Techniques de préparation spécialisées pour les céramiques de carbure de silicium

Céramique en carbure de silicium (SiC)Les matériaux possèdent une gamme d'excellentes propriétés, notamment une résistance à haute température, une forte résistance à l'oxydation, une résistance supérieure à l'usure, une stabilité thermique, un faible coefficient de dilatation thermique, une conductivité thermique élevée, une dureté élevée, une résistance aux chocs thermiques et une résistance à la corrosion chimique. Ces caractéristiques rendent les céramiques SiC de plus en plus applicables dans divers domaines tels que les industries automobile, mécanique et chimique, la protection de l'environnement, la technologie spatiale, l'électronique de l'information et l'énergie.Céramique SiCsont devenus un matériau céramique structurel irremplaçable dans de nombreux secteurs industriels en raison de leurs performances exceptionnelles.

Quelles sont les caractéristiques structurelles qui améliorentCéramiques SiC?

Les propriétés supérieures deCéramique SiCsont étroitement liés à leur structure unique. Le SiC est un composé doté de liaisons covalentes très fortes, où le caractère ionique de la liaison Si-C n'est que d'environ 12 %. Il en résulte une résistance élevée et un module élastique élevé, offrant une excellente résistance à l'usure. Le SiC pur n'est pas corrodé par les solutions acides comme HCl, HNO3, H2SO4 ou HF, ni par les solutions alcalines comme NaOH. Bien qu'il ait tendance à s'oxyder lorsqu'il est chauffé dans l'air, la formation d'une couche de SiO2 à la surface inhibe la diffusion ultérieure de l'oxygène, maintenant ainsi le taux d'oxydation à un faible niveau. De plus, le SiC présente des propriétés semi-conductrices, avec une bonne conductivité électrique lorsque de petites quantités d'impuretés sont introduites, et une excellente conductivité thermique.

Comment les différentes formes cristallines du SiC affectent-elles ses propriétés ?

Le SiC existe sous deux formes cristallines principales : α et β. Le β-SiC a une structure cristalline cubique, Si et C formant des réseaux cubiques à faces centrées. L'α-SiC existe dans plus de 100 polytypes, dont 4H, 15R et 6H, le 6H étant le plus couramment utilisé dans les applications industrielles. La stabilité de ces polytypes varie avec la température. En dessous de 1600°C, le SiC existe sous la forme β, tandis qu'au-dessus de 1600°C, le β-SiC se transforme progressivement en divers polytypes α-SiC. Par exemple, le 4H-SiC se forme autour de 2 000 °C, tandis que les polytypes 15R et 6H nécessitent des températures supérieures à 2 100 °C pour se former facilement. Le polytype 6H reste stable même au-dessus de 2200°C. La petite différence d'énergie libre entre ces polytypes signifie que même des impuretés mineures peuvent modifier leurs relations de stabilité thermique.

Quelles sont les techniques de production de poudres SiC ?

La préparation de poudres de SiC peut être classée en synthèse en phase solide et synthèse en phase liquide en fonction de l'état initial des matières premières.

Quelles sont les méthodes impliquées dans la synthèse en phase solide ? 

La synthèse en phase solide comprend principalement la réduction carbothermique et les réactions directes silicium-carbone. La méthode de réduction carbothermique englobe le procédé Acheson, la méthode du four vertical et la méthode du four rotatif à haute température. Le procédé Acheson, inventé par Acheson, implique la réduction de la silice du sable de quartz par du carbone dans un four électrique Acheson, entraîné par une réaction électrochimique sous haute température et champs électriques puissants. Cette méthode, dont la production industrielle s'étend sur plus d'un siècle, produit des particules de SiC relativement grossières et consomme beaucoup d'énergie, dont une grande partie est perdue sous forme de chaleur.

Dans les années 1970, les améliorations apportées au procédé Acheson ont conduit à des développements dans les années 1980, tels que des fours verticaux et des fours rotatifs à haute température pour synthétiser de la poudre de β-SiC, avec d'autres progrès dans les années 1990. Ohsaki et coll. ont découvert que le gaz SiO libéré lors du chauffage d'un mélange de SiO2 et de poudre de Si réagit avec le charbon actif, avec une température accrue et un temps de maintien prolongé réduisant la surface spécifique de la poudre à mesure que davantage de gaz SiO est libéré. La méthode de réaction directe silicium-carbone, une application de la synthèse à haute température auto-propagée, consiste à allumer le corps réactif avec une source de chaleur externe et à utiliser la chaleur de la réaction chimique libérée lors de la synthèse pour entretenir le processus. Cette méthode présente une faible consommation d’énergie, des équipements et des processus simples et une productivité élevée, bien qu’il soit difficile de contrôler la réaction. La faible réaction exothermique entre le silicium et le carbone rend difficile son allumage et son maintien à température ambiante, ce qui nécessite des sources d'énergie supplémentaires telles que des fours chimiques, du courant continu, un préchauffage ou des champs électriques auxiliaires.

Comment la poudre de SiC est-elle synthétisée à l’aide de méthodes en phase liquide ? 

Les méthodes de synthèse en phase liquide comprennent les techniques de décomposition sol-gel et polymère. Ewell et coll. a proposé pour la première fois la méthode sol-gel, qui a ensuite été appliquée à la préparation de céramiques vers 1952. Cette méthode utilise des réactifs chimiques liquides pour préparer des précurseurs d'alcoxyde, qui sont dissous à basse température pour former une solution homogène. En ajoutant des agents gélifiants appropriés, l'alcoxyde subit une hydrolyse et une polymérisation pour former un système sol stable. Après un repos ou un séchage prolongé, Si et C sont uniformément mélangés au niveau moléculaire. Chauffer ce mélange à 1 460-1 600 °C induit une réaction de réduction carbothermique pour produire une fine poudre de SiC. Les paramètres clés à contrôler pendant le traitement sol-gel comprennent le pH de la solution, la concentration, la température de réaction et la durée. Cette méthode facilite l'addition homogène de divers composants traces mais présente des inconvénients tels que des solvants hydroxyles et organiques résiduels nocifs pour la santé, des coûts de matières premières élevés et un retrait important lors du traitement.

La décomposition à haute température des polymères organiques est une autre méthode efficace pour produire du SiC :

Chauffer les polysiloxanes en gel pour les décomposer en petits monomères, formant finalement SiO2 et C, qui subissent ensuite une réduction carbothermique pour produire de la poudre de SiC.

Chauffer les polycarbosilanes pour les décomposer en petits monomères, formant ainsi une structure qui aboutit finalement à de la poudre de SiC. Les techniques sol-gel récentes ont permis la production de matériaux sol/gel à base de SiO2, assurant une répartition homogène des additifs de frittage et de trempe au sein du gel, ce qui facilite la formation de poudres céramiques SiC hautes performances.

Pourquoi le frittage sans pression est-il considéré comme une technique prometteuse pourCéramiques SiC?

Le frittage sans pression est considéré comme une méthode très prometteuse pourfrittage de SiC. Selon le mécanisme de frittage, il peut être divisé en frittage en phase solide et en frittage en phase liquide. S. Proehazka a atteint une densité relative supérieure à 98 % pour les corps frittés en SiC en ajoutant des quantités appropriées de B et de C à une poudre ultrafine de β-SiC (avec une teneur en oxygène inférieure à 2 %) et en frittant à 2020°C sous pression normale. A. Mulla et coll. utilisé Al2O3 et Y2O3 comme additifs pour fritter 0,5 μm de β-SiC (avec une petite quantité de SiO2 à la surface des particules) à 1 850-1 950 °C, obtenant ainsi une densité relative supérieure à 95 % de la densité théorique et des grains fins avec une moyenne taille de 1,5 μm.

Comment le frittage à chaud améliore-t-ilCéramiques SiC?

Nadeau a souligné que le SiC pur ne peut être fritté de manière dense qu'à des températures extrêmement élevées sans aucun auxiliaire de frittage, ce qui a incité de nombreuses personnes à explorer le frittage par presse à chaud. De nombreuses études ont examiné les effets de l'ajout de B, Al, Ni, Fe, Cr et d'autres métaux sur la densification du SiC, Al et Fe s'étant révélés les plus efficaces pour favoriser le frittage par presse à chaud. F.F. Lange a étudié les performances du SiC fritté à chaud avec différentes quantités d'Al2O3, attribuant la densification à un mécanisme de dissolution-reprécipitation. Cependant, le frittage par presse à chaud ne peut produire que des composants SiC de forme simple, et la quantité de produit dans un seul processus de frittage est limitée, ce qui le rend moins adapté à la production industrielle.

Quels sont les avantages et les limites du frittage réactionnel pour le SiC ?

SiC fritté par réaction, également connu sous le nom de SiC auto-lié, consiste à faire réagir un corps vert poreux avec des phases gazeuses ou liquides pour augmenter la masse, réduire la porosité et le fritter en un produit solide et dimensionnellement précis. Le processus consiste à mélanger de la poudre d'α-SiC et du graphite dans un certain rapport, à chauffer jusqu'à environ 1 650 °C et à infiltrer le corps vert avec du Si fondu ou du Si gazeux, qui réagit avec le graphite pour former du β-SiC, liant l'α-SiC existant. particules. L’infiltration complète de Si donne lieu à un corps fritté par réaction entièrement dense et dimensionnellement stable. Comparé à d’autres méthodes de frittage, le frittage par réaction implique des changements dimensionnels minimes lors de la densification, permettant la fabrication de composants précis. Cependant, la présence d’une quantité considérable de SiC dans le corps fritté entraîne de moins bonnes performances à haute température.

En résumé,Céramique SiCproduits par frittage sans pression, frittage par presse à chaud, pressage isostatique à chaud et frittage par réaction présentent des caractéristiques de performance variables.Céramique SiCprovenant d'une presse à chaud et d'un pressage isostatique à chaud ont généralement des densités frittées et des résistances à la flexion plus élevées, tandis que le SiC fritté par réaction a des valeurs relativement inférieures. Les propriétés mécaniques deCéramique SiCvarient également en fonction des différents additifs de frittage. Sans pression, pressé à chaud et fritté par réactionCéramique SiCprésentent une bonne résistance aux acides et bases forts, mais le SiC fritté par réaction a une moins bonne résistance à la corrosion aux acides forts comme le HF. En termes de performances à haute température, presque tousCéramique SiCprésentent une amélioration de la résistance en dessous de 900°C, tandis que la résistance à la flexion du SiC fritté par réaction diminue fortement au-dessus de 1 400°C en raison de la présence de Si libre. Les performances à haute température du pressage isostatique sans pression et à chaudCéramique SiCdépend principalement du type d’additifs utilisés.

Alors que chaque méthode de frittage pourCéramique SiCa ses mérites, les progrès rapides de la technologie nécessitent des améliorations continues dansCéramique SiCperformances, techniques de fabrication et réduction des coûts. Réaliser un frittage à basse température deCéramique SiCest crucial pour réduire la consommation d’énergie et les coûts de production, favorisant ainsi l’industrialisation desCéramique SiCproduits.**

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