Bearbetning av kiselkarbid

Kiselkarbid är ett extremt hårt, starkt och hållbart keramiskt material med en smältpunkt på 2700 grader Celsius och färglös renhet.

Reaktionsbindning och sintring är de två metoder som finns tillgängliga för att bilda kiselkarbid, var och en har ett betydande inflytande på dess mikrostruktur. Reaktionssintring är enkel och kostnadseffektiv men har nackdelar som låg sintringsdensitet, bräckliga produkter, orienteringskänslighet vid skärning etc. Reaktionssintring är mer av en idealisk metod eftersom dess enkelhet möjliggör effektiv användning samtidigt som reaktionssintring ger större kontroll över den slutliga mikrostrukturen hos den produkt som framställs genom reaktionsbindning eller sintring medan reaktionssintring har låg densitet sintringsdensitet men låg densitet, bräckliga produkter och orienteringskänslighet under skärprocessen jämfört med reaktionssintring eller reaktionsbindningsmetoder för kiselkarbidproduktion.

Reaktionsförmåga Bonded

Reaktionsbunden kiselkarbid (RB SiC) är en prisvärd keram som används i applikationer som kräver slitstyrka samt korrosion, värme och annan miljöpåverkan. RB SiC används ofta i utrustning och processer för pulvermetallurgi och för sintring av metallmaterial, men även inom kemisk bearbetning och glastillverkning.

RB SiC framställs genom att porösa kol- eller grafitförformar infiltreras med flytande kisel och sedan infiltreras vid mycket höga temperaturer och tryck, varvid det reagerar med kolet och bildar ytterligare kiselkarbid som resulterar i ett kompositmaterial med stor styrka, värmebeständighet och hårdhet. Detta skapar en extremt hård och stark keramik som har utmärkt värmebeständighet och som är tillräckligt stark och tålig för att kunna användas i tunga maskiner.

Tillverkningsmetoden för RB SiC innebär att man använder ett kiselpulverbelagt substrat med antingen fenolharts, furfurylalkoholharts eller epoxiharts som bindemedel; skapar en kiselkarbid/kolförform från denna kiseltillförselkropp; sedan kontaktar en yta mellan dessa material genom att värma deras blandning vid temperaturer som är högre än dess smältpunkt i antingen en inert gasmiljö eller reaktionssintringsugn; värmer igen tills allt kisel smält samman jämnt överallt.

Denna metod ger ett effektivt sätt att producera stora och komplext formade RB SiC-produkter mer kostnadseffektivt än direktsintrad kiselkarbid, med lägre värmeutvidgningskoefficient och slitstyrka än andra metoder för att producera keramik.

Lely-metoden

Lely-metoden är ett exempel på en tillväxtteknik som bygger på ångkondensation. För att använda den börjar man med att placera källmaterial, lösningsmedelspallett och frökristall i en grafitdegel innan den värms upp i en inert argonatmosfär till höga temperaturer. Sublimering sker när kiselkarbidladdningsångor kondenserar på olika platser längs de svala hålrumsväggarna för att bilda plattor av enkelkristall kiselkarbid som blir de frön från vilka bulkkristaller (boules) av kiselkarbid bildas.

Processer för tillverkning av enheter som används i praktiska tillämpningar kräver kiselkarbidskivor med stora diametrar. Tyvärr uppfyller kommersiella källor inte alltid den kristallografiska kvalitet som krävs; Lely-processen erbjuder dock en innovativ lösning genom att producera stora kristalliserade boules med liknande metoder som används vid tillverkning av halvledarchips.

Ett cylindriskt grafitkärl med en öppen ände och en central dorn på 25 mm. Det är invändigt fodrat med löst staplad ren kiselkarbid (orenheter mindre än 0,002%). Utrymmet i kärlet begränsas av kiselkarbidfodret och det antas att jämviktsångtrycket mellan kiselkarbid och kisel alltid kommer att existera inom denna volym av utrymme.

Om fodret innehåller föroreningar som bestämmer dess konduktivitet under uppvärmning, och denna förorening finns i en lämplig proportion (som kan varieras periodiskt), kommer dess ångor att separera från kiselkarbid och sätta sig i mittutrymmet och producera kristaller med fördefinierade konduktivitetstyper.

Metod för fysisk ångtransport

Physical Vapor Transport-metoden används för att odla kiselkarbid-enkristallboules med hög renhet och kvalitet. Processen innehåller element från CVD för bättre dopningskontroll vid odling av bulkkristaller av kiselkarbid. Vidare innefattar uppfinningen glödgning på plats av odlade kristaller för att lindra inre spänningar i dem och öka brottkvoten under produktionsprocessen.

Metoden innebär att en grafitdegel fylls med en högtempererad råmaterialzon och att den övre delen laddas med frökristall. Värmeisoleringsskikt placeras i närheten av degeln för extra värmeisolering.

I de mellersta till sena stadierna av kristalltillväxten rör sig värmeisoleringsskikten bort från grafitdegeln 5 med en lämplig hastighet för att bilda en axiell temperaturgradient och påskynda diametertillväxten i en ungefärlig takt.

Tidigare PVT-system krävde att en begränsad mängd pulveriserat källmaterial laddades in i ugnen i början av varje tillväxtomgång, och när denna laddning hade förbrukats behövde den fyllas på via tidskrävande procedurer. Med den här uppfinningens revolutionerande PVT-metod är denna tidskrävande procedur inte längre nödvändig och större boules kan produceras från lika stora volymer av den initiala laddningen jämfört med tidigare system. PVT kan till och med kombineras med glödgning på plats för att producera högpresterande kiselkarbidkristallkulor av halvledarkvalitet.

Tillväxt av enstaka kristaller

Produktion av kiselkarbid kräver extrem precision och optimering för maximalt användbart förhållande efter att sintrings- och poleringsprocesserna är slutförda. Detta är särskilt viktigt när man odlar stora enkristaller. Större enkristaller möjliggör förbättrad bearbetning, vilket i slutändan leder till högre användbara förhållanden efter sintrings- / poleringsprocessen.

Med konventionella tillväxtsystem kan temperaturfördelningen i en tillväxtkammare av kiselkarbid styras genom att ändra storleken och placeringen av värmeförlusthål i isoleringsmaterial. Denna metod möjliggör dock inte dynamisk kontroll i realtid av den inre temperaturfördelningen - något som är avgörande vid odling av enkristaller av hög kvalitet.

Denna uppfinning löser denna utmaning genom att använda ett avancerat värmesystem för att reglera isoleringsskiktets position och möjliggöra dynamisk kontroll av den inre temperaturfördelningen för förbättrad kristallkvalitet.

Dessutom gör uppfinningen det möjligt att glödga kristaller in situ efter att tillväxten är avslutad. Denna process avlägsnar betydande inre spänningar i de odlade kristallerna, vilket bidrar till att minska andelen brott under tillverkningsprocessen och öka utbytet av färdiga kiselkarbidprodukter. Dessutom minskar glödgning på plats den tid som krävs för att odla kristaller med större diameter och maximerar materialutnyttjandegraden.