Técnicas especializadas de preparação para cerâmica de carboneto de silício

Cerâmica de carboneto de silício (SiC)os materiais possuem uma gama de excelentes propriedades, incluindo resistência a altas temperaturas, forte resistência à oxidação, resistência superior ao desgaste, estabilidade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica, alta condutividade térmica, alta dureza, resistência ao choque térmico e resistência à corrosão química. Essas características tornam a cerâmica SiC cada vez mais aplicável em diversos campos, como indústrias automotiva, mecânica e química, proteção ambiental, tecnologia espacial, eletrônica de informação e energia.Cerâmica SiCtornaram-se um material cerâmico estrutural insubstituível em muitos setores industriais devido ao seu excelente desempenho.

Quais são as características estruturais que melhoramCerâmica SiC?

As propriedades superiores deCerâmica SiCestão intimamente relacionados à sua estrutura única. O SiC é um composto com ligações covalentes muito fortes, onde o caráter iônico da ligação Si-C é de apenas cerca de 12%. Isto resulta em alta resistência e um grande módulo de elasticidade, proporcionando excelente resistência ao desgaste. O SiC puro não é corroído por soluções ácidas como HCl, HNO3, H2SO4 ou HF, nem por soluções alcalinas como NaOH. Embora tenda a oxidar quando aquecido ao ar, a formação de uma camada de SiO2 na superfície inibe a difusão adicional de oxigênio, mantendo assim a taxa de oxidação baixa. Além disso, o SiC apresenta propriedades semicondutoras, com boa condutividade elétrica quando pequenas quantidades de impurezas são introduzidas e excelente condutividade térmica.

Como as diferentes formas cristalinas de SiC afetam suas propriedades?

O SiC existe em duas formas cristalinas principais: α e β. β-SiC tem uma estrutura cristalina cúbica, com Si e C formando redes cúbicas de face centrada. O α-SiC existe em mais de 100 politipos, incluindo 4H, 15R e 6H, sendo 6H o mais comumente usado em aplicações industriais. A estabilidade desses politipos varia com a temperatura. Abaixo de 1600°C, o SiC existe na forma β, enquanto acima de 1600°C, o β-SiC transforma-se gradualmente em vários politipos de α-SiC. Por exemplo, o 4H-SiC se forma em torno de 2.000°C, enquanto os politipos 15R e 6H requerem temperaturas acima de 2.100°C para se formarem facilmente. O politipo 6H permanece estável mesmo acima de 2200°C. A pequena diferença na energia livre entre estes politipos significa que mesmo pequenas impurezas podem alterar as suas relações de estabilidade térmica.

Quais são as técnicas para produção de pós de SiC?

A preparação de pós de SiC pode ser categorizada em síntese em fase sólida e síntese em fase líquida com base no estado inicial das matérias-primas.

Quais são os métodos envolvidos na síntese em fase sólida? 

A síntese em fase sólida inclui principalmente redução carbotérmica e reações diretas silício-carbono. O método de redução carbotérmica abrange o processo Acheson, o método do forno vertical e o método do forno rotativo de alta temperatura. O processo Acheson, inventado por Acheson, envolve a redução da sílica na areia de quartzo por carbono em um forno elétrico Acheson, acionado por uma reação eletroquímica sob alta temperatura e fortes campos elétricos. Este método, com uma história de produção industrial que se estende por mais de um século, produz partículas de SiC relativamente grosseiras e tem um alto consumo de energia, grande parte da qual é perdida na forma de calor.

Na década de 1970, melhorias no processo Acheson levaram a desenvolvimentos na década de 1980, como fornos verticais e fornos rotativos de alta temperatura para sintetizar pó de β-SiC, com avanços adicionais na década de 1990. Ohsaki et al. descobriram que o gás SiO liberado pelo aquecimento de uma mistura de SiO2 e pó de Si reage com o carvão ativado, com o aumento da temperatura e o tempo de retenção prolongado, reduzindo a área superficial específica do pó à medida que mais gás SiO é liberado. O método de reação direta silício-carbono, uma aplicação de síntese autopropagada em alta temperatura, envolve a ignição do corpo reagente com uma fonte externa de calor e o uso do calor da reação química liberado durante a síntese para sustentar o processo. Este método possui baixo consumo de energia, equipamentos e processos simples e alta produtividade, embora seja de difícil controle da reação. A fraca reação exotérmica entre o silício e o carbono torna difícil a ignição e a manutenção à temperatura ambiente, necessitando de fontes de energia adicionais, como fornos químicos, corrente contínua, pré-aquecimento ou campos elétricos auxiliares.

Como o pó de SiC é sintetizado usando métodos de fase líquida? 

Os métodos de síntese em fase líquida incluem técnicas de sol-gel e decomposição de polímeros. Ewell et al. propôs pela primeira vez o método sol-gel, que mais tarde foi aplicado à preparação de cerâmica por volta de 1952. Este método utiliza reagentes químicos líquidos para preparar precursores alcóxidos, que são dissolvidos a baixas temperaturas para formar uma solução homogênea. Ao adicionar agentes gelificantes apropriados, o alcóxido sofre hidrólise e polimerização para formar um sistema sol estável. Após repouso ou secagem prolongada, Si e C são misturados uniformemente em nível molecular. O aquecimento desta mistura a 1460-1600°C induz uma reação de redução carbotérmica para produzir pó fino de SiC. Os principais parâmetros a serem controlados durante o processamento sol-gel incluem pH da solução, concentração, temperatura de reação e tempo. Este método facilita a adição homogênea de vários componentes vestigiais, mas tem desvantagens como hidroxila residual e solventes orgânicos prejudiciais à saúde, altos custos de matéria-prima e encolhimento significativo durante o processamento.

A decomposição de polímeros orgânicos em alta temperatura é outro método eficaz para a produção de SiC:

Aquecimento de polissiloxanos em gel para decompô-los em pequenos monômeros, formando finalmente SiO2 e C, que então sofrem redução carbotérmica para produzir pó de SiC.

Aquecimento de policarbosilanos para decompô-los em pequenos monômeros, formando uma estrutura que resulta em pó de SiC. Técnicas recentes de sol-gel permitiram a produção de materiais sol/gel à base de SiO2, garantindo distribuição homogênea de aditivos de sinterização e endurecimento dentro do gel, o que facilita a formação de pós cerâmicos de SiC de alto desempenho.

Por que a sinterização sem pressão é considerada uma técnica promissora paraCerâmica SiC?

A sinterização sem pressão é considerada um método altamente promissor parasinterização de SiC. Dependendo do mecanismo de sinterização, pode ser dividido em sinterização em fase sólida e sinterização em fase líquida. S. Proehazka alcançou uma densidade relativa acima de 98% para corpos sinterizados de SiC adicionando quantidades apropriadas de B e C ao pó β-SiC ultrafino (com teor de oxigênio abaixo de 2%) e sinterizando a 2020°C sob pressão normal. A. Mulla et al. utilizaram Al2O3 e Y2O3 como aditivos para sinterizar 0,5μm β-SiC (com pequena quantidade de SiO2 na superfície da partícula) a 1850-1950°C, obtendo densidade relativa superior a 95% da densidade teórica e grãos finos com média tamanho de 1,5μm.

Como a sinterização por prensagem a quente melhoraCerâmica SiC?

Nadeau destacou que o SiC puro só pode ser densamente sinterizado em temperaturas extremamente altas, sem quaisquer auxiliares de sinterização, levando muitos a explorar a sinterização por prensagem a quente. Numerosos estudos examinaram os efeitos da adição de B, Al, Ni, Fe, Cr e outros metais na densificação do SiC, sendo Al e Fe considerados os mais eficazes para promover a sinterização por prensagem a quente. F.F. Lange investigou o desempenho do SiC sinterizado por prensagem a quente com quantidades variadas de Al2O3, atribuindo a densificação a um mecanismo de dissolução-reprecipitação. No entanto, a sinterização por prensa a quente só pode produzir componentes de SiC de formato simples, e a quantidade de produto em um único processo de sinterização é limitada, tornando-o menos adequado para a produção industrial.

Quais são os benefícios e limitações da sinterização por reação para SiC?

SiC sinterizado por reação, também conhecido como SiC autoligado, envolve a reação de um corpo verde poroso com fases gasosas ou líquidas para aumentar a massa, reduzir a porosidade e sinterizá-lo em um produto forte e dimensionalmente preciso. O processo envolve misturar pó de α-SiC e grafite em uma determinada proporção, aquecer até cerca de 1650°C e infiltrar o corpo verde com Si fundido ou Si gasoso, que reage com grafite para formar β-SiC, ligando-se ao α-SiC existente. partículas. A infiltração completa de Si resulta em um corpo sinterizado por reação totalmente denso e dimensionalmente estável. Em comparação com outros métodos de sinterização, a sinterização por reação envolve alterações dimensionais mínimas durante a densificação, permitindo a fabricação de componentes precisos. No entanto, a presença de uma quantidade considerável de SiC no corpo sinterizado leva a um pior desempenho em altas temperaturas.

Resumindo,Cerâmica SiCproduzidos por sinterização sem pressão, sinterização por prensa a quente, prensagem isostática a quente e sinterização por reação apresentam características de desempenho variadas.Cerâmica SiCda prensa a quente e da prensagem isostática a quente geralmente apresentam densidades sinterizadas e resistências à flexão mais altas, enquanto o SiC sinterizado por reação tem valores relativamente mais baixos. As propriedades mecânicas deCerâmica SiCtambém variam com diferentes aditivos de sinterização. Sem pressão, prensagem a quente e sinterizado por reaçãoCerâmica SiCexibem boa resistência a ácidos e bases fortes, mas o SiC sinterizado por reação tem pior resistência à corrosão em ácidos fortes como o HF. Em termos de desempenho em altas temperaturas, quase todosCerâmica SiCmostram melhoria de resistência abaixo de 900 ° C, enquanto a resistência à flexão do SiC sinterizado por reação diminui drasticamente acima de 1400 ° C devido à presença de Si livre. O desempenho em alta temperatura de prensas isostáticas a quente e sem pressãoCerâmica SiCdepende principalmente do tipo de aditivos utilizados.

Embora cada método de sinterização paraCerâmica SiCtem seus méritos, o rápido avanço da tecnologia exige melhorias contínuas emCerâmica SiCdesempenho, técnicas de fabricação e redução de custos. Conseguir sinterização a baixa temperatura deCerâmica SiCé crucial para reduzir o consumo de energia e os custos de produção, promovendo assim a industrialização deCerâmica SiCprodutos.**

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