सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक और उनकी विविध निर्माण प्रक्रियाएं

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिरेमिकसटीक बियरिंग्स, सील्स, गैस टरबाइन रोटर्स, ऑप्टिकल घटकों, उच्च तापमान नोजल, हीट एक्सचेंजर घटकों और परमाणु रिएक्टर सामग्री जैसे मांग वाले अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से कार्यरत हैं। यह व्यापक उपयोग उनके असाधारण गुणों से उपजा है, जिसमें उच्च पहनने के प्रतिरोध, उत्कृष्ट तापीय चालकता, बेहतर ऑक्सीकरण प्रतिरोध और उत्कृष्ट उच्च तापमान यांत्रिक गुण शामिल हैं। हालाँकि, SiC में निहित मजबूत सहसंयोजक बंधन और कम प्रसार गुणांक सिंटरिंग प्रक्रिया के दौरान उच्च घनत्व प्राप्त करने में एक महत्वपूर्ण चुनौती पेश करते हैं। परिणामस्वरूप, उच्च प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए सिंटरिंग प्रक्रिया एक महत्वपूर्ण कदम बन जाती हैSiC सिरेमिक.

यह पेपर घने उत्पादन के लिए नियोजित विभिन्न विनिर्माण तकनीकों का एक व्यापक अवलोकन प्रदान करता हैआरबीएसआईसी/पीएसएसआईसी/आरएसआईसी चीनी मिट्टी की चीज़ें, उनकी अनूठी विशेषताओं और अनुप्रयोगों पर प्रकाश डालती हैं:

1. रिएक्शन बॉन्डेड सिलिकॉन कार्बाइड (RBSiC)

आरबीएसआईसीइसमें सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर (आमतौर पर 1-10 माइक्रोमीटर) को कार्बन के साथ मिलाना, मिश्रण को हरे रंग का आकार देना और सिलिकॉन घुसपैठ के लिए इसे उच्च तापमान पर रखना शामिल है। इस प्रक्रिया के दौरान, सिलिकॉन कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करके SiC बनाता है, जो मौजूदा SiC कणों के साथ बंध जाता है, और अंततः घनत्व प्राप्त करता है। दो प्राथमिक सिलिकॉन घुसपैठ विधियों का उपयोग किया जाता है:

तरल सिलिकॉन घुसपैठ: सिलिकॉन को उसके पिघलने बिंदु (1450-1470 डिग्री सेल्सियस) से ऊपर गर्म किया जाता है, जिससे पिघला हुआ सिलिकॉन केशिका क्रिया के माध्यम से छिद्रपूर्ण हरे शरीर में घुसपैठ कर सकता है। पिघला हुआ सिलिकॉन फिर कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे SiC बनता है।

वाष्प सिलिकॉन घुसपैठ: सिलिकॉन वाष्प उत्पन्न करने के लिए सिलिकॉन को उसके गलनांक से अधिक गर्म किया जाता है। यह वाष्प हरे शरीर में प्रवेश करती है और बाद में कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करती है, जिससे SiC बनता है।

प्रक्रिया प्रवाह: SiC पाउडर + C पाउडर + बाइंडर → आकार देना → सुखाना → नियंत्रित वातावरण में बाइंडर का जलना → उच्च तापमान Si घुसपैठ → पोस्ट-प्रोसेसिंग

(1) मुख्य विचार:

का ऑपरेटिंग तापमानआरबीएसआईसीसामग्री में अवशिष्ट मुक्त सिलिकॉन सामग्री द्वारा सीमित है। आमतौर पर, अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान 1400°C के आसपास होता है। इस तापमान से ऊपर, मुक्त सिलिकॉन के पिघलने के कारण सामग्री की ताकत तेजी से खराब हो जाती है।

तरल सिलिकॉन घुसपैठ से उच्च अवशिष्ट सिलिकॉन सामग्री (आमतौर पर 10-15%, कभी-कभी 15% से अधिक) निकल जाती है, जो अंतिम उत्पाद के गुणों पर नकारात्मक प्रभाव डाल सकती है। इसके विपरीत, वाष्प सिलिकॉन घुसपैठ अवशिष्ट सिलिकॉन सामग्री पर बेहतर नियंत्रण की अनुमति देता है। हरे शरीर में सरंध्रता को कम करके, सिंटरिंग के बाद अवशिष्ट सिलिकॉन सामग्री को 10% से कम किया जा सकता है, और सावधानीपूर्वक प्रक्रिया नियंत्रण के साथ, 8% से भी कम किया जा सकता है। इस कमी से अंतिम उत्पाद के समग्र प्रदर्शन में उल्लेखनीय सुधार होता है।

यह ध्यान रखने के लिए महत्वपूर्ण हैआरबीएसआईसीघुसपैठ विधि की परवाह किए बिना, अनिवार्य रूप से कुछ अवशिष्ट सिलिकॉन (8% से लेकर 15% से अधिक) शामिल होंगे। इसलिए,आरबीएसआईसीयह एकल-चरण सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक नहीं है, बल्कि एक "सिलिकॉन + सिलिकॉन कार्बाइड" मिश्रित है। फलस्वरूप,आरबीएसआईसीभी कहा जाता हैSiSiC (सिलिकॉन सिलिकॉन कार्बाइड कम्पोजिट).

(2) लाभ और अनुप्रयोग:

आरबीएसआईसीकई लाभ प्रदान करता है, जिनमें शामिल हैं:

कम सिंटरिंग तापमान: इससे ऊर्जा की खपत और उत्पादन लागत कम हो जाती है।

लागत-प्रभावशीलता: यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत सरल है और आसानी से उपलब्ध कच्चे माल का उपयोग करती है, जो इसकी सामर्थ्य में योगदान करती है।

उच्च घनत्व:आरबीएसआईसीउच्च घनत्व स्तर प्राप्त करता है, जिससे यांत्रिक गुणों में सुधार होता है।

नियर-नेट शेपिंग: कार्बन और सिलिकॉन कार्बाइड प्रीफॉर्म को जटिल आकृतियों के लिए पूर्व-मशीनीकृत किया जा सकता है, और सिंटरिंग के दौरान न्यूनतम संकोचन (आमतौर पर 3% से कम) उत्कृष्ट आयामी सटीकता सुनिश्चित करता है। इससे महंगी पोस्ट-सिंटरिंग मशीनिंग, निर्माण की आवश्यकता कम हो जाती हैआरबीएसआईसीबड़े, जटिल आकार के घटकों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त।

इन फायदों के कारण,आरबीएसआईसीविभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, मुख्य रूप से विनिर्माण के लिए:

भट्ठी के घटक: अस्तर, क्रूसिबल और सग्गर्स।

अंतरिक्ष दर्पण:आरबीएसआईसीइसका कम तापीय विस्तार गुणांक और उच्च लोचदार मापांक इसे अंतरिक्ष-आधारित दर्पणों के लिए एक आदर्श सामग्री बनाते हैं।

उच्च तापमान ताप विनिमायक: रेफेल (यूके) जैसी कंपनियों ने इसके उपयोग की शुरुआत की हैआरबीएसआईसीउच्च तापमान वाले हीट एक्सचेंजर्स में, रासायनिक प्रसंस्करण से लेकर बिजली उत्पादन तक के अनुप्रयोगों के साथ। असाही ग्लास (जापान) ने भी इस तकनीक को अपनाया है, जो 0.5 से 1 मीटर लंबाई तक की हीट एक्सचेंज ट्यूब का उत्पादन करता है।

इसके अलावा, सेमीकंडक्टर उद्योग में बड़े वेफर्स और उच्च प्रसंस्करण तापमान की बढ़ती मांग ने उच्च शुद्धता के विकास को प्रेरित किया है।आरबीएसआईसीअवयव। उच्च शुद्धता वाले SiC पाउडर और सिलिकॉन का उपयोग करके निर्मित ये घटक धीरे-धीरे इलेक्ट्रॉन ट्यूब और सेमीकंडक्टर वेफर प्रसंस्करण उपकरण के लिए समर्थन जिग्स में क्वार्ट्ज ग्लास भागों की जगह ले रहे हैं।

डिफ्यूजन फर्नेस के लिए सेमीकोरेक्स आरबीएसआईसी वेफर बोट

(3) सीमाएँ:

इसके फायदों के बावजूद,आरबीएसआईसीइसकी कुछ सीमाएँ हैं:

अवशिष्ट सिलिकॉन: जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है,आरबीएसआईसीप्रक्रिया स्वाभाविक रूप से अंतिम उत्पाद के भीतर अवशिष्ट मुक्त सिलिकॉन का परिणाम देती है। यह अवशिष्ट सिलिकॉन सामग्री के गुणों को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है, जिनमें शामिल हैं:

अन्य की तुलना में कम ताकत और पहनने का प्रतिरोधSiC सिरेमिक.

सीमित संक्षारण प्रतिरोध: मुक्त सिलिकॉन क्षारीय समाधानों और हाइड्रोफ्लोरिक एसिड जैसे मजबूत एसिड द्वारा हमला करने के लिए अतिसंवेदनशील होता है,आरबीएसआईसीऐसे वातावरण में उपयोग.

कम उच्च तापमान की ताकत: मुक्त सिलिकॉन की उपस्थिति अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान को लगभग 1350-1400 डिग्री सेल्सियस तक सीमित कर देती है।

2. दबाव रहित सिंटरिंग - PSSiC

सिलिकॉन कार्बाइड की दबाव रहित सिंटरिंगउपयुक्त सिंटरिंग सहायता जोड़कर, निष्क्रिय वातावरण के तहत 2000-2150 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर और बाहरी दबाव लागू किए बिना विभिन्न आकृतियों और आकारों के नमूनों का घनत्व प्राप्त किया जाता है। SiC की दबाव रहित सिंटरिंग तकनीक परिपक्व हो गई है, और इसके फायदे इसकी कम उत्पादन लागत और उत्पादों के आकार और आकार पर कोई प्रतिबंध नहीं है। विशेष रूप से, ठोस-चरण सिन्टर वाले SiC सिरेमिक में उच्च घनत्व, समान माइक्रोस्ट्रक्चर और उत्कृष्ट व्यापक सामग्री गुण होते हैं, जिससे उन्हें पहनने-प्रतिरोधी और संक्षारण-प्रतिरोधी सीलिंग रिंग, स्लाइडिंग बीयरिंग और अन्य अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड की दबाव रहित सिंटरिंग प्रक्रिया को ठोस-चरण में विभाजित किया जा सकता हैसिंटर्ड सिलिकॉन कार्बाइड (SSiC)और तरल-चरण सिन्जेड सिलिकॉन कार्बाइड (LSiC)।

दबाव रहित ठोस-चरण सिंटर सिलिकॉन कार्बाइड की सूक्ष्म संरचना और अनाज सीमा

सॉलिड-फ़ेज़ सिंटरिंग का आविष्कार पहली बार 1974 में अमेरिकी वैज्ञानिक प्रोचज़्का द्वारा किया गया था। उन्होंने सबमाइक्रोन β-SiC में थोड़ी मात्रा में बोरॉन और कार्बन मिलाया, जिससे सिलिकॉन कार्बाइड की दबाव रहित सिंटरिंग का एहसास हुआ और 95% के करीब घनत्व के साथ एक घने सिंटर बॉडी प्राप्त हुई। सैद्धांतिक मूल्य. इसके बाद, डब्ल्यू. बटकर और एच. हैन्सनर ने कच्चे माल के रूप में α-SiC का उपयोग किया और सिलिकॉन कार्बाइड के घनत्व को प्राप्त करने के लिए बोरान और कार्बन मिलाया। बाद के कई अध्ययनों से पता चला है कि बोरोन और बोरोन यौगिक और अल और अल यौगिक दोनों सिंटरिंग को बढ़ावा देने के लिए सिलिकॉन कार्बाइड के साथ ठोस समाधान बना सकते हैं। सतह की ऊर्जा बढ़ाने के लिए सिलिकॉन कार्बाइड की सतह पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करके सिंटरिंग के लिए कार्बन का मिश्रण फायदेमंद होता है। ठोस-चरण सिन्टरयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड में अपेक्षाकृत "स्वच्छ" अनाज सीमाएँ होती हैं जिनमें मूल रूप से कोई तरल चरण मौजूद नहीं होता है, और अनाज उच्च तापमान पर आसानी से बढ़ते हैं। इसलिए, फ्रैक्चर ट्रांसग्रेनुलर है, और ताकत और फ्रैक्चर क्रूरता आम तौर पर अधिक नहीं होती है। हालाँकि, इसकी "स्वच्छ" अनाज सीमाओं के कारण, उच्च तापमान की ताकत बढ़ते तापमान के साथ नहीं बदलती है और आम तौर पर 1600 डिग्री सेल्सियस तक स्थिर रहती है।

सिलिकॉन कार्बाइड की तरल-चरण सिंटरिंग का आविष्कार अमेरिकी वैज्ञानिक एम.ए. मुल्ला ने 1990 के दशक की शुरुआत में किया था। इसका मुख्य सिंटरिंग एडिटिव Y2O3-Al2O3 है। तरल-चरण सिंटरिंग में ठोस-चरण सिंटरिंग की तुलना में कम सिंटरिंग तापमान का लाभ होता है, और अनाज का आकार छोटा होता है।

ठोस-चरण सिंटरिंग के मुख्य नुकसान उच्च सिंटरिंग तापमान की आवश्यकता (>2000 डिग्री सेल्सियस), कच्चे माल के लिए उच्च शुद्धता की आवश्यकताएं, सिंटर बॉडी की कम फ्रैक्चर क्रूरता और दरारों के प्रति फ्रैक्चर ताकत की मजबूत संवेदनशीलता हैं। संरचनात्मक रूप से, दाने मोटे और असमान होते हैं, और फ्रैक्चर मोड आमतौर पर ट्रांसग्रेनुलर होता है। हाल के वर्षों में, देश और विदेश में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक सामग्रियों पर शोध ने तरल-चरण सिंटरिंग पर ध्यान केंद्रित किया है। तरल-चरण सिंटरिंग को सिंटरिंग सहायता के रूप में एक निश्चित मात्रा में बहु-घटक कम-यूटेक्टिक ऑक्साइड का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। उदाहरण के लिए, Y2O3 के बाइनरी और टर्नरी एड्स SiC और इसके कंपोजिट को तरल-चरण सिंटरिंग प्रदर्शित कर सकते हैं, जिससे कम तापमान पर सामग्री का आदर्श घनत्व प्राप्त हो सकता है। साथ ही, अनाज सीमा तरल चरण की शुरूआत और अद्वितीय इंटरफ़ेस बॉन्डिंग ताकत के कमजोर होने के कारण, सिरेमिक सामग्री का फ्रैक्चर मोड एक इंटरग्रेनुलर फ्रैक्चर मोड में बदल जाता है, और सिरेमिक सामग्री की फ्रैक्चर क्रूरता में काफी सुधार होता है .

3. पुनर्क्रिस्टलीकृत सिलिकॉन कार्बाइड - आरएसआईसी

पुनर्क्रिस्टलीकृत सिलिकॉन कार्बाइड (RSiC)एक उच्च शुद्धता वाली SiC सामग्री है जो दो अलग-अलग कण आकार, मोटे और महीन, उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) पाउडर से बनाई जाती है। इसे उच्च तापमान (2200-2450 डिग्री सेल्सियस) पर वाष्पीकरण-संक्षेपण तंत्र के माध्यम से सिंटरिंग सहायता जोड़े बिना सिंटर किया जाता है।

ध्यान दें: सिंटरिंग सहायता के बिना, सिंटरिंग गर्दन की वृद्धि आम तौर पर सतह प्रसार या वाष्पीकरण-संघनन बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के माध्यम से प्राप्त की जाती है। शास्त्रीय सिंटरिंग सिद्धांत के अनुसार, इन द्रव्यमान स्थानांतरण विधियों में से कोई भी संपर्क कणों के द्रव्यमान केंद्रों के बीच की दूरी को कम नहीं कर सकता है, इस प्रकार मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर कोई संकोचन नहीं होता है, जो एक गैर-घनत्व प्रक्रिया है। इस समस्या को हल करने और उच्च घनत्व वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक प्राप्त करने के लिए, लोगों ने कई उपाय किए हैं, जैसे गर्मी लगाना, सिंटरिंग सहायता जोड़ना, या गर्मी, दबाव और सिंटरिंग सहायता के संयोजन का उपयोग करना।

पुनः क्रिस्टलीकृत सिलिकॉन कार्बाइड की फ्रैक्चर सतह की SEM छवि

विशेषताएँ और अनुप्रयोग:

आरएसआईसीइसमें 99% से अधिक SiC होता है और मूल रूप से कोई अनाज सीमा अशुद्धियाँ नहीं होती हैं, यह SiC के कई उत्कृष्ट गुणों को बरकरार रखता है, जैसे उच्च तापमान ताकत, संक्षारण प्रतिरोध और थर्मल शॉक प्रतिरोध। इसलिए, इसका व्यापक रूप से उच्च तापमान वाले भट्ठी फर्नीचर, दहन नोजल, सौर तापीय कनवर्टर्स, डीजल वाहन निकास गैस शोधन उपकरण, धातु गलाने और अत्यधिक मांग वाले प्रदर्शन आवश्यकताओं वाले अन्य वातावरणों में उपयोग किया जाता है।

वाष्पीकरण-संघनन सिंटरिंग तंत्र के कारण, फायरिंग प्रक्रिया के दौरान कोई सिकुड़न नहीं होती है, और उत्पाद के विरूपण या टूटने का कारण बनने वाला कोई अवशिष्ट तनाव उत्पन्न नहीं होता है।

आरएसआईसीइसे विभिन्न तरीकों जैसे स्लिप कास्टिंग, जेल कास्टिंग, एक्सट्रूज़न और प्रेसिंग द्वारा बनाया जा सकता है। चूंकि फायरिंग प्रक्रिया के दौरान कोई सिकुड़न नहीं होती है, इसलिए सटीक आकार और आकार वाले उत्पाद प्राप्त करना आसान होता है, जब तक कि हरे रंग के शरीर के आयाम अच्छी तरह से नियंत्रित होते हैं।

निकाल दिया गयापुनः क्रिस्टलीकृत SiC उत्पादइसमें लगभग 10%-20% अवशिष्ट छिद्र होते हैं। सामग्री की सरंध्रता काफी हद तक हरे शरीर की सरंध्रता पर निर्भर करती है और सिंटरिंग तापमान के साथ महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलती है, जो सरंध्रता नियंत्रण के लिए एक आधार प्रदान करती है।

इस सिंटरिंग तंत्र के तहत, सामग्री में कई परस्पर जुड़े हुए छिद्र होते हैं, जिनमें झरझरा सामग्री के क्षेत्र में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है। उदाहरण के लिए, यह निकास गैस निस्पंदन और जीवाश्म ईंधन वायु निस्पंदन के क्षेत्र में पारंपरिक झरझरा उत्पादों की जगह ले सकता है।

आरएसआईसीइसमें कांच के चरणों और अशुद्धियों के बिना बहुत स्पष्ट और साफ अनाज की सीमाएं होती हैं क्योंकि किसी भी ऑक्साइड या धातु की अशुद्धियां 2150-2300 डिग्री सेल्सियस के उच्च तापमान पर अस्थिर हो जाती हैं। वाष्पीकरण-संघनन सिंटरिंग तंत्र SiC (SiC सामग्री को भी शुद्ध कर सकता हैआरएसआईसी99% से ऊपर है), SiC के कई उत्कृष्ट गुणों को बरकरार रखते हुए, इसे उच्च तापमान शक्ति, संक्षारण प्रतिरोध और थर्मल शॉक प्रतिरोध की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है, जैसे उच्च तापमान भट्ठा फर्नीचर, दहन नोजल, सौर थर्मल कन्वर्टर्स और धातु गलाने .**