سرامیک های کربید سیلیکون (SiC) به طور گسترده ای به خاطر سختی استثنایی، ثبات در دمای بالا و مقاومت قابل توجهی در برابر فرسایش شناخته می شوند.کربید سیلیکون بدون فشار (SSiC)یکی از مهم ترین سرامیک های ساختاری پیشرفته است که در محیط های صنعتی استفاده می شود.
با این حال، سختی نهایی SSiC یک خاصیت ثابت نیست.روش های شکل گیری، شرایط سینتر کردن، ویژگی های مواد اولیه و تکامل میکروسروکتوری.
این مقاله به طور سیستماتیک عوامل کلیدی که بر سختی SSiC تأثیر می گذارند را تجزیه و تحلیل می کند و مکانیسم های اساسی را از دیدگاه علوم مواد توضیح می دهد.
در سینتر کردن بدون فشار، چگال شدن به طور کامل بهتراکم بسته بندی بدنه سبزقبل از سینتر کردن. بسته بندی بالاتر و یکنواخت تر منجر به خشکی کمتر و سختی بالاتر پس از سینتر شدن می شود.
رده بندی سختی با روش شکل دادن
فشرده سازی ایزواستاتیک ≥ فشرده سازی خشک > خروجی > ریخته گری اسلیپ
CIP فشار یکنواخت را در تمام جهت ها فراهم می کند و در نتیجه:
- بیشترین و یکنواخت ترین تراکم سبز
- حداقل تنش داخلی در هنگام سینتر کردن
- کمترین غلظت نقص
- بالاترین ثبات سختی نهایی
فشار خشک در تولید صنعتی به طور گسترده ای استفاده می شود اما نشان می دهد:
- شیب تراکم ناشی از اصطکاک و از دست دادن فشار
- آنیزوتروپی اندکی در میکروسtruktور
- سختی متوسط در مقایسه با CIP
اکستروژن برای میله ها و لوله ها مناسب است اما:
- حاوی مواد اتصال دهنده بیشتر (5٪ تا 15٪)
- منافذ باقیمانده پس از پاک کردن
- جهت گیری ذرات ناشی از جریان
- سختی کلی پایین تر
ریخته گری اسلیپ به تخلیه آب موی موی بستگی دارد:
- کمترین تراکم بسته بندی
- خشکی بالاتر پس از سینتر کردن
- سختی مکانیکی نسبتا کمتر
سختی SSiC عمدتاً توسط سه پارامتر میکروسروکتوری تعیین می شود:
- تراکم (سطح حفره ای)
- اندازه دانه
- سلامت دانه ها
منافذیت به عنوان مراکز غلظت استرس عمل می کند و سختی را کاهش می دهد. چگالی بالاتر به این معنی است:
- منطقه حمل موثر بزرگتر
- کاهش شروع ترک
- سختی ویکرز بالاتر
دانه های کوچکتر باعث افزایش سختی می شوند زیرا:
- مرزهای دانه ها مانع حرکت انحراف می شوند
- مرزهای بیشتر در هر واحد حجم مقاومت در برابر تغییر شکل را افزایش می دهد
- گسترش ترک به طور موثر سرکوب می شود
سینتر کردن با دمای بالا باعث بهبود کامل بودن کریستال می شود:
- مرز های زیر دانه ها را از بین می برد
- نقص های داخلی را کاهش می دهد
- مسیرهای پراکندگی شکاف پایدار را تولید می کند
- ثبات سختی را افزایش می دهد
SSiC بدون فشار به طور معمول نیاز به>2000°Cبرای چگال شدن کامل
۲۱۵۰۲۲۰۰°C
در اين فاصله:
- تراکم > 96٪
- سختی ≥ 23 GPa
- خیلی پایین:چگال شدن ناقص، سخت بودن کم
- محدوده مطلوب:دانه های نازک + تراکم بالا
- خیلی بالا:ضخامت دانه، تجزیه SiC، کاهش سختی
بورون انتشار و چگالي را بهبود مي بخشد.
- ترجیح داده می شود: B یا B4C
- اجتناب: BN (فاز مرزی دانه های ضعیف را تشکیل می دهد)
کربن نقش های متعددی دارد:
- آلودگی های سطح SiO2 را از بین می برد
- رشد دانه ها را کنترل می کند
- افزایش یکنواخت بودن ضخامت
منابع کربن ارگانیک (به عنوان مثال رزین فنولیک) توزیع بهتری نسبت به کربن سیاه را فراهم می کنند و در نتیجه سختی نهایی بالاتر است.
- پودر ظریف تر (< 0.6 μm) → انرژی سطحی بالاتر → سینتر کردن بهتر
- نتایج در تراکم بالاتر و سختی بالاتر
سطح SiO2 باید در طول سینتر شدن حذف شود:
- اکسیژن اضافی مصرف کربن را افزایش می دهد
- تاثیرات بر تراکم نهایی و ثبات میکروسtruktور
روش شکل دادن تعیین می کند:
- تراکم جسم سبز
- یکنواختی
- رفتار انقباض سینتر
این در نهایت توزیع سختی در محصول نهایی را تعریف می کند.
سختی کربید سیلیکون سینتر شده بدون فشار نتیجه یک تعامل پیچیده بین پردازش و میکروسtruktور است.
- دمای سینتر کردن (2150~2200°C)برای دستیابی به سختی مطلوب ضروری است
- انتخاب افزودنی (B + منبع مناسب کربن)به طور مستقیم کیفیت چگالی را تعیین می کند.
- روش شکل گیری کنترل درجه بندی سختی نهایی (CIP بالاترین، ریخته گری لغزنده پایین ترین)
- پودرهای ظریف و تراکم سبز یکسان برای SSiC با عملکرد بالا ضروری است
با بهینه سازی این پارامترها، سرامیک های صنعتی SSiC می توانند سختی برتر، مقاومت در برابر لباس و قابلیت اطمینان طولانی مدت را در محیط های شدید به دست آورند.
