrielle Produktion sich über ein Jahrhundert erstreckt, liefert relativ grobe SiC-Partikel und hat einen hohen Stromverbrauch, von dem ein großer Teil als Wärme verloren geht.

In den 1970er Jahren führten Verbesserungen des Acheson-Verfahrens in den 1980er Jahren zu Entwicklungen wie Vertikalöfen und Hochtemperatur-Drehöfen zur Synthese von β-SiC-Pulver, mit weiteren Fortschritten in den 1990er Jahren. Ohsaki et al. fanden heraus, dass das beim Erhitzen einer Mischung aus SiO2 und Si-Pulver freigesetzte SiO-Gas mit Aktivkohle reagiert, wobei erhöhte Temperatur und längere Haltezeit die spezifische Oberfläche des Pulvers verringern, da mehr SiO-Gas freigesetzt wird. Bei der direkten Silizium-Kohlenstoff-Reaktionsmethode, einer Anwendung der sich selbst ausbreitenden Hochtemperatursynthese, wird der Reaktantenkörper mit einer externen Wärmequelle gezündet und die bei der Synthese freigesetzte chemische Reaktionswärme zur Aufrechterhaltung des Prozesses genutzt. Diese Methode zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch, einfache Ausrüstung und Prozesse sowie eine hohe Produktivität aus, obwohl es schwierig ist, die Reaktion zu kontrollieren. Die schwache exotherme Reaktion zwischen Silizium und Kohlenstoff erschwert das Zünden und Aufrechterhalten bei Raumtemperatur und erfordert zusätzliche Energiequellen wie chemische Öfen, Gleichstrom, Vorheizen oder elektrische Hilfsfelder.

Wie wird SiC-Pulver mit Flüssigphasenmethoden synthetisiert? 

Zu den Flüssigphasensynthesemethoden gehören Sol-Gel- und Polymerzersetzungstechniken. Ewell et al. schlug zunächst die Sol-Gel-Methode vor, die später um 1952 auf die Keramikherstellung angewendet wurde. Bei dieser Methode werden flüssige chemische Reagenzien zur Herstellung von Alkoxidvorläufern verwendet, die bei niedrigen Temperaturen gelöst werden, um eine homogene Lösung zu bilden. Durch Zugabe geeigneter Geliermittel wird das Alkoxid hydrolysiert und polymerisiert, um ein stabiles Solsystem zu bilden. Nach längerem Stehen oder Trocknen werden Si und C auf molekularer Ebene gleichmäßig vermischt. Das Erhitzen dieser Mischung auf 1460–1600 °C löst eine carbothermische Reduktionsreaktion aus, wodurch feines SiC-Pulver entsteht. Zu den wichtigsten Parametern, die während der Sol-Gel-Verarbeitung kontrolliert werden müssen, gehören der pH-Wert der Lösung, die Konzentration, die Reaktionstemperatur und die Zeit. Dieses Verfahren erleichtert die homogene Zugabe verschiedener Spurenkomponenten, hat jedoch Nachteile wie gesundheitsschädliche Rückstände von Hydroxyl und organischen Lösungsmitteln, hohe Rohstoffkosten und eine erhebliche Schrumpfung während der Verarbeitung.

Die Hochtemperaturzersetzung organischer Polymere ist eine weitere effektive Methode zur Herstellung von SiC:

Erhitzen gelförmiger Polysiloxane, um sie in kleine Monomere zu zersetzen, wodurch letztendlich SiO2 und C entstehen, die dann einer carbothermischen Reduktion unterzogen werden, um SiC-Pulver zu erzeugen.

Erhitzen von Polycarbosilanen, um sie in kleine Monomere zu zersetzen und so ein Gerüst zu bilden, das letztendlich zu SiC-Pulver führt. Neuere Sol-Gel-Techniken haben die Herstellung von Sol/Gel-Materialien auf SiO2-Basis ermöglicht und eine homogene Verteilung der Sinter- und Zähigkeitsadditive im Gel gewährleistet, was die Bildung von Hochleistungs-SiC-Keramikpulvern erleichtert.

Warum gilt druckloses Sintern als vielversprechende Technik für?SiC-Keramik?

Druckloses Sintern gilt als vielversprechende MethodeSintern von SiC. Je nach Sintermechanismus kann man zwischen Festphasensintern und Flüssigphasensintern unterscheiden. S. Proehazka erreichte eine relative Dichte von über 98 % für SiC-Sinterkörper, indem er ultrafeinem β-SiC-Pulver (mit einem Sauerstoffgehalt unter 2 %) entsprechende Mengen B und C zusetzte und bei 2020 °C unter Normaldruck sinterte. A. Mulla et al. verwendeten Al2O3 und Y2O3 als Additive, um 0,5 μm β-SiC (mit einer kleinen Menge SiO2 auf der Partikeloberfläche) bei 1850–1950 °C zu sintern und dabei eine relative Dichte von mehr als 95 % der theoretischen Dichte und feine Körner im Durchschnitt zu erreichen Größe von 1,5 μm.

Wie verbessert sich das Heißpresssintern?SiC-Keramik?

Nadeau wies darauf hin, dass reines SiC nur bei extrem hohen Temperaturen ohne Sinterhilfsmittel dicht gesintert werden kann, was viele dazu veranlasste, das Heißpresssintern zu erforschen. Zahlreiche Studien haben die Auswirkungen der Zugabe von B, Al, Ni, Fe, Cr und anderen Metallen auf die Verdichtung von SiC untersucht, wobei sich Al und Fe als die wirksamsten zur Förderung des Heißpresssinterns erwiesen haben. F.F. Lange untersuchte die Leistung von heißgepresstem SiC mit unterschiedlichen Mengen an Al2O3 und führte die Verdichtung auf einen Auflösungs-Neuausfällungsmechanismus zurück. Durch Heißpresssintern können jedoch nur einfach geformte SiC-Bauteile hergestellt werden, und die Produktmenge in einem einzelnen Sinterprozess ist begrenzt, sodass es für die industrielle Produktion weniger geeignet ist.

Was sind die Vorteile und Grenzen des Reaktionssinterns für SiC?

Reaktionsgesintertes SiC, auch bekannt als selbstgebundenes SiC, beinhaltet die Reaktion eines porösen Grünkörpers mit entweder gasförmigen oder flüssigen Phasen, um die Masse zu erhöhen, die Porosität zu verringern und ihn zu einem starken, maßgenauen Produkt zu sintern. Der Prozess umfasst das Mischen von α-SiC-Pulver und Graphit in einem bestimmten Verhältnis, das Erhitzen auf etwa 1650 °C und die Infiltration des Grünkörpers mit geschmolzenem Si oder gasförmigem Si, das mit Graphit unter Bildung von β-SiC reagiert und das vorhandene α-SiC bindet Partikel. Durch die vollständige Si-Infiltration entsteht ein völlig dichter, formstabiler Reaktionssinterkörper. Im Vergleich zu anderen Sinterverfahren kommt es beim Reaktionssintern zu minimalen Dimensionsänderungen während der Verdichtung, was die Herstellung präziser Bauteile ermöglicht. Allerdings führt die Anwesenheit einer beträchtlichen Menge SiC im Sinterkörper zu einer schlechteren Hochtemperaturleistung.

Zusammenfassend:SiC-KeramikDie durch druckloses Sintern, Heißpresssintern, heißisostatisches Pressen und Reaktionssintern hergestellten Materialien weisen unterschiedliche Leistungsmerkmale auf.SiC-Keramikaus Heißpressen und heißisostatischem Pressen weisen im Allgemeinen höhere Sinterdichten und Biegefestigkeiten auf, während reaktionsgesintertes SiC relativ niedrigere Werte aufweist. Die mechanischen Eigenschaften vonSiC-Keramikvariieren auch mit unterschiedlichen Sinterzusätzen. Drucklos, heißgepresst und reaktionsgesintertSiC-Keramikweisen eine gute Beständigkeit gegenüber starken Säuren und Basen auf, reaktionsgesintertes SiC weist jedoch eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit gegenüber starken Säuren wie HF auf. In Bezug auf die Hochtemperaturleistung fast alleSiC-Keramikzeigen eine Festigkeitsverbesserung unterhalb von 900 °C, während die Biegefestigkeit von reaktionsgesintertem SiC oberhalb von 1400 °C aufgrund der Anwesenheit von freiem Si stark abnimmt. Die Hochtemperaturleistung des drucklosen und heißisostatischen PressensSiC-Keramikhängt in erster Linie von der Art der verwendeten Zusatzstoffe ab.

Während jede Sintermethode fürSiC-Keramikhat seine Vorzüge, der schnelle Fortschritt der Technologie erfordert jedoch ständige VerbesserungenSiC-KeramikLeistung, Fertigungstechniken und Kostenreduzierung. Erreichen des Sinterns bei niedriger TemperaturSiC-Keramikist entscheidend für die Senkung des Energieverbrauchs und der Produktionskosten und fördert so die Industrialisierung vonSiC-KeramikProdukte.**

Wir bei Semicorex sind spezialisiert aufSiC-Keramikund andere Keramikmaterialien, die in der Halbleiterherstellung verwendet werden. Wenn Sie Fragen haben oder weitere Informationen benötigen, zögern Sie bitte nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen.

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