С момента появления карбида кремния его высокая жесткость и высокотемпературная стабильность были основаны на его «NDA»; он используется в качестве абразивного и огнеупорного материала в больших количествах в различных отраслях промышленности. Благодаря прорыву в технологии синтеза SiC он стал использоваться в области полупроводниковых светодиодов высокой яркости с конца 20 века. За последнее десятилетие, вызванное бурным ростом развивающихся отраслей, таких как автомобили на новой энергии, фотоэлектрические накопители энергии и связь 5G, спрос на карбид кремния резко возрос.
В следующей статье будут описаны характеристики, марка, синтез и применение карбида кремния, чтобы помочь вам глубже понять его.
Характеристики материала
● Устойчивость к высоким температурам: даже при температуре 1600–1650 ℃ механические свойства и форма керамических деталей из SiC могут оставаться хорошими.
● Высокая теплопроводность: она может достигать 120–200 Вт/км, уступая только нитриду алюминия (AlN) и оксиду бериллия (BeO).
● Низкий коэффициент теплового расширения (КТР): SiC (4,0~4,5-6/K) является одной из промышленных керамик с температурным расширением, наиболее близким к коэффициенту теплового расширения кремниевых чипов (2,5 ~ 4,2 x 10-6/K).
● Твердость/стойкость к истиранию: твердость по шкале Мооса составляет 9,5, что немного ниже, чем у алмаза (10).
● Коррозионная стойкость: это один из самых химически инертных продуктов среди всей современной керамики. В различных суровых условиях он может противостоять старению.
● Прочее: легкий вес (3,1–3,2 г/см 3 ), высокий модуль упругости (400–450 ГПа), отличная термостойкость, не смачивается и не разрушается большинством расплавленных металлов, полупроводниковые свойства, хорошая электроизоляция и нетоксичность.
Классы и синтез
Карбид кремния является основным материалом для изготовления керамических конструктивных элементов. Его класс в основном делится в зависимости от процесса спекания и степени уплотнения следующим образом:
1. Спеченный тип без давления (SSiC)
● Метод синтеза:
Уплотнение достигается за счет твердофазного спекания при высокой температуре и атмосферном давлении за счет добавления спекающих добавок, таких как бор и углерод. Это наиболее распространенный и экономичный процесс.
● Производительность:
Высокая плотность (теоретическая плотность ≥98%), отличная прочность, твердость, износостойкость и коррозионная стойкость.
● Приложения:
Уплотнительные кольца, подшипники, сопла, износостойкие вкладыши, печная фурнитура (сагеры, ролики) и т.д.
2. Реакционно-связанный тип (RBSiC)
● Метод синтеза:
После смешивания и формования порошка α-SiC и углеродного порошка они реагируют с расплавленным кремнием или парами кремния при высокой температуре с образованием β-SiC, который заполняет поры и обеспечивает уплотнение.
● Производительность:
Высокая плотность, идеальная деформация при спекании, высокая точность размеров, короткий цикл подготовки и низкая стоимость. Но материал обычно содержит небольшое количество свободного кремния, что ограничивает его максимальную рабочую температуру (около 1350°C), поскольку кремний плавится.
● Приложения:
Компоненты с высокими требованиями к точности, такие как прецизионные механические уплотнения, кронштейны нагревателей в фотоэлектрической промышленности, ролики и т. д.
3. Рекристаллизованный тип (R-SiC)
● Метод синтеза:
Процесс спекания без давления, в котором используется массоперенос испарением-конденсацией SiC при высоких температурах для достижения роста зерен и соединения без добавления каких-либо вспомогательных средств для спекания.
● Производительность:
Чрезвычайно чистый и не содержащий стекла, он обладает превосходной устойчивостью к высоким температурам (способен к длительному использованию при температуре выше 1600°C), а также превосходной стойкостью к окислению и тепловому удару. Однако он имеет высокую пористость (около 15-20%) и относительно низкую механическую прочность.
● Приложения:
Высококачественная мебель для печей (например, опоры и балки), сопла горелок, трубки теплообменников и другие устройства, связанные с высокотемпературными средами, богатыми кислородом.
4. Тип горячего изостатического прессования (HIPSiC)
● Метод синтеза:
Спекание производится при высоких температурах с использованием сверхвысокого давления (горячее прессование) или изотропного газа высокого давления (горячее изостатическое прессование). Обычно добавляются вспомогательные средства для спекания.
● Производительность:
Достижение почти 100% теоретической плотности с мелкими и однородными зернами приводит к самым высоким механическим свойствам (прочности и ударной вязкости) среди всех марок.
● Приложения:
Используется в приложениях с чрезвычайно высокими требованиями к производительности, таких как броневая обшивка, критические компоненты аэрокосмической промышленности и высококачественные режущие инструменты. Из-за высокой стоимости область его применения ограничена.
Использование карбида кремния в керамике
Поскольку разные марки карбида кремния обладают различными комбинациями свойств, их можно точно адаптировать к конкретным отраслям и превратить в решения для вашего бизнеса. В следующей таблице перечислены соответствующие приложения в зависимости от производительности, которые, как мы надеемся, будут полезны.
Основные свойства | Целевые отрасли | Реальные детали в использовании |
Отличная износостойкость | Горнодобывающая, энергетическая, химическая промышленность | ● Сопло: пескоструйная обработка, гидроабразивная резка.
|
Производство автомобилей и машиностроения | ● Уплотнения: Уплотнения вала для суровых условий эксплуатации. ● Износные пластины | |
Отличная механическая прочность и жесткость | Насосы, клапаны и гидравлическое оборудование | ● Механические уплотнения: используются в химических и многоступенчатых насосах. ● Шарики и ролики подшипников: используются в высокоскоростных шпинделях и прецизионных станках. ● Втулки и упорные кольца насоса: основные компоненты насосов с магнитным приводом. |
Оборона и аэрокосмическая промышленность | Легкий броневой материал: высокая твердость и прочность позволяют противостоять ударам. | |
Отличная устойчивость к высоким температурам и возможности терморегулирования. | Металлургия, стекло, керамика | ● Аксессуары печи: Мебель для печи (опоры, перекладины, толкатели), печь. ● Форсунки горелки: высокоэффективные и энергосберегающие компоненты горелки. |
производство полупроводников | ● Компоненты для обработки пластин: шлифовальные диски, приспособления, лопатки для отжига и эпитаксиальные лотки. Они обеспечивают плоскостность и низкую загрязненность кремниевых пластин во время высокотемпературных процессов. | |
Отличная химическая инертность | Химическая промышленность, Нефть и газ | ● Уплотнительные кольца и механические уплотнения: используются в насосах, перекачивающих сильные кислоты (серная кислота, соляная кислота) и сильные щелочи. ● Шарики и седла клапанов: контролируют поток агрессивных сред. ● Теплообменники: используются для передачи тепла в высокоагрессивных средах. |
Высокая теплопроводность и электрические свойства. | Силовая электроника и полупроводники | ● Подложки электронных устройств: радиаторы для мощных светодиодов и модулей IGBT. ● Оборудование для производства пластин: электростатические патроны и нагреватели. |
Промышленное зондирование и контроль | ● Сборки нагревателей и датчиков: оборудование для высокотемпературной термообработки. |
Выводы
Короче говоря, карбид кремния — это универсальный современный керамический материал, особенно с точки зрения износостойкости, тепловых характеристик и химической инертности, который намного превосходит другие инженерные керамики. Он имеет множество методов синтеза, в результате чего получаются продукты разных сортов с уникальными свойствами. Детали из карбида кремния допускают множество сложных сценариев применения, позволяя им преодолевать более высокие ограничения и обеспечивать более эффективные решения по совокупной стоимости.
JingHui Industry является профессиональным поставщиком высококачественных компонентов из нитрида кремния, изготовленных из материалов различных марок. Пожалуйста, отправьте нам запрос, если вы заинтересованы.