Erittäin puhtaat piikarbidi (SiC) -keraamit ovat nousseet ihanteelliseksi materiaaliksi kriittisille komponenteille puolijohde-, ilmailu- ja kemianteollisuudessa niiden poikkeuksellisen lämmönjohtavuuden, kemiallisen stabiilisuuden ja mekaanisen lujuuden ansiosta. Korkean suorituskyvyn ja vähäpäästöisten keraamisten laitteiden kysynnän kasvaessa tehokkaiden ja skaalautuvien valmistusteknologioiden kehittämisestä erittäin puhtaille piikarbidi-keraamille on tullut maailmanlaajuinen tutkimuskohde. Tässä artikkelissa tarkastellaan systemaattisesti nykyisiä tärkeimpiä erittäin puhtaiden piikarbidi-keraamien valmistusmenetelmiä, mukaan lukien uudelleenkiteytyssintraus, paineeton sintraus (PS), kuumapuristus (HP), kipinäplasmasintraus (SPS) ja additiivinen valmistus (AM), painottaen sintrausmekanismeja, keskeisiä parametreja, materiaalien ominaisuuksia ja kunkin prosessin nykyisiä haasteita.
SiC-keraamien käyttö sotilas- ja tekniikan aloilla
Tällä hetkellä erittäin puhtaita piikarbidi-keraamisia komponentteja käytetään laajalti piikiekkojen valmistuslaitteissa, ja ne osallistuvat ydinprosesseihin, kuten hapetukseen, litografiaan, etsaukseen ja ioni-istutukseen. Kiekkoteknologian kehittyessä kiekkokokojen kasvattamisesta on tullut merkittävä trendi. Nykyinen valtavirran kiekkokoko on 300 mm, mikä saavuttaa hyvän tasapainon kustannusten ja tuotantokapasiteetin välillä. Mooren lain ohjaamana 450 mm:n kiekkojen massatuotanto on kuitenkin jo asialistalla. Suuremmat kiekot vaativat tyypillisesti suurempaa rakenteellista lujuutta vääntymisen ja muodonmuutoksen vastustamiseksi, mikä lisää entisestään kasvavaa kysyntää suurikokoisille, erittäin lujille ja erittäin puhtaille piikarbidi-keraamisille komponenteille. Viime vuosina additiivinen valmistus (3D-tulostus) on nopeana prototyyppitekniikkana, joka ei vaadi muotteja, osoittanut valtavaa potentiaalia monimutkaisten rakenteellisten piikarbidi-keraamisten osien valmistuksessa kerros kerrokselta -rakenteensa ja joustavien suunnitteluominaisuuksiensa ansiosta, mikä on herättänyt laajaa huomiota.
Tässä artikkelissa analysoidaan systemaattisesti viittä edustavaa valmistusmenetelmää erittäin puhtaiden piikarbidikeramiikan (SiC) valmistukseen – uudelleenkiteytyssintrausta, paineetonta sintrausta, kuumapuristusta, kipinäplasmasintrausta ja additiivista valmistusta – keskittyen niiden sintrausmekanismeihin, prosessin optimointistrategioihin, materiaalien suorituskykyominaisuuksiin ja teollisiin sovellusnäkymiin.
Erittäin puhtaan piikarbidin raaka-ainevaatimukset
I. Uudelleenkiteytys Sintraus
Uudelleenkiteytynyt piikarbidi (RSiC) on erittäin puhdasta piikarbidimateriaalia, joka valmistetaan ilman sintrausaineita korkeissa 2100–2500 °C:n lämpötiloissa. Fredriksson löysi uudelleenkiteytymisilmiön ensimmäisen kerran 1800-luvun lopulla, ja siitä lähtien RSiC on herättänyt merkittävää huomiota selkeiden raerajojensa ja lasifaasien ja epäpuhtauksien puuttumisensa ansiosta. Korkeissa lämpötiloissa piikarbidilla on suhteellisen korkea höyrynpaine, ja sen sintrautumismekanismiin kuuluu pääasiassa haihtumis-kondensaatioprosessi: hienot rakeet haihtuvat ja kerrostuvat uudelleen suurempien rakeiden pinnoille, mikä edistää kaulan kasvua ja suoraa sitoutumista rakeiden välille ja parantaa siten materiaalin lujuutta.
Vuonna 1990 Kriegesmann valmisti liukuvalulla 2200 °C:ssa RSiC:tä, jonka suhteellinen tiheys oli 79,1 %. Poikkileikkauksessa näkyi karkeista jyvistä ja huokosista koostuva mikrorakenne. Myöhemmin Yi et al. valmistivat geelivalulla vihreitä kappaleita ja sintrasivat ne 2450 °C:ssa, jolloin saatiin RSiC-keraamia, jonka tiheys oli 2,53 g/cm³ ja taivutuslujuus 55,4 MPa.
RSiC:n SEM-murtumapinta
Tiheään piikarbidiin (SiC) verrattuna RSiC:llä on alhaisempi tiheys (noin 2,5 g/cm³) ja noin 20 % avoin huokoisuus, mikä rajoittaa sen suorituskykyä korkean lujuuden sovelluksissa. Siksi RSiC:n tiheyden ja mekaanisten ominaisuuksien parantamisesta on tullut keskeinen tutkimuskohde. Sung ym. ehdottivat sulan piin tunkeutumista hiili/β-SiC-sekapuristeisiin ja uudelleenkiteyttämistä 2200 °C:ssa, jolloin saatiin onnistuneesti aikaan α-SiC-karkeista rakeista koostuva verkkorakenne. Tuloksena oleva RSiC saavutti 2,7 g/cm³ tiheyden ja 134 MPa:n taivutuslujuuden, mikä säilytti erinomaisen mekaanisen stabiilisuuden korkeissa lämpötiloissa.
Tiheyden parantamiseksi entisestään Guo ym. käyttivät polymeerien infiltraatio- ja pyrolyysitekniikkaa (PIP) useissa RSiC-käsittelyissä. Käyttämällä PCS/ksyleeniliuoksia ja SiC/PCS/ksyleenilietteitä infiltraatioaineina, RSiC:n tiheys parani merkittävästi (jopa 2,90 g/cm³) ja sen taivutuslujuus parani 3–6 PIP-syklin jälkeen. Lisäksi he ehdottivat syklistä strategiaa, jossa yhdistyvät PIP ja uudelleenkiteytys: pyrolyysi 1400 °C:ssa, jota seuraa uudelleenkiteytys 2400 °C:ssa, mikä poistaa tehokkaasti hiukkastukokset ja vähentää huokoisuutta. Lopullinen RSiC-materiaali saavutti 2,99 g/cm³:n tiheyden ja 162,3 MPa:n taivutuslujuuden, mikä osoittaa erinomaista kokonaisvaltaista suorituskykyä.
Kiillotetun RSiC:n mikrorakenteen kehityksen SEM-kuvat polymeerikyllästyksen ja pyrolyysi (PIP) -uudelleenkiteytyssyklien jälkeen: Alkuperäinen RSiC (A), ensimmäisen PIP-uudelleenkiteytyssyklin jälkeen (B) ja kolmannen syklin jälkeen (C)
II. Paineeton sintraus
Paineettomalla sintrauksella valmistetut piikarbidi- (SiC) keraamit valmistetaan tyypillisesti käyttämällä raaka-aineena erittäin puhdasta, erittäin hienoa piikarbidijauhetta, johon lisätään pieniä määriä sintrausaineita, ja sintrataan inertissä ilmakehässä tai tyhjiössä 1800–2150 °C:n lämpötilassa. Tämä menetelmä soveltuu suurikokoisten ja monimutkaisen rakenteen omaavien keraamisten komponenttien valmistukseen. Koska piikarbidi on kuitenkin pääasiassa kovalenttisesti sidottu, sen itsediffuusiokerroin on erittäin pieni, mikä tekee tiivistämisestä vaikeaa ilman sintrausaineita.
Sintrausmekanismin perusteella paineeton sintraus voidaan jakaa kahteen luokkaan: paineeton nestefaasisintraus (PLS-SiC) ja paineeton kiinteän olomuodon sintraus (PSS-SiC).
1.1 PLS-SiC (nestefaasisintraus)
PLS-SiC sintrataan tyypillisesti alle 2000 °C:ssa lisäämällä noin 10 painoprosenttia eutektisia sintrausaineita (kuten Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ ja harvinaisten maametallien oksidit RE₂O₃) nestemäisen faasin muodostamiseksi, mikä edistää hiukkasten uudelleenjärjestäytymistä ja massansiirtoa tiivistymisen saavuttamiseksi. Tämä prosessi soveltuu teollisuuslaatuisille SiC-keraamille, mutta nestemäisellä faasilla sintraamalla saavutetusta erittäin puhtaasta SiC:stä ei ole raportoitu.
1.2 PSS-SiC (kiinteän olomuodon sintraus)
PSS-SiC:ssä käytetään kiinteän olomuodon tiivistämistä yli 2000 °C:n lämpötiloissa noin 1 painoprosentin lisäaineiden avulla. Tämä prosessi perustuu pääasiassa atomien diffuusioon ja korkeiden lämpötilojen ohjaamaan raerakenteen uudelleenjärjestymiseen pintaenergian vähentämiseksi ja tiivistämisen saavuttamiseksi. BC (boori-hiili) -järjestelmä on yleinen lisäaineyhdistelmä, joka voi alentaa raerajan energiaa ja poistaa SiO₂:ta piikarbidin pinnalta. Perinteiset BC-lisäaineet kuitenkin usein tuovat mukanaan jäännösepäpuhtauksia, jotka vähentävät piikarbidin puhtautta.
Lisäainepitoisuutta kontrolloimalla (B 0,4 painoprosenttia, C 1,8 painoprosenttia) ja sintraamalla 2150 °C:ssa 0,5 tunnin ajan saatiin erittäin puhdasta piikarbidikeramiikkaa, jonka puhtaus oli 99,6 painoprosenttia ja suhteellinen tiheys 98,4 %. Mikrorakenteessa oli pylväsmäisiä rakeita (jotkut yli 450 µm pitkiä), pieniä huokosia raerajoilla ja grafiittihiukkasia rakeiden sisällä. Keramiikan taivutuslujuus oli 443 ± 27 MPa, kimmomoduuli 420 ± 1 GPa ja lämpölaajenemiskerroin 3,84 × 10⁻⁶ K⁻¹ huoneenlämpötilasta 600 °C:seen, mikä osoittaa erinomaista kokonaissuorituskykyä.
PSS-SiC:n mikrorakenne: (A) SEM-kuva kiillotuksen ja NaOH-etsauksen jälkeen; (BD) BSD-kuvat kiillotuksen ja etsauksen jälkeen
III. Kuumapuristus Sintraus
Kuumapuristus (HP) on tiivistystekniikka, jossa jauhemaisiin materiaaleihin kohdistetaan samanaikaisesti lämpöä ja yksiaksiaalista painetta korkeassa lämpötilassa ja korkeassa paineessa. Korkea paine estää merkittävästi huokosten muodostumista ja rajoittaa rakeiden kasvua, kun taas korkea lämpötila edistää rakeiden sulamista ja tiheiden rakenteiden muodostumista, mikä lopulta tuottaa tiheää ja puhdasta piikarbidikeramiikkaa. Puristuksen suuntaavan luonteen vuoksi tämä prosessi aiheuttaa usein rakeiden anisotropiaa, mikä vaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin ja kulumiskestävyyteen.
Puhdasta piikarbidijauhetta on vaikea tiivistää ilman lisäaineita, ja se vaatii erittäin korkeapainesintrausta. Nadeau ym. valmistivat onnistuneesti täysin tiivistä piikarbidia ilman lisäaineita 2500 °C:ssa ja 5000 MPa:n paineessa; Sun ym. saivat β-piikarbidimassamateriaaleja, joiden Vickers-kovuus oli jopa 41,5 GPa 25 GPa:n paineessa ja 1400 °C:ssa. 4 GPa:n paineella valmistettiin piikarbidijauheita, joiden suhteelliset tiheydet olivat noin 98 % ja 99 %, kovuus 35 GPa ja kimmokerroin 450 GPa 1500 °C:ssa ja 1900 °C:ssa. Mikronikokoisen piikarbidijauheen sintraaminen 5 GPa:ssa ja 1500 °C:ssa tuotti keramiikkaa, jonka kovuus oli 31,3 GPa ja suhteellinen tiheys 98,4 %.
Vaikka nämä tulokset osoittavat, että erittäin korkealla paineella voidaan saavuttaa lisäaineeton tiivistys, tarvittavien laitteiden monimutkaisuus ja korkea hinta rajoittavat teollisia sovelluksia. Siksi käytännön valmistuksessa käytetään usein hivenaineita tai jauherakeistusta sintrausvoiman tehostamiseksi.
Lisäämällä 4 painoprosenttia fenolihartsia lisäaineena ja sintraamalla 2350 °C:ssa ja 50 MPa:n paineessa saatiin piikarbidi (SiC), jonka tiivistymisaste oli 92 % ja puhtaus 99,998 %. Käyttämällä alhaisia lisäainemääriä (boorihappo ja D-fruktoosi) ja sintraamalla 2050 °C:ssa ja 40 MPa:n paineessa valmistettiin erittäin puhdasta piikarbidia, jonka suhteellinen tiheys oli > 99,5 % ja jäännösbiogeeninen pitoisuus vain 556 ppm. SEM-kuvat osoittivat, että paineettomasti sintrattuihin näytteisiin verrattuna kuumapuristetuissa näytteissä oli pienempiä rakeita, vähemmän huokosia ja suurempi tiheys. Taivutuslujuus oli 453,7 ± 44,9 MPa ja kimmomoduuli 444,3 ± 1,1 GPa.
Pidentämällä pitoaikaa 1900 °C:ssa raekoko kasvoi 1,5 μm:stä 1,8 μm:iin ja lämmönjohtavuus parani 155:stä 167 W·m⁻¹·K⁻¹:iin samalla parantaen plasmakorroosionkestävyyttä.
1850 °C:n lämpötilassa ja 30 MPa:n paineessa rakeistetun ja hehkutetun piikarbidijauheen kuumapuristuksella ja nopealla kuumapuristuksella saatiin täysin tiheää β-piikarbidikeramiikkaa ilman lisäaineita, jonka tiheys oli 3,2 g/cm³ ja sintrauslämpötila 150–200 °C alhaisempi kuin perinteisillä menetelmillä. Keraameilla oli 2729 GPa:n kovuus, 5,25–5,30 MPa·m^1/2 murtumissitkeys ja erinomainen virumislujuus (virumisnopeudet 9,9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ ja 3,8 × 10⁻⁹ s⁻¹ 1400 °C:ssa/1450 °C:ssa ja 100 MPa:n paineessa).
(A) Kiillotetun pinnan SEM-kuva; (B) Murtumapinnan SEM-kuva; (C, D) Kiillotetun pinnan BSD-kuva
Pietsosähköisten keraamien 3D-tulostustutkimuksessa keraaminen liete on noussut keskeiseksi muovaukseen ja suorituskykyyn vaikuttavaksi tekijäksi sekä kotimaassa että kansainvälisesti. Nykyiset tutkimukset osoittavat yleisesti, että parametrit, kuten jauheen hiukkaskoko, lieteen viskositeetti ja kiintoainepitoisuus, vaikuttavat merkittävästi lopputuotteen muovauslaatuun ja pietsosähköisiin ominaisuuksiin.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että mikroni-, submikroni- ja nanokokoisilla bariumtitanaattijauheilla valmistetuilla keraamisilla lietteillä on merkittäviä eroja stereolitografiaprosesseissa (esim. LCD-SLA). Hiukkaskoon pienentyessä lietteen viskositeetti kasvaa merkittävästi, ja nanokokoiset jauheet tuottavat lietteitä, joiden viskositeetti saavuttaa miljardeja mPa·s. Mikronikokoisia jauheita sisältävät lietteet ovat alttiita delaminaatiolle ja hilseilylle tulostuksen aikana, kun taas submikroni- ja nanokokoisilla jauheilla on vakaampi muovauskäyttäytyminen. Korkean lämpötilan sintrauksen jälkeen tuloksena olevat keraamiset näytteet saavuttivat 5,44 g/cm³:n tiheyden, noin 200 pC/N:n pietsosähköisen kertoimen (d₃₃) ja alhaiset häviökertoimet, mikä osoittaa erinomaisia sähkömekaanisia ominaisuuksia.
Lisäksi mikrostereolitografiaprosesseissa PZT-tyyppisten lieteiden kiintoainepitoisuuden säätäminen (esim. 75 painoprosenttiin) tuotti sintrattuja kappaleita, joiden tiheys oli 7,35 g/cm³, jolloin pietsosähköinen vakio oli jopa 600 pC/N napaisten sähkökenttien alaisena. Mikroskooppisen muodonmuutoksen kompensointia koskeva tutkimus paransi merkittävästi muovaustarkkuutta ja paransi geometrista tarkkuutta jopa 80 prosenttia.
Toinen PMN-PT-pietsosähköisiä keraamisia tutkimuksia koskeva tutkimus paljasti, että kiintoainepitoisuus vaikuttaa kriittisesti keraamisen rakenteen ja sähköisten ominaisuuksien kehitykseen. 80 painoprosentin kiintoainepitoisuudella sivutuotteita ilmestyi helposti keraamiin; kun kiintoainepitoisuus nousi 82 painoprosenttiin tai sen yli, sivutuotteet katosivat vähitellen ja keraaminen rakenne puhtaammaksi parani merkittävästi. 82 painoprosentin kiintoainepitoisuudella keraamit osoittivat optimaaliset sähköiset ominaisuudet: pietsosähköinen vakio 730 pC/N, suhteellinen permittiivisyys 7226 ja dielektrinen häviö vain 0,07.
Yhteenvetona voidaan todeta, että keraamisten lietteiden hiukkaskoko, kiintoainepitoisuus ja reologiset ominaisuudet eivät ainoastaan vaikuta tulostusprosessin vakauteen ja tarkkuuteen, vaan ne myös määräävät suoraan sintrattujen kappaleiden tiheyden ja pietsosähköisen vasteen, mikä tekee niistä keskeisiä parametreja korkean suorituskyvyn omaavien 3D-tulostettujen pietsosähköisten keraamien saavuttamiseksi.
BT/UV-näytteiden LCD-SLA 3D-tulostuksen pääprosessi
PMN-PT-keraamien ominaisuudet eri kiintoainepitoisuuksilla
IV. Kipinäplasmasintraus
Kipinäplasmasintraus (SPS) on edistynyt sintraustekniikka, jossa jauheisiin kohdistetaan samanaikaisesti pulssivirtaa ja mekaanista painetta nopean tiivistyksen saavuttamiseksi. Tässä prosessissa virta lämmittää suoraan muottia ja jauhetta, jolloin syntyy Joule-lämpöä ja plasmaa, mikä mahdollistaa tehokkaan sintrauksen lyhyessä ajassa (tyypillisesti 10 minuutissa). Nopea lämmitys edistää pinnan diffuusiota, kun taas kipinäpurkaus auttaa poistamaan adsorboituneet kaasut ja oksidikerrokset jauheen pinnoilta, mikä parantaa sintrauksen suorituskykyä. Sähkömagneettisten kenttien aiheuttama sähkömigraatiovaikutus parantaa myös atomien diffuusiota.
Perinteiseen kuumapuristukseen verrattuna SPS käyttää suorempaa kuumennusta, mikä mahdollistaa tiivistämisen alhaisemmissa lämpötiloissa ja estää tehokkaasti rakeiden kasvua hienojen ja yhtenäisten mikrorakenteiden aikaansaamiseksi. Esimerkiksi:
- Ilman lisäaineita, jauhettua piikarbidijauhetta raaka-aineena käyttäen, sintraamalla 2100 °C:ssa ja 70 MPa:n paineessa 30 minuutin ajan, saatiin näytteitä, joiden suhteellinen tiheys oli 98 %.
- Sintraaminen 1700 °C:ssa ja 40 MPa:n paineessa 10 minuutin ajan tuotti kuutiollista piikarbidia, jonka tiheys oli 98 % ja raekoko vain 30–50 nm.
- Käyttämällä 80 µm rakeista piikarbidijauhetta ja sintraamalla 1860 °C:ssa ja 50 MPa:n paineessa 5 minuutin ajan saatiin korkean suorituskyvyn omaavia piikarbidikerameja, joiden suhteellinen tiheys oli 98,5 %, Vickers-mikrokovuus 28,5 GPa, taivutuslujuus 395 MPa ja murtumissitkeys 4,5 MPa·m^1/2.
Mikrorakenneanalyysi osoitti, että sintrauslämpötilan noustessa 1600 °C:sta 1860 °C:seen materiaalin huokoisuus väheni merkittävästi ja lähestyi täyttä tiheyttä korkeissa lämpötiloissa.
Eri lämpötiloissa sintrattujen piikarbidikeraamien mikrorakenne: (A) 1600 °C, (B) 1700 °C, (C) 1790 °C ja (D) 1860 °C
V. Lisäainevalmistus
Additiivinen valmistus (AM) on viime aikoina osoittanut valtavan potentiaalin monimutkaisten keraamisten komponenttien valmistuksessa kerros kerrokselta -rakennusprosessinsa ansiosta. Piikarbidikeramiikalle on kehitetty useita AM-tekniikoita, mukaan lukien sideainesuihkutus (BJ), 3DP, selektiivinen lasersintraus (SLS), suora mustekirjoitus (DIW) ja stereolitografia (SL, DLP). 3DP:llä ja DIW:llä on kuitenkin alhaisempi tarkkuus, kun taas SLS:llä on taipumus aiheuttaa lämpöjännitystä ja halkeamia. Sitä vastoin BJ ja SL tarjoavat suurempia etuja erittäin puhtaiden ja tarkkojen monimutkaisten keraamien valmistuksessa.
- Sideaineen suihkutus (BJ)
BJ-tekniikkaan kuuluu sideaineen ruiskuttaminen kerros kerrokselta sideainejauheeksi, minkä jälkeen sideaineen poisto ja sintraus suoritetaan lopullisen keraamisen tuotteen aikaansaamiseksi. Yhdistämällä BJ kemialliseen höyryinfiltraatioon (CVI) saatiin aikaan erittäin puhtaita, täysin kiteisiä piikarbidikerameja. Prosessi sisältää:
① SiC-keraamisten viherkappaleiden muodostaminen BJ:tä käyttäen.
② Tiivistäminen CVI:n avulla 1000 °C:ssa ja 200 Torrin paineessa.
③ Lopullisen piikarbidikeramin tiheys oli 2,95 g/cm³, lämmönjohtavuus 37 W/m·K ja taivutuslujuus 297 MPa.
Liimasuihkutulostuksen (BJ) kaaviokuva. (A) Tietokoneella avustettu suunnittelumalli (CAD), (B) BJ-periaatteen kaaviokuva, (C) piikarbidin tulostus BJ:llä, (D) piikarbidin tiivistäminen kemiallisella höyryinfiltraatiolla (CVI)
- Stereolitografia (SL)
SL on UV-kovettuvaan perustuva keraamisen muovaustekniikka, jolla on erittäin korkea tarkkuus ja monimutkaisten rakenteiden valmistusmahdollisuudet. Tässä menetelmässä käytetään valoherkkiä keraamisia lietteitä, joilla on korkea kiintoainepitoisuus ja alhainen viskositeetti, 3D-keraamisten vihreiden kappaleiden muodostamiseksi fotopolymeroinnilla, jota seuraa sideaineen poisto ja korkean lämpötilan sintraus lopputuotteen saamiseksi.
Käyttäen 35 tilavuusprosenttia sisältävää piikarbidilietettä, valmistettiin korkealaatuisia 3D-vihreitä kappaleita 405 nm:n UV-säteilytyksellä ja tiivistettiin edelleen polymeeripoltolla 800 °C:ssa ja PIP-käsittelyllä. Tulokset osoittivat, että 35 tilavuusprosenttia sisältävällä lietteellä valmistetut näytteet saavuttivat 84,8 %:n suhteellisen tiheyden, mikä oli parempi kuin 30 %:n ja 40 %:n kontrolliryhmillä.
Lisäämällä lipofiilistä SiO₂:ta ja fenoliepoksihartsia (PEA) lietteen modifioimiseksi fotopolymeroinnin suorituskykyä parannettiin tehokkaasti. Neljän tunnin sintrauksen jälkeen 1600 °C:ssa saavutettiin lähes täydellinen piikarbidiksi (SiC) muuntuminen, jonka lopullinen happipitoisuus oli vain 0,12 %. Tämä mahdollisti erittäin puhtaiden, monimutkaisen rakenteen omaavien piikarbidikeraamien valmistuksen yhdessä vaiheessa ilman esihapetus- tai esisuodatusvaiheita.
Painorakenteen ja sen sintrausprosessin kuvaus. Näytteen ulkonäkö kuivauksen (A) 25 °C:ssa, pyrolyysin (B) 1000 °C:ssa ja sintrauksen (C) 1600 °C:ssa jälkeen.
Suunnittelemalla valoherkkiä Si₃N₄-keraamislietteitä stereolitografia-3D-tulostukseen ja käyttämällä sideaineenpoisto-esisintraus- ja korkean lämpötilan vanhentamisprosesseja valmistettiin Si₃N₄-keraamia, jonka teoreettinen tiheys oli 93,3 %, vetolujuus 279,8 MPa ja taivutuslujuus 308,5–333,2 MPa. Tutkimuksissa havaittiin, että 45 tilavuusprosentin kiintoainepitoisuudella ja 10 sekunnin valotusajalla voitiin saada yksikerroksisia vihreitä kappaleita, joiden kovettumistarkkuus oli IT77-tason. Matalan lämpötilan sideainenpoistoprosessi 0,1 °C/min lämmitysnopeudella auttoi tuottamaan halkeilemattomia vihreitä kappaleita.
Sintraus on keskeinen vaihe, joka vaikuttaa stereolitografian lopulliseen suorituskykyyn. Tutkimukset osoittavat, että sintrausapuaineiden lisääminen voi tehokkaasti parantaa keraamien tiheyttä ja mekaanisia ominaisuuksia. Käyttämällä CeO₂:ta sintrausapuaineena ja sähkökenttäavusteista sintraustekniikkaa tiheiden Si₃N₄-keraamien valmistuksessa havaittiin CeO₂:n erottuvan raerajoilla, mikä edistää raerajan liukumista ja tiivistymistä. Tuloksena olevien keraamien Vickers-kovuus oli HV10/10 (1347,9 ± 2,4) ja murtumissitkeys (6,57 ± 0,07) MPa·m¹/². Kun MgO–Y₂O₃-lisäaineita käytettiin, keraamien mikrorakenteen homogeenisuus parani, mikä paransi merkittävästi suorituskykyä. 8 painoprosentin kokonaisseostuspitoisuudella taivutuslujuus ja lämmönjohtavuus olivat vastaavasti 915,54 MPa ja 59,58 W·m⁻¹·K⁻¹.
VI. Johtopäätös
Yhteenvetona voidaan todeta, että erittäin puhtaat piikarbidi- (SiC) keraamit ovat erinomainen tekninen keraaminen materiaali, jolla on laajat sovellusmahdollisuudet puolijohteissa, ilmailu- ja avaruustekniikassa sekä äärimmäisissä olosuhteissa käytävissä laitteissa. Tässä artikkelissa analysoitiin systemaattisesti viittä tyypillistä erittäin puhtaiden piikarbidi-keraamien valmistustapaa – uudelleenkiteytyssintraus, paineeton sintraus, kuumapuristus, kipinäplasmasintraus ja additiivinen valmistus – ja käsiteltiin yksityiskohtaisesti niiden tiivistysmekanismeja, keskeisten parametrien optimointia, materiaalin suorituskykyä sekä vastaavia etuja ja rajoituksia.
On selvää, että eri prosesseilla on kullakin ainutlaatuiset ominaisuudet korkean puhtauden, tiheyden, monimutkaisten rakenteiden ja teollisen toteutettavuuden saavuttamisessa. Erityisesti lisäainevalmistusteknologia on osoittanut vahvaa potentiaalia monimutkaisten muotoisten ja räätälöityjen komponenttien valmistuksessa, ja läpimurtoja on tapahtunut esimerkiksi stereolitografiassa ja sideainesuihkutuksessa, mikä tekee siitä tärkeän kehityssuunnan korkean puhtauden piikarbidikeramiikan valmistuksessa.
Tulevassa erittäin puhtaan piikarbidikeramin valmistuksen tutkimuksessa on syvennyttävä ja edistettävä siirtymistä laboratoriomittakaavasta laajamittaisiin ja erittäin luotettaviin teknisiin sovelluksiin, mikä tarjoaa kriittistä materiaalitukea huippuluokan laitteiden valmistukselle ja seuraavan sukupolven tietotekniikalle.
XKH on korkean teknologian yritys, joka on erikoistunut korkean suorituskyvyn keraamisten materiaalien tutkimukseen ja tuotantoon. Se on omistautunut tarjoamaan asiakkaille räätälöityjä ratkaisuja erittäin puhtaiden piikarbidi (SiC) -keraamien muodossa. Yrityksellä on edistykselliset materiaalinvalmistusteknologiat ja tarkat prosessointiominaisuudet. Sen liiketoimintaan kuuluu erittäin puhtaiden piikarbidi-keraamien tutkimus, tuotanto, tarkka prosessointi ja pintakäsittely, jotka täyttävät puolijohde-, uusien energialähteiden, ilmailu- ja muiden alojen tiukat vaatimukset korkean suorituskyvyn keraamisille komponenteille. Hyödyntämällä kypsiä sintrausprosesseja ja lisäainevalmistustekniikoita voimme tarjota asiakkaille kokonaisvaltaisen palvelun materiaalikaavan optimoinnista monimutkaisten rakenteiden muodostamiseen tarkkaan prosessointiin varmistaen, että tuotteilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, lämmönkestävyys ja korroosionkestävyys.
Julkaisuaika: 30.7.2025