탄화 규소 세라믹 및 다양한 제조 공정

실리콘 카바이드(SiC) 세라믹정밀 베어링, 씰, 가스 터빈 로터, 광학 부품, 고온 노즐, 열 교환기 부품 및 원자로 재료와 같은 까다로운 응용 분야에 널리 사용됩니다. 이러한 광범위한 사용은 높은 내마모성, 우수한 열 전도성, 우수한 내산화성 및 뛰어난 고온 기계적 특성을 포함한 탁월한 특성에서 비롯됩니다. 그러나 SiC 고유의 강력한 공유 결합과 낮은 확산 계수는 소결 공정에서 고밀도화를 달성하는 데 중요한 과제를 제시합니다. 결과적으로, 소결 공정은 고성능을 얻기 위한 중요한 단계가 됩니다.SiC 세라믹.

이 문서에서는 밀도가 높은 제품을 생산하는 데 사용되는 다양한 제조 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.RBSiC/PSSiC/RSiC 독특한 특성과 용도를 강조하는 세라믹:

1. 반응 보세 실리콘 카바이드(RBSiC)

RBSiC탄화규소 분말(일반적으로 1~10μm)을 탄소와 혼합하여 혼합물을 성형체로 만든 다음 실리콘 침투를 위해 고온에 가하는 작업이 포함됩니다. 이 과정에서 실리콘은 탄소와 반응하여 SiC를 형성하고, 이는 기존 SiC 입자와 결합하여 궁극적으로 치밀화를 달성합니다. 두 가지 주요 실리콘 침투 방법이 활용됩니다.

액체 실리콘 침투: 실리콘은 녹는점(1450~1470°C) 이상으로 가열되어 용융된 실리콘이 모세관 작용을 통해 다공성 녹색 몸체에 침투할 수 있습니다. 용융된 실리콘은 탄소와 반응하여 SiC를 형성합니다.

증기 실리콘 침투: 실리콘은 녹는점 이상으로 가열되어 실리콘 증기를 생성합니다. 이 증기는 성형체에 침투한 후 탄소와 반응하여 SiC를 형성합니다.

공정 흐름: SiC 분말 + C 분말 + 바인더 → 성형 → 건조 → 제어된 분위기에서 바인더 소진 → 고온 Si 침투 → 후처리

(1) 주요 고려사항:

작동 온도RBSiC재료의 잔류 유리 실리콘 함량에 의해 제한됩니다. 일반적으로 최대 작동 온도는 약 1400°C입니다. 이 온도 이상에서는 유리 실리콘이 녹아 재료의 강도가 급격히 저하됩니다.

액체 실리콘 침투는 더 높은 잔류 실리콘 함량(일반적으로 10-15%, 때로는 15% 초과)을 남기는 경향이 있으며, 이는 최종 제품의 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 대조적으로, 증기 실리콘 침투는 잔류 실리콘 함량을 더 잘 제어할 수 있게 해줍니다. 성형체의 다공성을 최소화함으로써 소결 후 잔류 실리콘 함량을 10% 미만으로 줄일 수 있으며, 세심한 공정 제어를 통해 8% 미만까지 줄일 수 있습니다. 이러한 감소로 인해 최종 제품의 전반적인 성능이 크게 향상됩니다.

다음 사항에 유의하는 것이 중요합니다.RBSiC, 침투 방법에 관계없이 일부 잔류 실리콘(8%에서 15% 이상)이 필연적으로 포함됩니다. 그러므로,RBSiC단상 탄화규소 세라믹이 아니라 "실리콘 + 탄화규소" 복합재입니다. 따라서,RBSiC~로도 불린다.SiSiC(실리콘 탄화규소 복합재).

(2) 장점과 응용:

RBSiC다음과 같은 여러 가지 이점을 제공합니다.

낮은 소결 온도: 이는 에너지 소비와 생산 비용을 줄입니다.

비용 효율성: 공정이 상대적으로 간단하고 쉽게 구할 수 있는 원자재를 사용하므로 경제성에 기여합니다.

고밀도화:RBSiC고밀도 수준을 달성하여 기계적 특성이 향상됩니다.

Near-Net 성형: 탄소 및 탄화규소 프리폼은 복잡한 형상으로 사전 가공될 수 있으며, 소결 중 최소 수축(일반적으로 3% 미만)으로 탁월한 치수 정확도가 보장됩니다. 이는 값비싼 소결 후 가공의 필요성을 줄여줍니다.RBSiC특히 크고 복잡한 모양의 부품에 적합합니다.

이러한 장점으로 인해,RBSiC주로 제조를 위한 다양한 산업 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

용광로 구성 요소: 라이닝, 도가니 및 내화갑.

우주 거울:RBSiC낮은 열팽창계수와 높은 탄성률로 인해 우주 기반 거울에 이상적인 소재입니다.

고온 열 교환기: Reel(영국)과 같은 회사는 고온 열 교환기 사용을 개척했습니다.RBSiC화학 처리에서 발전에 이르기까지 다양한 응용 분야의 고온 열 교환기에 사용됩니다. Asahi Glass(일본)도 이 기술을 채택하여 길이 0.5~1m 범위의 열교환 튜브를 생산하고 있습니다.

또한, 반도체 산업의 웨이퍼 대형화 및 처리 온도 증가에 대한 수요 증가로 인해 고순도 웨이퍼 개발이 촉진되었습니다.RBSiC구성 요소. 고순도 SiC 분말과 실리콘을 사용하여 제조된 이들 부품은 전자관 및 반도체 웨이퍼 공정 장비용 지지 지그에서 석영 유리 부품을 점차 대체하고 있습니다.

확산로용 Semicorex RBSiC 웨이퍼 보트

(3) 제한사항:

장점에도 불구하고,RBSiC특정 제한 사항이 있습니다.

잔여 실리콘: 앞서 언급한 바와 같이,RBSiC프로세스는 본질적으로 최종 제품 내에 잔여 유리 실리콘을 생성합니다. 이 잔류 실리콘은 다음을 포함하여 재료의 특성에 부정적인 영향을 미칩니다.

다른 제품에 비해 강도 및 내마모성이 감소함SiC 세라믹.

제한된 내식성: 유리 실리콘은 알칼리성 용액과 불화수소산과 같은 강산의 공격을 받기 쉽습니다.RBSiC그러한 환경에서의 사용.

낮은 고온 강도: 유리 실리콘이 존재하므로 최대 작동 온도가 약 1350~1400°C로 제한됩니다.

2. 무압력 소결 - PSSiC

탄화규소의 무압력 소결적절한 소결 보조제를 추가하여 불활성 분위기에서 외부 압력을 가하지 않고 2000~2150°C의 온도에서 다양한 모양과 크기의 샘플을 치밀화합니다. SiC의 무압력 소결 기술은 성숙해졌으며 생산 비용이 저렴하고 제품의 모양과 크기에 제한이 없다는 장점이 있습니다. 특히, 고상 소결 SiC 세라믹은 밀도가 높고, 미세 구조가 균일하며, 종합적인 재료 특성이 우수하여 내마모성 및 내식성 밀봉 링, 슬라이딩 베어링 및 기타 응용 분야에 널리 사용됩니다.

탄화규소의 무압 소결 공정은 고상으로 나눌 수 있습니다소결 탄화규소(SSiC)액상 소결 탄화규소(LSiC) 등이 있다.

무압력 고상 소결 탄화규소의 미세구조 및 결정립계

고상소결은 1974년 미국 과학자 프로차즈카(Prochazka)가 처음 발명했다. 그는 서브미크론 β-SiC에 소량의 붕소와 탄소를 첨가해 탄화규소의 무압소결을 실현하고 밀도가 95%에 가까운 치밀한 소결체를 얻었다. 이론적 가치. 이후 W. Btcker와 H. Hansner는 α-SiC를 원료로 사용하고 붕소와 탄소를 첨가하여 탄화규소의 치밀화를 달성했습니다. 이후의 많은 연구에서는 붕소 및 붕소 화합물과 Al 및 Al 화합물 모두 탄화규소와 고용체를 형성하여 소결을 촉진할 수 있음이 밝혀졌습니다. 탄소를 첨가하면 탄화규소 표면의 이산화규소와 반응하여 표면에너지를 높여 소결하는데 유리하다. 고상 소결 탄화규소는 기본적으로 액상이 존재하지 않고 상대적으로 "깨끗한" 결정립 경계를 가지며, 결정립은 고온에서 쉽게 성장합니다. 따라서 파괴는 입계를 통과하며 강도와 파괴 인성은 일반적으로 높지 않습니다. 그러나 "깨끗한" 결정립 경계로 인해 고온 강도는 온도가 증가해도 변하지 않으며 일반적으로 1600°C까지 안정적으로 유지됩니다.

탄화규소의 액상 소결은 1990년대 초 미국 과학자 M.A. Mulla에 의해 발명되었습니다. 주요 소결 첨가제는 Y2O3-Al2O3입니다. 액상소결은 고상소결에 비해 소결온도가 낮고 입자크기가 작은 장점이 있다.

고상 소결의 주요 단점은 필요한 높은 소결 온도(>2000°C), 원료에 대한 높은 순도 요구 사항, 소결체의 낮은 파괴 인성, 균열에 대한 파괴 강도의 강한 민감성입니다. 구조적으로 입자는 거칠고 고르지 않으며 파단 형태는 일반적으로 입상 형태입니다. 최근 몇 년 동안 국내외의 탄화규소 세라믹 재료에 대한 연구는 액상 소결에 중점을 두고 있습니다. 액상 소결은 일정량의 다성분 저공융 산화물을 소결 보조제로 사용하여 달성됩니다. 예를 들어, Y2O3의 이원 및 삼원 보조제는 SiC와 그 복합재가 액상 소결을 나타내도록 하여 더 낮은 온도에서 재료의 이상적인 치밀화를 달성할 수 있습니다. 동시에, 입계 액상의 도입과 독특한 계면 결합력의 약화로 인해 세라믹 재료의 파괴 ​​모드가 입계 파괴 모드로 바뀌고 세라믹 재료의 파괴 ​​인성이 크게 향상됩니다. .

3. 재결정화된 탄화규소 - RSiC

재결정 탄화규소(RSiC)거친 입자와 미세한 입자의 두 가지 크기를 지닌 고순도 탄화규소(SiC) 분말로 만든 고순도 SiC 소재입니다. 소결조제를 첨가하지 않고 증발-축합 메커니즘을 통해 고온(2200~2450°C)에서 소결합니다.

참고: 소결 보조제 없이 소결 목의 성장은 일반적으로 표면 확산 또는 증발-응축 물질 전달을 통해 달성됩니다. 고전적인 소결 이론에 따르면 이러한 물질 전달 방법 중 어느 것도 접촉하는 입자의 질량 중심 사이의 거리를 줄일 수 없으므로 거시적 규모에서 수축이 발생하지 않습니다. 이는 비치밀화 과정입니다. 이 문제를 해결하고 고밀도 탄화 규소 세라믹을 얻기 위해 사람들은 열을 가하거나 소결 보조제를 첨가하거나 열, 압력 및 소결 보조제의 조합을 사용하는 등 많은 조치를 취했습니다.

재결정된 탄화규소 파단면의 SEM 이미지

특성과 응용:

RSiC99% 이상의 SiC를 함유하고 기본적으로 입계 불순물이 없으며 고온 강도, 내식성, 내열 충격성 등 SiC의 우수한 특성을 많이 유지합니다. 따라서 고온 가마 가구, 연소 노즐, 태양열 변환기, 디젤 차량 배기 가스 정화 장치, 금속 제련 및 성능 요구 사항이 매우 까다로운 기타 환경에 널리 사용됩니다.

증발-축합 소결 메커니즘으로 인해 소성 과정에서 수축이 발생하지 않으며, 잔류응력이 발생하여 제품의 변형이나 균열이 발생하지 않습니다.

RSiC슬립캐스팅, 겔캐스팅, 압출, 프레싱 등 다양한 방법으로 성형이 가능합니다. 소성과정에서 수축이 없기 때문에 생체 치수를 잘 관리하면 정확한 형상과 크기의 제품을 쉽게 얻을 수 있습니다.

해고된재결정 SiC 제품약 10%-20%의 잔여 기공이 포함되어 있습니다. 재료의 다공성은 성형체 자체의 다공성에 크게 좌우되며 소결 온도에 따라 크게 변하지 않아 다공도 제어의 기초를 제공합니다.

이러한 소결 메커니즘에 따라 재료는 서로 연결된 많은 기공을 가지며 이는 다공성 재료 분야에서 광범위한 응용 분야를 갖습니다. 예를 들어, 배기가스 여과 및 화석 연료 공기 여과 분야에서 기존의 다공성 제품을 대체할 수 있습니다.

RSiC2150~2300°C의 고온에서 산화물이나 금속 불순물이 휘발되어 유리상이나 불순물이 없이 매우 깨끗하고 깨끗한 결정립계를 가지고 있습니다. 증발-축합 소결 메커니즘은 SiC(SiC 함량)를 정제할 수도 있습니다.RSiC99% 이상) SiC의 우수한 특성을 많이 보유하고 있어 고온가마 가구, 연소노즐, 태양열 변환기, 금속 제련 등 고온 강도, 내식성, 내열충격성이 요구되는 용도에 적합합니다. .**