Qeramika e nitridit të silikonit (Si3N4), si qeramika strukturore e avancuar, ka veti të shkëlqyera si rezistenca ndaj temperaturës së lartë, forca e lartë, qëndrueshmëria e lartë, fortësia e lartë, rezistenca ndaj zvarritjes, rezistenca ndaj oksidimit dhe rezistencë ndaj konsumit. Për më tepër, ato ofrojnë rezistencë të mirë ndaj goditjeve termike, veti dielektrike, përçueshmëri të lartë termike dhe performancë të shkëlqyer të transmetimit të valëve elektromagnetike me frekuencë të lartë. Këto veti të jashtëzakonshme gjithëpërfshirëse i bëjnë ato të përdoren gjerësisht në komponentë strukturorë kompleksë, veçanërisht në hapësirën ajrore dhe fusha të tjera të teknologjisë së lartë.
Megjithatë, Si3N4, duke qenë një përbërje me lidhje të forta kovalente, ka një strukturë të qëndrueshme që e bën të vështirë sinterimin në densitet të lartë vetëm përmes difuzionit në gjendje të ngurtë. Për të nxitur sinterimin, shtohen mjete ndihmëse për sinterim, si oksidet e metaleve (MgO, CaO, Al2O3) dhe oksidet e tokës së rrallë (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), për të lehtësuar densifikimin nëpërmjet një mekanizmi sinterimi në fazë të lëngshme.
Aktualisht, teknologjia globale e pajisjeve gjysmëpërçuese po përparon drejt tensioneve më të larta, rrymave më të mëdha dhe densitetit më të madh të fuqisë. Hulumtimi në metodat për prodhimin e qeramikës Si3N4 është i gjerë. Ky artikull prezanton proceset e sinterizimit që përmirësojnë në mënyrë efektive densitetin dhe vetitë mekanike gjithëpërfshirëse të qeramikës me nitrid silikoni.
Metodat e zakonshme të sinterizimit për qeramikën Si₃N4
Krahasimi i performancës për qeramikën Si₃N4 të përgatitura me metoda të ndryshme sinterizimi
1. Sinterizimi reaktiv (RS):Sinterimi reaktiv ishte metoda e parë e përdorur për të përgatitur në mënyrë industriale qeramikën Si₃N4. Është i thjeshtë, me kosto efektive dhe i aftë për të formuar forma komplekse. Megjithatë, ai ka një cikël të gjatë prodhimi, i cili nuk është i favorshëm për prodhimin në shkallë industriale.
2. Sinterizimi pa presion (PLS):Ky është procesi më themelor dhe i thjeshtë i sinterizimit. Megjithatë, ai kërkon lëndë të para me cilësi të lartë Si₃N4 dhe shpesh rezulton në qeramikë me densitet më të ulët, tkurrje të konsiderueshme dhe një tendencë për plasaritje ose deformim.
3. Sinterizimi me shtypje të nxehtë (HP):Aplikimi i presionit mekanik njëaksial rrit forcën lëvizëse për sinterimin, duke lejuar që qeramika e dendur të prodhohet në temperatura 100-200°C më të ulëta se ato të përdorura në sinterimin pa presion. Kjo metodë përdoret zakonisht për prodhimin e qeramikës relativisht të thjeshtë në formë blloku, por është e vështirë për të përmbushur kërkesat e trashësisë dhe formës për materialet e nënshtresës.
4. Sinterizimi i plazmës me shkëndijë (SPS):SPS karakterizohet nga sinterizimi i shpejtë, rafinimi i kokrrave dhe temperaturat e reduktuara të sinterimit. Megjithatë, SPS kërkon investime të konsiderueshme në pajisje dhe përgatitja e qeramikës Si₃N4 me përçueshmëri të lartë termike nëpërmjet SPS është ende në fazën eksperimentale dhe ende nuk është industrializuar.
5. Sinterizimi me presion të gazit (GPS):Me aplikimin e presionit të gazit, kjo metodë pengon dekompozimin e qeramikës dhe humbjen e peshës në temperatura të larta. Është më e lehtë të prodhohet qeramika me densitet të lartë dhe mundëson prodhimin në grup. Megjithatë, një proces sinterizimi me presion gazi me një hap të vetëm lufton për të prodhuar komponentë strukturorë me ngjyrë dhe strukturë uniforme të brendshme dhe të jashtme. Përdorimi i një procesi sinterimi me dy ose shumë hapa mund të reduktojë ndjeshëm përmbajtjen e oksigjenit ndërgranular, të përmirësojë përçueshmërinë termike dhe të përmirësojë vetitë e përgjithshme.
Megjithatë, temperatura e lartë e sinterimit të sinterimit me dy hapa me presion të gazit ka bërë që kërkimet e mëparshme të fokusohen kryesisht në përgatitjen e nënshtresave qeramike Si₃N4 me përçueshmëri të lartë termike dhe forcë përkuljeje në temperaturë dhome. Hulumtimi mbi qeramikën Si₃N4 me veti mekanike gjithëpërfshirëse dhe veti mekanike me temperaturë të lartë është relativisht i kufizuar.
Metoda e sinterizimit me dy hapa me presion gazi për Si₃N4
Yang Zhou dhe kolegët nga Universiteti i Teknologjisë Chongqing përdorën një sistem ndihmës për sinterim prej 5 wt.% Yb2O3 + 5 wt.% Al2O3 për të përgatitur qeramikë Si3N4 duke përdorur procese sinterimi me presion gazi me një hap dhe dy hapa në 1800°C. Qeramika Si₃N4 e prodhuar nga procesi i sinterimit me dy hapa kishte densitet më të lartë dhe veti mekanike më të mira gjithëpërfshirëse. Më poshtë përmbledh efektet e proceseve të sinterimit me presion gazi me një hap dhe dy hap mbi mikrostrukturën dhe vetitë mekanike të përbërësve qeramikë Si3N4.
Dendësia Procesi i densifikimit të Si₃N4 zakonisht përfshin tre faza, me mbivendosje ndërmjet fazave. Faza e parë, rirregullimi i grimcave dhe faza e dytë, shpërbërja-reshjet, janë fazat më kritike për densifikimin. Koha e mjaftueshme e reagimit në këto faza përmirëson ndjeshëm densitetin e mostrës. Kur temperatura e parasinterimit për procesin e sinterimit me dy hapa vendoset në 1600°C, kokrrat β-Si3N4 formojnë një kornizë dhe krijojnë pore të mbyllura. Pas parasinterimit, ngrohja e mëtejshme nën temperaturë të lartë dhe presion të azotit nxit rrjedhjen dhe mbushjen në fazën e lëngshme, gjë që ndihmon në eliminimin e poreve të mbyllura, duke përmirësuar më tej densitetin e qeramikës Si3N4. Prandaj, mostrat e prodhuara nga procesi i sinterimit me dy hapa tregojnë densitet dhe dendësi relative më të lartë se ato të prodhuara nga sinterimi me një hap.
Faza dhe mikrostruktura Gjatë sinterimit me një hap, koha e disponueshme për rirregullimin e grimcave dhe difuzionin e kufirit të kokrrizave është e kufizuar. Në procesin e sinterimit me dy hapa, hapi i parë kryhet në temperaturë të ulët dhe presion të ulët të gazit, gjë që zgjat kohën e rirregullimit të grimcave dhe rezulton në kokrriza më të mëdha. Temperatura më pas rritet në fazën e temperaturës së lartë, ku kokrrat vazhdojnë të rriten gjatë procesit të pjekjes Ostwald, duke dhënë qeramikë me densitet të lartë Si3N4.
Vetitë mekanike Zbutja e fazës ndërkokrrizore në temperatura të larta është arsyeja kryesore për reduktimin e forcës. Në sinterimin me një hap, rritja jonormale e kokrrave krijon pore të vogla midis kokrrave, gjë që parandalon përmirësimin e ndjeshëm të forcës në temperaturë të lartë. Megjithatë, në procesin e sinterimit me dy hapa, faza e qelqit, e shpërndarë në mënyrë uniforme në kufijtë e kokrrizave, dhe kokrrat me madhësi uniforme rrisin forcën ndërkokrrizore, duke rezultuar në forcë më të lartë përkulëse në temperaturë të lartë.
Si përfundim, mbajtja e zgjatur gjatë sinterimit me një hap mund të zvogëlojë efektivisht porozitetin e brendshëm dhe të arrijë ngjyrën dhe strukturën e brendshme uniforme, por mund të çojë në rritje jonormale të kokrrave, gjë që degradon disa veti mekanike. Duke përdorur një proces sinterimi me dy hapa - duke përdorur parasinterimin në temperaturë të ulët për të zgjatur kohën e rirregullimit të grimcave dhe mbajtjen në temperaturë të lartë për të nxitur rritjen uniforme të kokrrizave - një qeramikë Si3N4 me densitet relativ 98,25%, mikrostrukturë uniforme dhe veti të shkëlqyera mekanike gjithëpërfshirëse mund të përgatitet me sukses.
| Emri | Nënshtresa | Përbërja e shtresës epitaksiale | Procesi epitaksial | Medium epitaksial |
| Silic homoepitaksial | Si | Si | Epitaksia e fazës së avullit (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silic heteroepitaksial | Safir ose spinel | Si | Epitaksia e fazës së avullit (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaksiale | GaAs | GaAs GaAs | Epitaksia e fazës së avullit (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaksi me rreze molekulare (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksiale | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaksia e fazës së lëngshme (LPE) Faza e avullit (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksiale | GaP | Hendeku (GaP;N) | Epitaksia e fazës së lëngshme (LPE) Epitaksia e fazës së lëngshme (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supergrlat | GaAs | GaAlAs/GaAs (cikli) | Epitaksi me rreze molekulare (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksiale | Në P | Në P | Epitaksia e fazës së avullit (VPE) Epitaksia e fazës së lëngshme (LPE) | PCl3+Në+H2 Në+InAs+GaAs+InP+H2 |
| Si/GaAs Epitaksia | Si | GaAs | Epitaksi me rreze molekulare (MBE) MOGVD | Ga, si GaR3+AsH3+H2 |
Koha e postimit: Dhjetor-24-2024