Uma revisão de 9 técnicas de sinterização para cerâmica de carboneto de silício

Carboneto de silício (SiC), uma cerâmica estrutural proeminente, é conhecida por suas propriedades excepcionais, incluindo resistência a altas temperaturas, dureza, módulo de elasticidade, resistência ao desgaste, condutividade térmica e resistência à corrosão. Esses atributos o tornam adequado para uma ampla gama de aplicações, desde usos industriais tradicionais em móveis de fornos de alta temperatura, bicos de queimadores, trocadores de calor, anéis de vedação e rolamentos deslizantes, até aplicações avançadas como armadura balística, espelhos espaciais, mandris de wafer semicondutores, e revestimento de combustível nuclear.

O processo de sinterização é crucial na determinação das propriedades finais doCerâmica SiC. Extensas pesquisas levaram ao desenvolvimento de várias técnicas de sinterização, desde métodos estabelecidos como sinterização por reação, sinterização sem pressão, sinterização por recristalização e prensagem a quente, até inovações mais recentes, como sinterização por plasma spark, sinterização flash e sinterização por pressão oscilatória.

Aqui está uma visão mais detalhada de nove proeminentesCerâmica SiCtécnicas de sinterização:

1. Prensagem a quente:

Iniciado por Alliegro et al. na Norton Company, a prensagem a quente envolve a aplicação simultânea de calor e pressão a umSiC em pócompacto dentro de uma matriz. Este método permite densificação e modelagem simultâneas. Embora eficaz, a prensagem a quente requer equipamentos complexos, matrizes especializadas e controle rigoroso do processo. Suas limitações incluem alto consumo de energia, complexidade limitada de formato e altos custos de produção.

2. Sinterização de reação:

Proposta pela primeira vez por P. Popper na década de 1950, a sinterização por reação envolve a misturaSiC em pócom uma fonte de carbono. O corpo verde, formado por fundição de barbotina, prensagem a seco ou prensagem isostática a frio, passa por um processo de infiltração de silício. O aquecimento acima de 1500°C em vácuo ou atmosfera inerte derrete o silício, que se infiltra no corpo poroso por ação capilar. O silício líquido ou gasoso reage com o carbono, formando β-SiC in-situ que se liga às partículas de SiC existentes, resultando em uma cerâmica densa.

O SiC ligado por reação apresenta baixas temperaturas de sinterização, economia e alta densificação. A contração insignificante durante a sinterização o torna particularmente adequado para peças grandes e de formato complexo. As aplicações típicas incluem móveis de forno de alta temperatura, tubos radiantes, trocadores de calor e bicos de dessulfurização.

Rota do Processo Semicorex do Barco RBSiC

3. Sinterização sem pressão:

Desenvolvido por S. Prochazka et al. na GE em 1974, a sinterização sem pressão elimina a necessidade de pressão externa. A densificação ocorre a 2.000-2.150°C sob pressão atmosférica (1,01×105 Pa) em atmosfera inerte com auxílio de aditivos de sinterização. A sinterização sem pressão pode ser ainda categorizada em sinterização de estado sólido e de fase líquida.

A sinterização sem pressão no estado sólido atinge altas densidades (3,10-3,15 g/cm3) sem fases de vidro intergranulares, resultando em propriedades mecânicas excepcionais em alta temperatura, com temperaturas de uso atingindo 1600°C. No entanto, o crescimento excessivo de grãos em altas temperaturas de sinterização pode impactar negativamente a resistência.

A sinterização sem pressão em fase líquida amplia o escopo de aplicação da cerâmica SiC. A fase líquida, formada pela fusão de um único componente ou pela reação eutética de múltiplos componentes, melhora a cinética de densificação ao fornecer um caminho de alta difusividade, levando a temperaturas de sinterização mais baixas em comparação com a sinterização no estado sólido. O tamanho do grão fino e a fase líquida intergranular residual no SiC sinterizado em fase líquida promovem uma transição da fratura transgranular para a intergranular, aumentando a resistência à flexão e a tenacidade à fratura.

A sinterização sem pressão é uma tecnologia madura com vantagens como economia e versatilidade de formato. O SiC sinterizado em estado sólido, em particular, oferece alta densidade, microestrutura uniforme e excelente desempenho geral, tornando-o adequado para componentes resistentes ao desgaste e à corrosão, como anéis de vedação e rolamentos deslizantes.

Armadura de carboneto de silício sinterizado sem pressão

4. Sinterização por recristalização:

Na década de 1980, Kriegesmann demonstrou a fabricação de materiais recristalizados de alto desempenhoCerâmica SiCpor fundição de barbotina seguida de sinterização a 2450°C. Esta técnica foi rapidamente adotada para produção em larga escala pela FCT (Alemanha) e Norton (EUA).

O SiC recristalizado envolve a sinterização de um corpo verde formado pelo empacotamento de partículas de SiC de diferentes tamanhos. Partículas finas, distribuídas uniformemente nos interstícios das partículas mais grossas, evaporam e condensam nos pontos de contato das partículas maiores em temperaturas acima de 2.100°C sob uma atmosfera controlada. Este mecanismo de evaporação-condensação forma novos limites de grão nos pescoços das partículas, levando ao crescimento dos grãos, formação de pescoço e um corpo sinterizado com porosidade residual.

Os principais recursos do SiC recristalizado incluem:

Encolhimento Mínimo: A ausência de contorno de grão ou difusão de volume durante a sinterização resulta em encolhimento insignificante.

Modelagem Near-Net: A densidade sinterizada permanece quase idêntica à densidade do corpo verde.

Limites de grãos limpos: O SiC recristalizado exibe limites de grãos limpos, desprovidos de fases vítreas ou impurezas.

Porosidade residual: O corpo sinterizado normalmente retém 10-20% de porosidade.

5. Prensagem Isostática a Quente (HIP):

O HIP utiliza pressão de gás inerte (normalmente argônio) para aumentar a densificação. O pó compacto de SiC, selado dentro de um recipiente de vidro ou metal, é submetido a pressão isostática dentro de um forno. À medida que a temperatura sobe até a faixa de sinterização, um compressor mantém uma pressão inicial do gás de vários megapascais. Esta pressão aumenta progressivamente durante o aquecimento, atingindo até 200 MPa, eliminando efetivamente os poros internos e alcançando alta densidade.

6. Sinterização por Plasma de Faísca (SPS):

SPS é uma nova técnica de metalurgia do pó para a produção de materiais densos, incluindo metais, cerâmicas e compósitos. Ele emprega pulsos elétricos de alta energia para gerar uma corrente elétrica pulsada e acender o plasma entre as partículas de pó. Este aquecimento localizado e geração de plasma ocorrem em temperaturas relativamente baixas e durações curtas, permitindo uma sinterização rápida. O processo remove eficazmente os contaminantes da superfície, ativa as superfícies das partículas e promove uma rápida densificação. O SPS tem sido empregado com sucesso para fabricar cerâmicas densas de SiC usando Al2O3 e Y2O3 como auxiliares de sinterização.

7. Sinterização por Microondas:

Ao contrário do aquecimento convencional, a sinterização por micro-ondas aproveita a perda dielétrica de materiais dentro de um campo eletromagnético de micro-ondas para obter aquecimento volumétrico e sinterização. Este método oferece vantagens como temperaturas de sinterização mais baixas, taxas de aquecimento mais rápidas e melhor densificação. O melhor transporte de massa durante a sinterização por microondas também promove microestruturas de granulação fina.

8. Sinterização Flash:

A sinterização flash (FS) ganhou atenção por seu baixo consumo de energia e cinética de sinterização ultrarrápida. O processo envolve a aplicação de uma voltagem através de um corpo verde dentro de um forno. Ao atingir uma temperatura limite, um aumento repentino e não linear na corrente gera um rápido aquecimento Joule, levando a uma densificação quase instantânea em segundos.

9. Sinterização por Pressão Oscilatória (OPS):

A introdução de pressão dinâmica durante a sinterização interrompe o entrelaçamento e a aglomeração das partículas, reduzindo o tamanho e a distribuição dos poros. Isso resulta em microestruturas altamente densas, de granulação fina e homogêneas, produzindo cerâmicas confiáveis ​​e de alta resistência. Lançado pela equipe de Xie Zhipeng na Universidade de Tsinghua, o OPS substitui a pressão estática constante na sinterização convencional por pressão oscilatória dinâmica.

OPS oferece diversas vantagens:

Densidade verde aprimorada: A pressão oscilatória contínua promove o rearranjo das partículas, aumentando significativamente a densidade verde do pó compacto.

Maior força motriz de sinterização: OPS fornece uma maior força motriz para densificação, melhorando a rotação dos grãos, o deslizamento e o fluxo plástico. Isto é particularmente benéfico durante os estágios posteriores da sinterização, onde a frequência e amplitude de oscilação controladas eliminam efetivamente os poros residuais nos limites dos grãos.

Fotografia do equipamento de sinterização por pressão oscilatória

Comparação de técnicas comuns:

Entre essas técnicas, a sinterização por reação, a sinterização sem pressão e a sinterização por recristalização são amplamente empregadas para a produção industrial de SiC, cada uma com vantagens únicas, resultando em microestruturas, propriedades e aplicações distintas.

SiC ligado por reação:Oferece baixas temperaturas de sinterização, economia, encolhimento mínimo e alta densificação, tornando-o adequado para componentes grandes e de formato complexo. As aplicações típicas incluem móveis de fornos de alta temperatura, bicos de queimadores, trocadores de calor e refletores ópticos.

SiC sinterizado sem pressão:Oferece economia, versatilidade de formato, alta densidade, microestrutura uniforme e excelentes propriedades gerais, tornando-o ideal para componentes de precisão como vedações, rolamentos deslizantes, armadura balística, refletores ópticos e mandris de wafer semicondutores.

SiC recristalizado:Apresenta fases puras de SiC, alta pureza, alta porosidade, excelente condutividade térmica e resistência ao choque térmico, tornando-o adequado para móveis de fornos de alta temperatura, trocadores de calor e bicos de queimadores.**

Nós da Semicorex nos especializamos emCerâmica SiC e outrosMateriais Cerâmicosaplicado na fabricação de semicondutores, se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

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