Por que escolher a sinterização sem pressão para preparação de cerâmica de SiC?

Cerâmica de carboneto de silício (SiC), conhecidos por sua alta dureza, alta resistência, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão, encontram amplas aplicações nas indústrias aeroespacial, petroquímica e de circuitos integrados. Dado que a maioria dos produtos de SiC são itens de alto valor agregado, o potencial de mercado é substancial, atraindo atenção significativa de vários países e tornando-se um ponto focal da pesquisa em ciência dos materiais. No entanto, a temperatura de síntese ultra-alta e a dificuldade de conseguir uma sinterização densa de cerâmicas de SiC limitaram o seu desenvolvimento. O processo de sinterização é crucial para a cerâmica SiC.

Como os métodos de sinterização se comparam: sinterização por reação versus sinterização sem pressão?

O SiC, por ser um composto com fortes ligações covalentes, apresenta baixas taxas de difusão durante a sinterização devido às suas características estruturais que proporcionam alta dureza, alta resistência, alto ponto de fusão e resistência à corrosão. Isto requer o uso de aditivos de sinterização e pressão externa para alcançar a densificação. Atualmente, tanto a sinterização por reação quanto a sinterização sem pressão do SiC têm visto avanços significativos na pesquisa e na aplicação industrial.

O processo de sinterização por reação paraCerâmica SiCé uma técnica de sinterização com formato quase final, caracterizada por encolhimento mínimo e alterações de tamanho durante a sinterização. Oferece vantagens como baixas temperaturas de sinterização, estruturas de produto densas e baixos custos de produção, tornando-o adequado para a preparação de produtos cerâmicos de SiC grandes e de formatos complexos. No entanto, o processo tem desvantagens, incluindo uma preparação inicial complexa do corpo verde e potencial contaminação por subprodutos. Além disso, a faixa de temperatura operacional do sinterizado por reaçãoCerâmica SiCé limitado pelo conteúdo gratuito do Si; acima de 1400°C, a resistência do material diminui rapidamente devido à fusão do Si livre.

Microestruturas típicas de cerâmicas de SiC sinterizadas em diversas temperaturas

A tecnologia de sinterização sem pressão para SiC está bem estabelecida, com benefícios que incluem a capacidade de usar vários processos de formação, superando limitações no formato e tamanho do produto e alcançando alta resistência e tenacidade com aditivos apropriados. Além disso, a sinterização sem pressão é simples e adequada para a produção em massa de componentes cerâmicos em diferentes formatos. No entanto, é mais caro que o SiC sinterizado por reação devido ao custo mais elevado do pó de SiC utilizado.

A sinterização sem pressão inclui principalmente sinterização em fase sólida e em fase líquida. Comparado ao SiC sinterizado sem pressão em fase sólida, o SiC sinterizado por reação apresenta baixo desempenho em altas temperaturas, especialmente porque a resistência à flexão doCerâmica SiCcai acentuadamente acima de 1400°C e apresentam baixa resistência a ácidos e bases fortes. Por outro lado, sinterizados em fase sólida sem pressãoCerâmica SiCapresentam propriedades mecânicas superiores em altas temperaturas e melhor resistência à corrosão em ácidos e bases fortes.

Tecnologia para Fabricação de SiC Ligado por Reação

Quais são os desenvolvimentos de pesquisa em tecnologia de sinterização sem pressão?

Sinterização em fase sólida: Sinterização em fase sólida deCerâmica SiCenvolve altas temperaturas, mas resulta em propriedades físicas e químicas estáveis, particularmente mantendo a resistência em altas temperaturas, oferecendo um valor de aplicação único. Ao adicionar boro (B) e carbono © ao SiC, o boro ocupa os limites dos grãos do SiC, substituindo parcialmente o carbono no SiC para formar uma solução sólida, enquanto o carbono reage com o SiO2 da superfície e a impureza Si no SiC. Estas reações reduzem a energia dos contornos dos grãos e aumentam a energia superficial, aumentando assim a força motriz para a sinterização e promovendo a densificação. Desde a década de 1990, o uso de B e C como aditivos para sinterização sem pressão de SiC tem sido amplamente aplicado em vários campos industriais. A principal vantagem é a ausência de uma segunda fase ou fase vítrea nos contornos de grão, resultando em contornos de grão limpos e excelente desempenho em altas temperaturas, estável até 1600°C. A desvantagem é que a densificação completa não é alcançada, com alguns poros fechados nos cantos dos grãos, e altas temperaturas podem levar ao crescimento dos grãos.

Sinterização em Fase Líquida: Na sinterização em fase líquida, os auxiliares de sinterização são normalmente adicionados em pequenas porcentagens, e a fase intergranular resultante pode reter óxidos consideráveis ​​após a sinterização. Consequentemente, o SiC sinterizado em fase líquida tende a fraturar ao longo dos limites dos grãos, oferecendo alta resistência e tenacidade à fratura. Comparada à sinterização em fase sólida, a fase líquida formada durante a sinterização reduz efetivamente a temperatura de sinterização. O sistema Al2O3-Y2O3 foi um dos primeiros e mais atraentes sistemas estudados para sinterização em fase líquida deCerâmica SiC. Este sistema permite a densificação em temperaturas relativamente baixas. Por exemplo, a incorporação de amostras em um leito de pó contendo Al2O3, Y2O3 e MgO facilita a formação da fase líquida através de reações entre MgO e SiO2 superficial em partículas de SiC, promovendo a densificação através do rearranjo de partículas e reprecipitação do fundido. Além disso, Al2O3, Y2O3 e CaO usados ​​como aditivos para sinterização sem pressão de SiC resultam na formação de fases Al5Y3O12 no material; com o aumento do teor de CaO, aparecem fases de óxido CaY2O4, formando caminhos de penetração rápida nos limites dos grãos e melhorando a sinterabilidade do material.

Como os aditivos melhoram a sinterização sem pressão deCerâmica SiC?

Os aditivos podem aumentar a densificação de sinterizados sem pressãoCerâmica SiC, reduza a temperatura de sinterização, altere a microestrutura e melhore as propriedades mecânicas. A pesquisa sobre sistemas aditivos evoluiu de sistemas de componente único para sistemas multicomponentes, com cada componente desempenhando um papel único na melhoriaCerâmica SiCdesempenho. No entanto, a introdução de aditivos também tem desvantagens, como as reações entre os aditivos e o SiC que produzem subprodutos gasosos como Al2O e CO, aumentando a porosidade do material. A redução da porosidade e a mitigação dos efeitos de perda de peso dos aditivos serão áreas-chave de pesquisa para a futura sinterização em fase líquida deCerâmica SiC.**

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