Processo de Preparação de Cerâmica SiC

Cerâmica de carboneto de silícioestão entre os materiais mais utilizados em cerâmica estrutural. Devido à sua expansão térmica relativamente baixa, alta resistência específica, alta condutividade térmica e dureza, resistência ao desgaste e à corrosão e, o mais importante, sua capacidade de manter um bom desempenho mesmo em temperaturas tão altas quanto 1650°C, as cerâmicas de carboneto de silício são amplamente utilizadas em vários campos.

Os métodos comuns de sinterização para cerâmicas de carboneto de silício incluem: sinterização sem pressão, sinterização por reação e sinterização por recristalização.

1. SiC sinterizado por reação (RBSiC)

A sinterização por reação envolve misturar uma fonte de carbono com pó de carboneto de silício, formando um compacto, e então permitir que o silício líquido se infiltre no compacto em alta temperatura e reaja com o carbono para formar β-SiC, alcançando a densificação. Apresenta encolhimento próximo de zero, tornando-o adequado para peças grandes e complexas. Ele também possui baixa temperatura de sinterização e baixo custo, mas o silício livre pode reduzir o desempenho em altas temperaturas.

O SiC sinterizado por reação é uma cerâmica estrutural altamente atraente com excelentes propriedades mecânicas, como alta resistência, resistência à corrosão e resistência à oxidação. Além disso, apresenta baixa temperatura de sinterização, baixo custo de sinterização e formação quase final.

O processo de sinterização por reação é simples. Envolve misturar uma fonte de carbono e pó de SiC para preparar um corpo verde e, em seguida, sob força capilar de alta temperatura, infiltrar silício fundido no corpo verde poroso. Este silício fundido reage com a fonte de carbono dentro do corpo verde para formar uma fase β-SiC, que simultaneamente se liga firmemente ao α-SiC original. Os poros restantes são preenchidos com silício fundido, conseguindo assim a densificação do material cerâmico. Durante a sinterização, o tamanho é reduzido, alcançando uma formação quase final, permitindo a fabricação de formatos complexos conforme necessário. Portanto, é amplamente utilizado na produção industrial de diversos produtos cerâmicos.

Em termos de aplicações, materiais de móveis de forno de alta temperatura, tubos radiantes, trocadores de calor e bicos de dessulfuração são aplicações típicas de cerâmica de carboneto de silício sinterizada por reação. Além disso, devido ao baixo coeficiente de expansão térmica do carboneto de silício, ao alto módulo de elasticidade e às características de formação de formato quase final, o carboneto de silício sinterizado por reação também é um material ideal para espelhos espaciais. Além disso, com o aumento do tamanho do wafer e da temperatura do tratamento térmico, o carboneto de silício sinterizado por reação está gradualmente substituindo o vidro de quartzo. Componentes de carboneto de silício (SiC) de alta pureza contendo uma fase parcial de silício podem ser produzidos usando pó de carboneto de silício de alta pureza e silício de alta pureza. Esses componentes são amplamente utilizados em acessórios de suporte para equipamentos de fabricação de tubos de elétrons e wafers semicondutores.

2. SiC sinterizado sem pressão (SSiC)

A sinterização sem pressão é dividida em sinterização em fase sólida e em fase líquida: A sinterização em fase sólida, com a adição de aditivos B/C, atinge a densificação por difusão em fase sólida em altas temperaturas, resultando em bom desempenho em altas temperaturas, mas com granulação grosseira. A sinterização em fase líquida utiliza aditivos como Al2O3-Y2O3 para formar uma fase líquida, diminuindo a temperatura, resultando em grãos mais finos e maior tenacidade. Essa tecnologia é de baixo custo, permite diversos formatos e é adequada para componentes estruturais de precisão, como anéis de vedação, rolamentos e armaduras à prova de balas.

A sinterização sem pressão é considerada o método de sinterização mais promissor para o SiC. Este método é adaptável a vários processos de conformação, tem custos de produção mais baixos, não é limitado pela forma ou tamanho e é o método de sinterização mais comum e fácil para produção em massa.

A sinterização sem pressão envolve a adição de boro e carbono ao β-SiC contendo vestígios de oxigênio e sinterização a cerca de 2.000 ℃ em uma atmosfera inerte para obter um corpo sinterizado de carboneto de silício com 98% de densidade teórica. Este método geralmente tem duas abordagens: sinterização no estado sólido e sinterização no estado líquido. O carboneto de silício sinterizado em estado sólido sem pressão exibe alta densidade e pureza e, em particular, possui alta condutividade térmica exclusiva e excelente resistência a altas temperaturas, facilitando o processamento em dispositivos cerâmicos de grande porte e formatos complexos.

Produtos de carboneto de silício sinterizado sem pressão: (a) vedações cerâmicas; (b) rolamentos cerâmicos; (c) placas à prova de balas

Em termos de aplicações, a sinterização sem pressão de SiC é simples de operar, moderadamente econômica e adequada para a produção em massa de peças cerâmicas de vários formatos. É amplamente utilizado em anéis de vedação resistentes ao desgaste e à corrosão, rolamentos deslizantes, etc. Além disso, as cerâmicas de carboneto de silício sinterizadas sem pressão são amplamente utilizadas em armaduras à prova de balas, como para proteção de veículos e navios, bem como em cofres civis e caminhões blindados, devido à sua alta dureza, baixa gravidade específica, bom desempenho balístico, capacidade de absorver mais energia após quebra e baixo custo. Como material de armadura à prova de balas, apresenta excelente resistência a múltiplos impactos e seu efeito protetor geral é superior à cerâmica comum de carboneto de silício. Quando usado em armaduras protetoras de cerâmica cilíndricas leves, seu ponto de fratura pode atingir mais de 65 toneladas, demonstrando desempenho de proteção significativamente melhor do que armaduras protetoras de cerâmica cilíndricas usando cerâmica comum de carboneto de silício.

3. Cerâmica SiC sinterizada recristalizada (R-SiC)

A sinterização por recristalização envolve partículas graduadas de SiC grossas e finas e tratamento em alta temperatura. As partículas finas evaporam e condensam no pescoço das partículas grossas, formando uma estrutura de ponte sem impurezas nos limites dos grãos. O produto possui porosidade de 10-20%, boa condutividade térmica e resistência ao choque térmico, mas baixa resistência. Não tem encolhimento de volume e é adequado para móveis porosos de fornos, etc.

A tecnologia de sinterização por recristalização tem atraído ampla atenção porque não requer a adição de auxiliares de sinterização. A sinterização por recristalização é o método mais comum para preparar dispositivos cerâmicos de SiC de altíssima pureza e grande escala. O processo de preparação da cerâmica de SiC sinterizada recristalizada (R-SiC) é o seguinte: pós de SiC grossos e finos de diferentes tamanhos de partículas são misturados em uma certa proporção e preparados em espaços verdes por meio de processos como fundição de barbotina, moldagem e extrusão. Em seguida, os espaços em branco verdes são queimados a uma alta temperatura de 2.200 ~ 2.450 ℃ sob uma atmosfera inerte. Finalmente, as partículas finas evaporam gradualmente em uma fase gasosa e condensam nos pontos de contato com as partículas grossas, formando a cerâmica R-SiC.

O R-SiC se forma em altas temperaturas e tem uma dureza que perde apenas para o diamante. Ele retém muitas das excelentes propriedades do SiC, como alta resistência a altas temperaturas, forte resistência à corrosão, excelente resistência à oxidação e boa resistência ao choque térmico. Portanto, é um material candidato ideal para móveis de fornos de alta temperatura, trocadores de calor ou bicos de combustão. Nas áreas aeroespacial e militar, o carboneto de silício recristalizado é usado para fabricar componentes estruturais de veículos aeroespaciais, como motores, aletas traseiras e fuselagens. Devido às suas propriedades mecânicas superiores, resistência à corrosão e resistência ao impacto, pode melhorar significativamente o desempenho e a vida útil dos veículos aeroespaciais.

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