SiC yang Terikat dengan Reaksi vs SiC yang Tidak Ditekan: Dua Rute yang Berbeda untuk Keramik Karbida Silikon Padat

Keramik karbida silikonbanyak dihargai karena kekerasan, konduktivitas termal, ekspansi termal yang rendah dan ketahanan terhadap lingkungan yang agresif.

Tapi SiC juga menghadirkan tantangan pemrosesan yang tidak biasa.

Ikatan kovalen yang kuat dan difusivitas atom yang rendah membuat pembekuan konvensional sangat sulit, memaksa produsen menggunakan teknologi sintering khusus.

Di antara rute industri yang paling penting adalahikatan reaksidanSinter tanpa tekanan.

Meskipun keduanya digunakan untuk memproduksi keramik SiC berkinerja tinggi, mereka mencapai pembekuan melalui mekanisme yang sangat berbeda.

Cara Membuat Karbida Silikon yang Terikat dengan Reaksi

Karbida silikon yang terikat reaksi, sering disingkat sebagai RB-SiC, biasanya dimulai dengan campuran bubuk SiC, karbon dan pengikat organik.

Campuran bubuk dibentuk menjadi benda hijau sebelum mengalami infiltrasi silikon pada suhu tinggi.

Selama proses, silikon cair atau fase uap memasuki tubuh hijau berlubang dan bereaksi dengan karbon:

Si + C → SiC

Reaksi ini menciptakan karbida silikon sekunder antara partikel SiC asli.

Residual silikon bebas kemudian menempati sebagian besar ruang pori yang tersisa, menghasilkan struktur keramik yang sangat padat.

Mengapa Porositas Tubuh Hijau Sangat Penting

Salah satu faktor yang paling penting dalam reaksi sintering adalah porositas awal dari tubuh hijau.

Silikon harus mampu menembus cukup jauh ke dalam struktur.

Jika tubuh hijau terlalu padat, infiltrasi silikon dapat menjadi terbatas.

Reaksi kemudian dapat terjadi terutama di dekat permukaan, sementara karbon dan pori-pori yang tidak bereaksi tetap di pusat komponen.

Untuk alasan ini, kepadatan benda hijau harus dirancang dengan hati-hati.

Produsen dapat mengontrolnya dengan menyesuaikan parameter termasuk:

• Rasio SiC/karbon
• Distribusi ukuran partikel SiC
• Ukuran partikel karbon dan morfologi
• Rumus pengikat
• Membentuk tekanan

Oleh karena itu, ikatan reaksi yang sukses dimulai jauh sebelum tahap infiltrasi silikon.

Mengapa SiC yang terikat reaksi cocok untuk komponen besar

Keuntungan utama dari SiC yang terikat reaksi adalah penyusutan yang sangat rendah selama pengolahan.

Karena perubahan dimensi relatif kecil, teknologi ini sering digambarkan sebagai rute manufaktur hampir berbentuk jaring.

Hal ini membuat RB-SiC menarik untuk komponen keramik yang besar, kompleks atau berbentuk presisi.

Produk khas termasuk komponen penukar panas, rol tungku, nozzles dan berbagai bagian struktural.

Suhu pengolahannya yang relatif rendah dibandingkan dengan beberapa rute sintering SiC lainnya dan kemampuannya untuk memproduksi geometri yang rumit juga dapat membuat ikatan reaksi menarik secara ekonomi.

SiC yang terikat reaksi dalam peralatan semikonduktor

Karena ukuran wafer semikonduktor dan suhu proses telah meningkat,Keramik SiC telah mendapatkan perhatian yang semakin meningkat sebagai alternatif untuk bahan konvensional dalam suhu tinggi dan lingkungan peralatan yang menuntut kimia.

Komponen SiC yang terikat reaksi yang diproduksi dari bubuk SiC kemurnian tinggi dan silikon kemurnian tinggi dapat digunakan untuk perlengkapan,dukungan dan bagian struktural dalam peralatan pembuatan semikonduktor dan elektronik.

Kombinasi stabilitas termal, kekakuan dan stabilitas dimensi mereka sangat berharga di mana komponen terkena siklus pemanasan berulang.

Namun, sisa silikon harus selalu dipertimbangkan ketika memilih RB-SiC untuk lingkungan proses tertentu.

Sinter Tanpa Tekanan Menggunakan Pendekatan yang Berbeda

Tidak seperti reaksi ikatan, sinter tanpa tekanan mencoba untuk mengentalkan SiC tanpa menerapkan tekanan mekanik eksternal selama proses sinter utama.

Dua rute utama umumnya dibedakan:

Sinter solid-statedanSintering fase cair.

Meskipun keduanya adalah proses tanpa tekanan, mekanisme pembekuan mereka secara mendasar berbeda.

Sinter Solid State: Suhu Tinggi dan Aditif Terkontrol

Salah satu tonggak dalam pengolahan SiC terjadi pada tahun 1974, ketika S.Prochazka menunjukkan bahwa bubuk β-SiC kemurnian tinggi yang mengandung sejumlah kecil bor dan karbon dapat disinter tanpa tekanan pada sekitar 2020 °C hingga kepadatan relatif di atas 98%.

Sistem aditif B-C tetap menjadi salah satu pendekatan sintering solid-state yang paling terkenal untuk SiC.

Boron dan karbon dapat diperkenalkan secara terpisah, atau senyawa seperti B4C dapat digunakan.

Suhu pembekuan yang khas adalah sekitar 1900~2100°C.

Sistem aditif lainnya termasuk Al-C dan AlN-C.

Aluminium adalah aditif sintering SiC yang efektif, sementara tambahan AlN dapat membantu menekan pertumbuhan biji SiC yang berlebihan dalam kondisi pengolahan tertentu.

Keuntungan SiC solid-state-sinter

SiC solid-state-sintered dapat memberikan stabilitas kimia dan termal yang sangat baik.

Salah satu karakteristik yang sangat berharga adalah kemampuannya untuk mempertahankan kinerja mekanik yang tinggi pada suhu tinggi.

Karena pembekuan terjadi tanpa memperkenalkan volume besar fase cair perbatasan butir, bahan akhir dapat mempertahankan sifat suhu tinggi yang sangat baik.

Hal ini membuat SiC solid-state sintered menarik untuk aplikasi struktural dan termal yang menuntut.

Mengapa Sintering Solid State Sulit

Kelemahannya adalah beratnya prosesnya.

Suhu 1900~2100°C membutuhkan energi yang signifikan dan peralatan suhu tinggi khusus.

Pengendalian yang buruk juga dapat mengakibatkan pertumbuhan biji-bijian yang tidak normal, yang dapat mengurangi kinerja mekanik.

Waktu penyimpanan yang panjang mungkin diperlukan untuk mencapai kepadatan hampir penuh.

Selain itu, proses ini sangat sensitif terhadap karakteristik bubuk, termasuk:

ukuran partikel, distribusi ukuran partikel, kemurnian dan keseragaman pencampuran.

Sintering Fase Cairan: Membuat Pengangkutan Massal Lebih Mudah

Sinter fase cair menyediakan solusi alternatif.

Alih-alih sepenuhnya bergantung pada difusi keadaan padat, aditif yang dipilih membentuk fase cair selama pemanasan.

Cairan ini membasahi dan melumasi partikel SiC, mempromosikan penataan ulang dan menciptakan jalur yang efisien untuk transportasi massal.

Dalam sistem yang mengandung Al2O3, misalnya, oksida dapat berinteraksi dengan SiO2 yang secara alami ada di permukaan partikel SiC.

Fase perbatasan biji-bijian cair yang dihasilkan membantu pembekuan.

Proses ini biasanya digambarkan dengan mekanisme larutan-reprecipitasi.

Sistem Al2O3-Y2O3

Salah satu sistem aditif sintering fase cair yang banyak dipelajari untuk SiC adalah Al2O3-Y2O3.

Memperkenalkan Y2O3 bersama dengan Al2O3 dapat menciptakan fase cair yang menguntungkan pada suhu tinggi.

Dibandingkan dengan sintering solid-state konvensional, pendekatan ini dapat mengurangi suhu yang diperlukan untuk pembekuan dan dapat meningkatkan struktur mikro, kekuatan dan ketahanan fraktur.

Namun, jumlah dan komposisi fase aditif harus dikontrol dengan hati-hati.

Terlalu banyak fase perbatasan butir dapat mempengaruhi sifat-sifat yang bergantung pada kemurnian tinggi atau kinerja suhu tinggi yang stabil.

Memilih Antara Dua Jalan

Reaksi bonding dan pressureless sintering tidak boleh dipandang hanya sebagai teknologi yang bersaing.

Mereka memecahkan berbagai masalah manufaktur.

SiC yang terikat reaksi sangat menarik ketika manufaktur hampir berbentuk jaring, penyusutan rendah, dimensi besar dan geometri yang kompleks adalah prioritas.

SiC yang disinter tanpa tekanan menarik ketika kinerja intrinsik keramik SiC itu sendiri lebih penting dan sisa silikon bebas tidak diinginkan.

Dalam sintering tanpa tekanan, jalur solid-state dan fase cair memperkenalkan pilihan lain:

solid-state sintering memprioritaskan stabilitas suhu tinggi, sementara sintering fase cair dapat memberikan pembekuan yang lebih mudah dan ketahanan mekanis yang lebih baik.

Oleh karena itu, pilihan yang benar tidak hanya tergantung pada kepadatan, tetapi juga pada geometri komponen, suhu operasi, persyaratan kemurnian dan lingkungan proses di sekitarnya.