Cerámicas de carburo de silicio y sus diversos procesos de fabricación

Cerámicas de carburo de silicio (SiC)se emplean ampliamente en aplicaciones exigentes como rodamientos de precisión, sellos, rotores de turbinas de gas, componentes ópticos, boquillas de alta temperatura, componentes de intercambiadores de calor y materiales de reactores nucleares. Este uso generalizado se debe a sus propiedades excepcionales, que incluyen alta resistencia al desgaste, excelente conductividad térmica, resistencia superior a la oxidación y excelentes propiedades mecánicas a alta temperatura. Sin embargo, el fuerte enlace covalente y el bajo coeficiente de difusión inherentes al SiC presentan un desafío importante para lograr una alta densificación durante el proceso de sinterización. En consecuencia, el proceso de sinterización se convierte en un paso crucial para obtener un alto rendimiento.Cerámica de SiC.

Este artículo proporciona una descripción general completa de las diversas técnicas de fabricación empleadas para producir densasRBSiC/PSSiC/RSiC cerámicas, destacando sus características y aplicaciones únicas:

1. Carburo de silicio unido por reacción (RBSiC)

RBSiCImplica mezclar polvo de carburo de silicio (normalmente de 1 a 10 μm) con carbono, darle forma a la mezcla en un cuerpo verde y someterla a altas temperaturas para la infiltración del silicio. Durante este proceso, el silicio reacciona con el carbono para formar SiC, que se une a las partículas de SiC existentes y finalmente logra la densificación. Se utilizan dos métodos principales de infiltración de silicio:

Infiltración de silicio líquido: el silicio se calienta por encima de su punto de fusión (1450-1470 °C), lo que permite que el silicio fundido se infiltre en el cuerpo verde poroso a través de la acción capilar. Luego, el silicio fundido reacciona con el carbono, formando SiC.

Infiltración de vapor de silicio: el silicio se calienta más allá de su punto de fusión para generar vapor de silicio. Este vapor impregna el cuerpo verde y posteriormente reacciona con el carbono, formando SiC.

Flujo del proceso: polvo de SiC + polvo de C + aglutinante → Conformación → Secado → Quemado del aglutinante en una atmósfera controlada → Infiltración de Si a alta temperatura → Postprocesamiento

(1) Consideraciones clave:

La temperatura de funcionamiento deRBSiCestá limitado por el contenido de silicio libre residual en el material. Normalmente, la temperatura máxima de funcionamiento ronda los 1400°C. Por encima de esta temperatura, la resistencia del material se deteriora rápidamente debido a la fusión del silicio libre.

La infiltración de silicio líquido tiende a dejar un mayor contenido de silicio residual (normalmente entre un 10 y un 15 %, a veces superior al 15 %), lo que puede afectar negativamente a las propiedades del producto final. Por el contrario, la infiltración de silicio en vapor permite un mejor control sobre el contenido de silicio residual. Al minimizar la porosidad en el cuerpo verde, el contenido de silicio residual después de la sinterización se puede reducir por debajo del 10% y, con un control cuidadoso del proceso, incluso por debajo del 8%. Esta reducción mejora significativamente el rendimiento general del producto final.

Es importante señalar queRBSiC, independientemente del método de infiltración, contendrá inevitablemente algo de silicio residual (que oscila entre el 8 % y más del 15 %). Por lo tanto,RBSiCno es una cerámica de carburo de silicio monofásica sino más bien un compuesto “silicio + carburo de silicio”. Como consecuencia,RBSiCtambién se le conoce comoSiSiC (compuesto de carburo de silicio).

(2) Ventajas y aplicaciones:

RBSiCofrece varias ventajas, entre ellas:

Baja temperatura de sinterización: Esto reduce el consumo de energía y los costos de producción.

Rentabilidad: El proceso es relativamente simple y utiliza materias primas fácilmente disponibles, lo que contribuye a su asequibilidad.

Alta Densificación:RBSiClogra altos niveles de densidad, lo que conduce a propiedades mecánicas mejoradas.

Conformación casi neta: la preforma de carbono y carburo de silicio se puede premecanizar para obtener formas intrincadas, y la contracción mínima durante la sinterización (generalmente menos del 3%) garantiza una excelente precisión dimensional. Esto reduce la necesidad de costosos mecanizados posteriores a la sinterización, lo que haceRBSiCespecialmente adecuado para componentes grandes y de formas complejas.

Debido a estas ventajas,RBSiCgoza de un uso generalizado en diversas aplicaciones industriales, principalmente para la fabricación:

Componentes del horno: Revestimientos, crisoles y saggars.

Espejos espaciales:RBSiCEl bajo coeficiente de expansión térmica y el alto módulo elástico de s lo convierten en un material ideal para espejos espaciales.

Intercambiadores de calor de alta temperatura: Empresas como Refel (Reino Unido) han sido pioneras en el uso deRBSiCen intercambiadores de calor de alta temperatura, con aplicaciones que van desde el procesamiento químico hasta la generación de energía. Asahi Glass (Japón) también ha adoptado esta tecnología, produciendo tubos de intercambio de calor de 0,5 a 1 metro de longitud.

Además, la creciente demanda de obleas más grandes y temperaturas de procesamiento más altas en la industria de los semiconductores ha estimulado el desarrollo de productos de alta pureza.RBSiCcomponentes. Estos componentes, fabricados con polvo de SiC de alta pureza y silicio, están reemplazando gradualmente a las piezas de vidrio de cuarzo en las plantillas de soporte para tubos de electrones y equipos de procesamiento de obleas semiconductoras.

Barco de oblea Semicorex RBSiC para horno de difusión

(3) Limitaciones:

A pesar de sus ventajas,RBSiCposee ciertas limitaciones:

Silicio Residual: Como se mencionó anteriormente, elRBSiCEl proceso inherentemente da como resultado silicio libre residual dentro del producto final. Este silicio residual afecta negativamente a las propiedades del material, incluyendo:

Fuerza y ​​resistencia al desgaste reducidas en comparación con otrosCerámica de SiC.

Resistencia limitada a la corrosión: el silicio libre es susceptible al ataque de soluciones alcalinas y ácidos fuertes como el ácido fluorhídrico, restringiendoRBSiC’s uso en tales entornos.

Menor resistencia a altas temperaturas: la presencia de silicio libre limita la temperatura máxima de funcionamiento a alrededor de 1350-1400 °C.

2. Sinterización sin presión - PSSiC

Sinterización sin presión de carburo de siliciologra la densificación de muestras con diferentes formas y tamaños a temperaturas entre 2000-2150°C bajo atmósfera inerte y sin aplicar presión externa, mediante la adición de auxiliares de sinterización adecuados. La tecnología de sinterización sin presión del SiC ha madurado y sus ventajas residen en su bajo coste de producción y en la ausencia de restricciones en cuanto a la forma y el tamaño de los productos. En particular, las cerámicas de SiC sinterizado de fase sólida tienen alta densidad, microestructura uniforme y excelentes propiedades integrales del material, lo que las hace ampliamente utilizadas en anillos de sellado, cojinetes deslizantes y otras aplicaciones resistentes al desgaste y a la corrosión.

El proceso de sinterización sin presión del carburo de silicio se puede dividir en fase sólida.carburo de silicio sinterizado (SSiC)y carburo de silicio sinterizado (LSiC) en fase líquida.

Microestructura y límite de grano de carburo de silicio sinterizado en fase sólida sin presión

La sinterización en fase sólida fue inventada por primera vez por el científico estadounidense Prochazka en 1974. Añadió una pequeña cantidad de boro y carbono al β-SiC submicrónico, logrando la sinterización sin presión de carburo de silicio y obteniendo un cuerpo sinterizado denso con una densidad cercana al 95% de la valor teórico. Posteriormente, W. Bötcker y H. Hansner utilizaron α-SiC como materia prima y añadieron boro y carbono para lograr la densificación del carburo de silicio. Muchos estudios posteriores han demostrado que tanto el boro como los compuestos de boro y los compuestos de Al y Al pueden formar soluciones sólidas con carburo de silicio para promover la sinterización. La adición de carbono es beneficiosa para la sinterización al reaccionar con el dióxido de silicio en la superficie del carburo de silicio para aumentar la energía superficial. El carburo de silicio sinterizado en fase sólida tiene límites de grano relativamente "limpios", básicamente no hay fase líquida presente y los granos crecen fácilmente a altas temperaturas. Por lo tanto, la fractura es transgranular y la resistencia y la tenacidad a la fractura generalmente no son altas. Sin embargo, debido a sus límites de grano "limpios", la resistencia a altas temperaturas no cambia con el aumento de temperatura y generalmente permanece estable hasta 1600°C.

La sinterización en fase líquida de carburo de silicio fue inventada por el científico estadounidense M.A. Mulla a principios de los años 1990. Su principal aditivo de sinterización es Y2O3-Al2O3. La sinterización en fase líquida tiene la ventaja de una temperatura de sinterización más baja en comparación con la sinterización en fase sólida y el tamaño de grano es más pequeño.

Las principales desventajas de la sinterización en fase sólida son la alta temperatura de sinterización requerida (>2000°C), los altos requisitos de pureza de las materias primas, la baja tenacidad a la fractura del cuerpo sinterizado y la fuerte sensibilidad de la resistencia a la fractura ante las grietas. Estructuralmente, los granos son gruesos y desiguales, y el modo de fractura es típicamente transgranular. En los últimos años, la investigación sobre materiales cerámicos de carburo de silicio en el país y en el extranjero se ha centrado en la sinterización en fase líquida. La sinterización en fase líquida se logra utilizando una cierta cantidad de óxidos multicomponentes de bajo contenido eutéctico como coadyuvantes de sinterización. Por ejemplo, los auxiliares binarios y ternarios de Y2O3 pueden hacer que el SiC y sus compuestos presenten una sinterización en fase líquida, logrando una densificación ideal del material a temperaturas más bajas. Al mismo tiempo, debido a la introducción de la fase líquida del límite de grano y al debilitamiento de la fuerza de unión de la interfaz única, el modo de fractura del material cerámico cambia a un modo de fractura intergranular y la tenacidad a la fractura del material cerámico mejora significativamente. .

3. Carburo de silicio recristalizado - RSiC

Carburo de silicio recristalizado (RSiC)es un material de SiC de alta pureza elaborado a partir de polvo de carburo de silicio (SiC) de alta pureza con dos tamaños de partículas diferentes, gruesas y finas. Se sinteriza a altas temperaturas (2200-2450°C) mediante un mecanismo de evaporación-condensación sin añadir auxiliares de sinterización.

Nota: Sin auxiliares de sinterización, el crecimiento del cuello de sinterización generalmente se logra mediante difusión superficial o transferencia de masa por evaporación-condensación. Según la teoría clásica de la sinterización, ninguno de estos métodos de transferencia de masa puede reducir la distancia entre los centros de masa de las partículas en contacto, por lo que no provoca ninguna contracción a escala macroscópica, que es un proceso sin densificación. Para resolver este problema y obtener cerámicas de carburo de silicio de alta densidad, se han tomado muchas medidas, como aplicar calor, agregar auxiliares de sinterización o utilizar una combinación de calor, presión y auxiliares de sinterización.

Imagen SEM de la superficie de fractura del carburo de silicio recristalizado.

Características y Aplicaciones:

RSiCContiene más del 99 % de SiC y básicamente no contiene impurezas en los límites del grano, por lo que conserva muchas propiedades excelentes del SiC, como resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y resistencia al choque térmico. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en muebles de hornos de alta temperatura, boquillas de combustión, convertidores solares térmicos, dispositivos de purificación de gases de escape de vehículos diésel, fundición de metales y otros entornos con requisitos de rendimiento extremadamente exigentes.

Debido al mecanismo de sinterización por evaporación-condensación, no hay contracción durante el proceso de cocción y no se genera tensión residual que cause deformación o agrietamiento del producto.

RSiCPuede formarse mediante varios métodos, como fundición en barbotina, fundición en gel, extrusión y prensado. Dado que no hay contracción durante el proceso de cocción, es fácil obtener productos con formas y tamaños precisos siempre que las dimensiones del cuerpo verde estén bien controladas.

el despedidoproducto de SiC recristalizadoContiene aproximadamente entre un 10% y un 20% de poros residuales. La porosidad del material depende en gran medida de la porosidad del propio cuerpo verde y no cambia significativamente con la temperatura de sinterización, lo que proporciona una base para el control de la porosidad.

Bajo este mecanismo de sinterización, el material tiene muchos poros interconectados, lo que tiene una amplia gama de aplicaciones en el campo de los materiales porosos. Por ejemplo, puede sustituir los productos porosos tradicionales en los campos de la filtración de gases de escape y la filtración de aire de combustibles fósiles.

RSiCtiene límites de grano muy claros y limpios sin fases vítreas ni impurezas porque cualquier óxido o impureza metálica se ha volatilizado a altas temperaturas de 2150-2300 °C. El mecanismo de sinterización por evaporación-condensación también puede purificar SiC (contenido de SiC enRSiCes superior al 99%), conserva muchas propiedades excelentes del SiC, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y resistencia al choque térmico, como muebles de hornos de alta temperatura, boquillas de combustión, convertidores solares térmicos y fundición de metales. .**