Silisiumnitrid (Si₃N₄) keramikk, som avansert strukturell keramikk, har utmerkede egenskaper som høy temperaturbestandighet, høy styrke, høy seighet, høy hardhet, krypemotstand, oksidasjonsmotstand og slitestyrke. I tillegg tilbyr de god termisk støtmotstand, dielektriske egenskaper, høy termisk ledningsevne og utmerket høyfrekvent elektromagnetisk bølgeoverføringsytelse. Disse enestående omfattende egenskapene gjør dem mye brukt i komplekse strukturelle komponenter, spesielt innen romfart og andre høyteknologiske felt.
Imidlertid har Si3N4, som er en forbindelse med sterke kovalente bindinger, en stabil struktur som gjør sintring til høy tetthet vanskelig gjennom faststoffdiffusjon alene. For å fremme sintring tilsettes sintringshjelpemidler, som metalloksider (MgO, CaO, Al2O3) og sjeldne jordartsmetalloksider (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), for å lette fortetting via en væskefase sintringsmekanisme.
For tiden går global teknologi for halvlederenheter frem mot høyere spenninger, større strømmer og større effekttettheter. Forskning på metoder for fremstilling av Si₃N4-keramikk er omfattende. Denne artikkelen introduserer sintringsprosesser som effektivt forbedrer tettheten og de omfattende mekaniske egenskapene til silisiumnitridkeramikk.
Vanlige sintringsmetoder for Si₃N₄-keramikk
Sammenligning av ytelse for Si₃N₄-keramikk tilberedt ved hjelp av forskjellige sintringsmetoder
1. Reaktiv sintring (RS):Reaktiv sintring var den første metoden som ble brukt til industriell fremstilling av Si₃N4-keramikk. Den er enkel, kostnadseffektiv og i stand til å danne komplekse former. Den har imidlertid en lang produksjonssyklus, noe som ikke er gunstig for produksjon i industriell skala.
2. Trykkløs sintring (PLS):Dette er den mest grunnleggende og enkle sintringsprosessen. Det krever imidlertid Si₃N₄-råmaterialer av høy kvalitet og resulterer ofte i keramikk med lavere tetthet, betydelig krymping og en tendens til å sprekke eller deformeres.
3. Hot-press Sintering (HP):Påføringen av uniaksialt mekanisk trykk øker drivkraften for sintring, slik at tett keramikk kan produseres ved temperaturer 100-200°C lavere enn de som brukes ved trykkløs sintring. Denne metoden brukes vanligvis for å fremstille relativt enkel blokkformet keramikk, men det er vanskelig å oppfylle kravene til tykkelse og form for underlagsmaterialer.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS er preget av rask sintring, kornforfining og reduserte sintringstemperaturer. Imidlertid krever SPS betydelige investeringer i utstyr, og fremstillingen av Si₃N4-keramikk med høy varmeledningsevne via SPS er fortsatt i eksperimentelt stadium og har ennå ikke blitt industrialisert.
5. Gass-trykksintring (GPS):Ved å påføre gasstrykk hemmer denne metoden keramisk nedbrytning og vekttap ved høye temperaturer. Det er lettere å produsere keramikk med høy tetthet og muliggjør batchproduksjon. Imidlertid sliter en enkelt-trinns gasstrykksintringsprosess med å produsere strukturelle komponenter med jevn indre og ytre farge og struktur. Bruk av en totrinns eller flertrinns sintringsprosess kan redusere intergranulært oksygeninnhold betydelig, forbedre termisk ledningsevne og forbedre de generelle egenskapene.
Imidlertid har den høye sintringstemperaturen til totrinns gasstrykksintring ført til at tidligere forskning hovedsakelig fokuserer på å forberede Si₃N₄ keramiske substrater med høy varmeledningsevne og bøyestyrke ved romtemperatur. Forskning på Si₃N₄-keramikk med omfattende mekaniske egenskaper og høytemperatur-mekaniske egenskaper er relativt begrenset.
Gasstrykk-to-trinns sintringsmetode for Si₃N4
Yang Zhou og kolleger fra Chongqing University of Technology brukte et sintringshjelpesystem på 5 vekt% Yb2O3 + 5 vekt% Al2O3 for å fremstille Si3N4-keramikk ved bruk av både ett- og to-trinns gasstrykksintringsprosesser ved 1800°C. Si3N4-keramikken produsert ved to-trinns sintringsprosessen hadde høyere tetthet og bedre omfattende mekaniske egenskaper. Det følgende oppsummerer effektene av ett- og totrinns gasstrykksintringsprosesser på mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til Si₃N4-keramiske komponenter.
Tetthet Fortettingsprosessen av Si3N4 involverer typisk tre trinn, med overlapping mellom trinnene. Det første trinnet, partikkelomorganisering, og det andre trinnet, oppløsning-utfelling, er de mest kritiske stadiene for fortetting. Tilstrekkelig reaksjonstid i disse stadiene forbedrer prøvetettheten betydelig. Når førsintringstemperaturen for totrinns sintringsprosessen er satt til 1600°C, danner β-Si₃N₄-korn et rammeverk og skaper lukkede porer. Etter forsintring fremmer ytterligere oppvarming under høy temperatur og nitrogentrykk væskefasestrømning og fylling, noe som bidrar til å eliminere lukkede porer, og forbedrer tettheten til Si₃N₄-keramikk ytterligere. Derfor viser prøvene produsert ved to-trinns sintringsprosessen høyere tetthet og relativ tetthet enn de som produseres ved ett-trinns sintring.
Fase og mikrostruktur Under ett-trinns sintring er tiden som er tilgjengelig for partikkelomorganisering og korngrensediffusjon begrenset. I to-trinns sintringsprosessen utføres det første trinnet ved lav temperatur og lavt gasstrykk, noe som forlenger partikkelomorganiseringstiden og resulterer i større korn. Temperaturen økes deretter til høytemperaturstadiet, hvor kornene fortsetter å vokse gjennom Ostwald-modningsprosessen, og gir Si₃N₄-keramikk med høy tetthet.
Mekaniske egenskaper Mykning av den intergranulære fasen ved høye temperaturer er hovedårsaken til redusert styrke. Ved ett-trinns sintring skaper unormal kornvekst små porer mellom kornene, noe som forhindrer betydelig forbedring i høytemperaturstyrke. I to-trinns sintringsprosessen øker imidlertid glassfasen, jevnt fordelt i korngrensene, og de jevnt dimensjonerte kornene den intergranulære styrken, noe som resulterer i høyere bøyestyrke ved høy temperatur.
Avslutningsvis kan langvarig holding under ett-trinns sintring effektivt redusere indre porøsitet og oppnå jevn indre farge og struktur, men kan føre til unormal kornvekst, som forringer visse mekaniske egenskaper. Ved å bruke en totrinns sintringsprosess – ved bruk av lavtemperaturforsintring for å forlenge partikkelomorganiseringstiden og høytemperaturholding for å fremme jevn kornvekst – en Si₃N₄-keramikk med en relativ tetthet på 98,25 %, jevn mikrostruktur og utmerkede omfattende mekaniske egenskaper kan forberedes med hell.
| Navn | Substrat | Epitaksial lagsammensetning | Epitaksial prosess | Epitaksialt medium |
| Silisium homoepitaksial | Si | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silisium heteroepitaksialt | Safir eller spinell | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaksial | GaAs | GaAs GaAs | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Liquid Phase Epitaxy (LPE) Dampfase (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+ASH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksial | Mellomrom | GaP(GaP;N) | Liquid Phase Epitaxy (LPE) Liquid Phase Epitaxy (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supergitter | GaAs | GaAlAs/GaAs (syklus) | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksial | InP | InP | Vapor Phase Epitaxy (VPE) Liquid Phase Epitaxy (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksi | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga、As GaR3+AsH3+H2 |
Innleggstid: 24. desember 2024