Tillverkning av kiselkarbid

Kiselkarbid är grunden för flera nya teknologier som elfordon, 5G-nätverk och solpaneler. Med över 250 kristallina former tillgängliga och många unika egenskaper fungerar det som ryggraden för dessa framväxande industrier.

Framställning av SiC kan ske genom olika processer, men Acheson-processen är den mest populära. Den innebär att kiselsand värms upp med kol i koks vid höga temperaturer för att producera rena SiC-kristaller genom kemiska reaktioner som skapar rena kristaller av SiC.

Acheson-processen

Acheson-processen producerar kiselkarbid kommersiellt genom att blanda kiseldioxid och koks innan det värms upp till höga temperaturer, vilket ger hård och slipande kiselkarbid som har olika tillämpningar inom flera olika branscher.

Acheson-ugnar består av grafitplattor som är belagda med kolsvart värmeisolering för effektiv reaktion mellan kiseldioxid och koks, medan väggarna är klädda med isoleringsmaterialet för att skapa ett begränsat utrymme runt ett centralt motstånd för energibesparingar och minskade utsläpp av giftiga och organiska föroreningar.

Matematisk modellering har bekräftat att kiselkarbidbildningen i Acheson-processen domineras av fast-gasreaktioner vid gränssnittet mellan råmaterial, där gasfasens sammansättning och det låga ångtrycket vid reaktionstemperaturen är viktiga faktorer för bildningen.

Acheson är en flerstegsprocess som börjar med att pulveriserad kiseldioxid och koks blandas i en grafitdegel och sedan värms upp till höga temperaturer i antingen vakuum eller i en miljö med inert gas. Efter uppvärmningen konsolideras kristallerna som bildats av denna blandning med hjälp av kall isostatisk pressningsteknik - där pulvret komprimeras genom tryck under en flexibel form nedsänkt i ett flytande medium.

Reaktionsbunden SiC

RB SiC används i applikationer där det måste tåla höga nivåer av friktion, slag, nötning och erosion - t.ex. utrustning för halvledartillverkning som waferbärare och susceptorer, skyddsutrustning för arbetare inom industrier som flyg och militär; det hjälper till och med att minimera termisk chock på grund av snabba temperaturförändringar.

Sintrad kiselkarbid (SSiC) tillverkas emellertid genom pressning och sintring av SiC-pulver, medan reaktionsbunden kiselkarbid (RBSiC) framställs genom att kompakter av kol och kisel infiltreras med flytande kisel för att binda det till de ursprungliga partiklarna av SiC för att producera ytterligare kiselkarbider som sedan bildar RBSiC med utmärkta egenskaper vad gäller hårdhet, hållfasthet, korrosions- och oxidationsbeständighet.

Tillverkning av reaktionsbunden kiselkarbid innebär att 70-99% vikt av 10 5000 mm kiselpulver blandas med 1- 10% vikt av härdplaster som bindemedel i ett lösningsmedel, sedan torkas denna uppslamning för att erhålla granulat, innan dessa formas för att uppfylla förutbestämda formspecifikationer. Efter torkning, mjukgöring genom tillsats av ett bindemedel med högre kolhastighet (t.ex. fenolharts) skapas en kiseltillförselkropp. Slutligen sammanförs denna kropp med en förform av smält kiselkarbid/kol och värmebehandlas för att producera reaktionsbunden kiselkarbid.

Kemisk förångningsdeposition

Kiselkarbid, som består av kisel- och kolatomer, är det hårdaste naturligt förekommande ämne som finns. På grund av sin låga värmeutvidgning och utmärkta korrosionsbeständighet används kiselkarbid i olika applikationer på grund av sin låga värmeutvidgning, utmärkta korrosionsbeständighet, överlägsna fysikaliska och kemiska egenskaper samt motståndskraft mot slitage och nötning jämfört med de flesta metaller; i själva verket är dess densitet jämförbar med diamant.

Kemisk förångningsdeposition (CVD) är den föredragna processen för att skapa b-SiC. SiC-pulver omvandlas till ånga genom upphettning i antingen vakuum eller gasformiga plasmamiljöer innan det förs in i en CVD-ugn för ytterligare reaktion med andra material som laddats in i den och slutligen blir till fristående SiC-artiklar.

En metod tillhandahålls för att producera b-SiC i vilken flera grafitdeponeringsdorn monteras i ett grafitisoleringsrör och gas införs genom dess övre ände på ett sådant sätt att reaktionsgaser sveper över varje dorn med ungefär 1 mikron per minut eller snabbare. Detta underlättar deponering av föreningen på dessa mandriner med en ökande hastighet tills slutprodukten har uppnåtts.

TevTechs patenterade process för deponering av konforma och superkonforma 3C-SiC-beläggningar vid höga temperaturer och lågt tryck är skräddarsydd för att uppnå konform och superkonform beläggning av vior och diken i vior och diken i mikrometer- eller submikrometerskala, vilket är relevant för elektroniska material som används i dem. I motsats till tidigare studier tillåter högre temperatur långsammare kinetik för förbrukning av prekursorer medan tillsatsen av HCl hjälper till att uppnå förbättrad stegtäckning vid lägre temperaturer genom att minimera blockering av ytplatser.

Teknik för stora ugnar

SiC-epitaxiugnar används för att producera kiselkarbidwafers som sedan används i kraftelektronik och andra energieffektiva applikationer, inklusive elfordon och system för förnybar energi. Den globala efterfrågan har gjort att denna produkttyp har blivit en integrerad del av det moderna livet.

En förbättrad ugnskonstruktion av Acheson-typ med isolerade portar för att fortsätta kiseldioxid-koksreaktioner under förhållanden som resulterar i ökat proportionellt utbyte av grovkristallint material samtidigt som mängden eldsand som återvinns efter varje produktionskörning minskar. Genomförda studier har visat att när denna isolerade portkonstruktion används, sker en mycket större omvandling av kiseldioxid, koks och eldsand till grovkristallin kiselkarbid än med delar som tas från omgivande kimröksväggkonstruktioner.

Termisk fältuppvärmning av grafit är ett idealiskt val för industriugnar på grund av dess förmåga att upprätthålla utmärkt temperaturstabilitet och kontrollerbarhet, icke-kontaminering, enkel rengöring och motståndskraft mot kemiska angrepp. Dessutom tål grafit extrema temperaturer och tryck och kan även motstå extrema tryck och temperaturer. Pressade SiC-pulverämnen sintras till höghållfasta komponenter innan de utsätts för rigorösa kvalitetskontroller, tester och inspektioner innan de beläggs med olika material för att ge slitstyrka, korrosionsskydd eller prestandafördelar.