Proceso de preparación de cerámicas de SiC.

Cerámicas de carburo de siliciose encuentran entre los materiales más utilizados en cerámica estructural. Debido a su expansión térmica relativamente baja, alta resistencia específica, alta conductividad térmica y dureza, resistencia al desgaste y a la corrosión y, lo más importante, su capacidad para mantener un buen rendimiento incluso a temperaturas de hasta 1650 °C, las cerámicas de carburo de silicio se utilizan ampliamente en diversos campos.

Los métodos de sinterización comunes para cerámicas de carburo de silicio incluyen: sinterización sin presión, sinterización por reacción y sinterización por recristalización.

1. SiC sinterizado por reacción (RBSiC)

La sinterización por reacción implica mezclar una fuente de carbono con polvo de carburo de silicio, formar un compacto y luego permitir que el silicio líquido se infiltre en el compacto a alta temperatura y reaccione con el carbono para formar β-SiC, logrando la densificación. Presenta una contracción casi nula, lo que lo hace adecuado para piezas grandes y complejas. También cuenta con una baja temperatura de sinterización y un bajo costo, pero el silicio libre puede reducir el rendimiento a alta temperatura.

El SiC sinterizado por reacción es una cerámica estructural muy atractiva con excelentes propiedades mecánicas como alta resistencia, resistencia a la corrosión y resistencia a la oxidación. Además, presenta una temperatura de sinterización baja, un costo de sinterización bajo y una formación casi neta.

El proceso de sinterización por reacción es sencillo. Implica mezclar una fuente de carbono y polvo de SiC para preparar un cuerpo verde y luego, bajo fuerza capilar de alta temperatura, infiltrar silicio fundido en el cuerpo verde poroso. Este silicio fundido reacciona con la fuente de carbono dentro del cuerpo verde para formar una fase de β-SiC, que simultáneamente se une estrechamente con el α-SiC original. Los poros restantes se rellenan con silicio fundido, consiguiendo así la densificación del material cerámico. Durante la sinterización, el tamaño se reduce, logrando una formación casi neta, lo que permite la fabricación de formas complejas según sea necesario. Por tanto, es muy utilizado en la producción industrial de diversos productos cerámicos.

En términos de aplicaciones, los materiales de muebles de hornos de alta temperatura, los tubos radiantes, los intercambiadores de calor y las boquillas de desulfuración son aplicaciones típicas de las cerámicas de carburo de silicio sinterizadas por reacción. Además, debido al bajo coeficiente de expansión térmica, el alto módulo elástico y las características de formación de forma casi neta del carburo de silicio, el carburo de silicio sinterizado por reacción también es un material ideal para espejos espaciales. Además, con el aumento del tamaño de la oblea y la temperatura del tratamiento térmico, el carburo de silicio sinterizado por reacción está reemplazando gradualmente al vidrio de cuarzo. Los componentes de carburo de silicio (SiC) de alta pureza que contienen una fase parcial de silicio se pueden producir utilizando polvo de carburo de silicio de alta pureza y silicio de alta pureza. Estos componentes se utilizan ampliamente en accesorios de soporte para equipos de fabricación de tubos de electrones y obleas semiconductoras.

2. SiC sinterizado sin presión (SSiC)

La sinterización sin presión se divide en sinterización en fase sólida y en fase líquida: la sinterización en fase sólida, con la adición de aditivos B/C, logra una densificación por difusión en fase sólida a altas temperaturas, lo que da como resultado un buen rendimiento a altas temperaturas pero un engrosamiento del grano. La sinterización en fase líquida utiliza aditivos como Al2O3-Y2O3 para formar una fase líquida, lo que reduce la temperatura, lo que da como resultado granos más finos y mayor tenacidad. Esta tecnología es de bajo costo, permite diversas formas y es adecuada para componentes estructurales de precisión, como anillos de sellado, cojinetes y armaduras a prueba de balas.

La sinterización sin presión se considera el método de sinterización más prometedor para el SiC. Este método se adapta a diversos procesos de conformado, tiene costos de producción más bajos, no está limitado por la forma o el tamaño y es el método de sinterización más común y sencillo para la producción en masa.

La sinterización sin presión implica agregar boro y carbono a β-SiC que contiene trazas de oxígeno y sinterizar a alrededor de 2000 ℃ en una atmósfera inerte para obtener un cuerpo sinterizado de carburo de silicio con una densidad teórica del 98 %. Este método generalmente tiene dos enfoques: sinterización en estado sólido y sinterización en estado líquido. El carburo de silicio sinterizado de estado sólido sin presión exhibe alta densidad y pureza y, en particular, posee una alta conductividad térmica única y una excelente resistencia a altas temperaturas, lo que facilita su procesamiento en dispositivos cerámicos de gran tamaño y formas complejas.

Productos de carburo de silicio sinterizado sin presión: a) juntas cerámicas; (b) cojinetes cerámicos; (c) placas antibalas

En términos de aplicaciones, la sinterización sin presión de SiC es simple de operar, moderadamente rentable y adecuada para la producción en masa de piezas cerámicas de diversas formas. Se usa ampliamente en anillos de sellado resistentes al desgaste y a la corrosión, cojinetes deslizantes, etc. Además, las cerámicas de carburo de silicio sinterizado sin presión se usan ampliamente en armaduras a prueba de balas, como para la protección de vehículos y barcos, así como en cajas fuertes civiles y camiones blindados, debido a su alta dureza, baja gravedad específica, buen rendimiento balístico, capacidad de absorber más energía después de una rotura y bajo costo. Como material de armadura a prueba de balas, exhibe una excelente resistencia a múltiples impactos y su efecto protector general es superior al de las cerámicas de carburo de silicio comunes. Cuando se utiliza en una armadura protectora de cerámica cilíndrica liviana, su punto de fractura puede alcanzar más de 65 toneladas, lo que demuestra un rendimiento protector significativamente mejor que la armadura protectora de cerámica cilíndrica que utiliza cerámicas de carburo de silicio comunes.

3. Cerámica de SiC sinterizada recristalizada (R-SiC)

La sinterización por recristalización implica partículas de SiC finas y gruesas clasificadas y un tratamiento a alta temperatura. Las partículas finas se evaporan y condensan en el cuello de las partículas gruesas, formando una estructura puente sin impurezas en los límites del grano. El producto tiene una porosidad del 10-20%, buena conductividad térmica y resistencia al choque térmico, pero baja resistencia. No tiene contracción de volumen y es adecuado para muebles de hornos porosos, etc.

La tecnología de sinterización por recristalización ha atraído una amplia atención porque no requiere la adición de auxiliares de sinterización. La sinterización por recristalización es el método más común para preparar dispositivos cerámicos de SiC a gran escala y de pureza ultraalta. El proceso de preparación de cerámicas de SiC sinterizado recristalizado (R-SiC) es el siguiente: polvos de SiC gruesos y finos de diferentes tamaños de partículas se mezclan en una determinada proporción y se preparan en espacios en blanco mediante procesos como fundición, moldeo y extrusión. Luego, los espacios en blanco verdes se cuecen a una temperatura alta de 2200~2450 ℃ bajo una atmósfera inerte. Finalmente, las partículas finas se evaporan gradualmente hasta convertirse en una fase gaseosa y se condensan en los puntos de contacto con las partículas gruesas, formando cerámicas R-SiC.

El R-SiC se forma a altas temperaturas y tiene una dureza sólo superada por la del diamante. Conserva muchas de las excelentes propiedades del SiC, como resistencia a altas temperaturas, fuerte resistencia a la corrosión, excelente resistencia a la oxidación y buena resistencia al choque térmico. Por lo tanto, es un material candidato ideal para muebles de hornos de alta temperatura, intercambiadores de calor o boquillas de combustión. En los campos aeroespacial y militar, el carburo de silicio recristalizado se utiliza para fabricar componentes estructurales de vehículos aeroespaciales, como motores, aletas traseras y fuselajes. Debido a sus propiedades mecánicas superiores, resistencia a la corrosión y resistencia al impacto, puede mejorar en gran medida el rendimiento y la vida útil de los vehículos aeroespaciales.

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