Kísilnítríð (Si₃N₄) keramik, sem háþróað byggingarkeramik, hefur framúrskarandi eiginleika eins og háhitaþol, mikinn styrk, mikla hörku, mikla hörku, skriðþol, oxunarþol og slitþol. Að auki bjóða þeir upp á góða hitaáfallsþol, rafeiginleika, mikla hitaleiðni og framúrskarandi hátíðni rafsegulbylgjusendingar. Þessir framúrskarandi alhliða eiginleikar gera þá mikið notaða í flóknum burðarhlutum, sérstaklega í geimferðum og öðrum hátæknisviðum.
Hins vegar, Si₃N4, sem er efnasamband með sterkum samgildum tengjum, hefur stöðuga uppbyggingu sem gerir sinrun að háum þéttleika erfitt með dreifingu í föstu formi eingöngu. Til að stuðla að sintun er sintunarhjálpartækjum, svo sem málmaoxíðum (MgO, CaO, Al₂O₃) og sjaldgæfum jarðaroxíðum (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), bætt við til að auðvelda þéttingu með vökvafasa sintunarbúnaði.
Eins og er, er alþjóðleg hálfleiðaratækni að þróast í átt að hærri spennu, stærri straumum og meiri aflþéttleika. Rannsóknir á aðferðum til að búa til Si₃N4 keramik eru umfangsmiklar. Þessi grein kynnir hertuferli sem bæta á áhrifaríkan hátt þéttleika og alhliða vélræna eiginleika kísilnítríð keramik.
Algengar sintunaraðferðir fyrir Si₃N₄ keramik
Samanburður á frammistöðu fyrir Si₃N₄ keramik sem er útbúið með mismunandi sintunaraðferðum
1. Reactive Sintering (RS):Hvarfgjarn sintrun var fyrsta aðferðin sem notuð var til að framleiða Si₃N4 keramik í iðnaði. Það er einfalt, hagkvæmt og getur myndað flókin form. Hins vegar hefur það langa framleiðslulotu, sem er ekki til þess fallið að framleiða iðnaðarstærð.
2. Þrýstilaus sintun (PLS):Þetta er einfaldasta og einfaldasta sintunarferlið. Hins vegar þarf það hágæða Si₃N₄ hráefni og leiðir oft til keramik með minni þéttleika, verulega rýrnun og tilhneigingu til að sprunga eða afmyndast.
3. Hot-Press Sintering (HP):Notkun einása vélræns þrýstings eykur drifkraftinn fyrir sintrun, sem gerir kleift að framleiða þétt keramik við hitastig sem er 100-200°C lægra en það sem notað er við þrýstingslausa sintun. Þessi aðferð er venjulega notuð til að búa til tiltölulega einfalt blokklaga keramik en erfitt er að uppfylla kröfur um þykkt og lögun fyrir undirlagsefni.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS einkennist af hraðri sintrun, kornhreinsun og lækkuðu sintunarhitastigi. Hins vegar, SPS krefst verulegrar fjárfestingar í búnaði og undirbúningur á Si₃N₄ keramik með mikilli hitaleiðni í gegnum SPS er enn á tilraunastigi og hefur ekki enn verið iðnvædd.
5. Gasþrýstingssintun (GPS):Með því að beita gasþrýstingi hindrar þessi aðferð keramik niðurbrot og þyngdartap við háan hita. Það er auðveldara að framleiða háþéttni keramik og gerir lotuframleiðslu kleift. Hins vegar, eins þrepa gasþrýstings sintrunarferli, á í erfiðleikum með að framleiða byggingarhluta með einsleitum innri og ytri lit og uppbyggingu. Notkun tveggja þrepa eða fjölþrepa sintunarferlis getur dregið verulega úr súrefnisinnihaldi milli korna, bætt hitaleiðni og aukið heildareiginleika.
Hins vegar hefur hátt sintunarhitastig tveggja þrepa gasþrýstisintrunar leitt til þess að fyrri rannsóknir hafa aðallega einbeitt sér að því að undirbúa Si₃N₄ keramik hvarfefni með mikilli hitaleiðni og beygjustyrk við stofuhita. Rannsóknir á Si₃N₄ keramik með alhliða vélrænni eiginleika og háhita vélrænni eiginleika eru tiltölulega takmarkaðar.
Gasþrýstingur tveggja þrepa sintunaraðferð fyrir Si₃N₄
Yang Zhou og félagar frá tækniháskólanum í Chongqing notuðu sintunaraðstoðarkerfi upp á 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ til að útbúa Si₃N₄ keramik með því að nota bæði eins þrepa og tveggja þrepa gasþrýsti sintunarferli við 1800°C. Si₃N4 keramikið sem framleitt var með tveggja þrepa sintunarferlinu hafði meiri þéttleika og betri alhliða vélræna eiginleika. Eftirfarandi dregur saman áhrif eins þrepa og tveggja þrepa gasþrýstings sintunarferla á örbyggingu og vélræna eiginleika Si₃N₄ keramikhluta.
Þéttleiki Þéttingarferlið Si₃N4 felur venjulega í sér þrjú stig, með skörun á milli þrepanna. Fyrsta stigið, endurröðun agna, og annað stigið, upplausn-úrkoma, eru mikilvægustu stigin fyrir þéttingu. Nægur viðbragðstími á þessum stigum bætir þéttleika sýna verulega. Þegar hitastigið fyrir tveggja þrepa sintunarferlið er stillt á 1600°C mynda β-Si₃N₄ korn ramma og mynda lokaðar svitaholur. Eftir forsintrun stuðlar frekari upphitun undir háum hita og köfnunarefnisþrýstingi á flæði og fyllingu í vökvafasa, sem hjálpar til við að útrýma lokuðum svitaholum og bætir enn frekar þéttleika Si₃N₄ keramik. Þess vegna sýna sýnin sem framleidd eru með tveggja þrepa sintunarferlinu hærri þéttleika og hlutfallslegan þéttleika en þau sem eru framleidd með eins þrepa sintrun.
Fasi og örbygging Við eins þrepa sinrun er tíminn sem er til fyrir endurröðun agna og dreifingu kornamarka takmarkaður. Í tveggja þrepa sintunarferlinu er fyrsta skrefið framkvæmt við lágan hita og lágan gasþrýsting, sem lengir endurröðunartíma agna og leiðir til stærri korna. Hitastigið er síðan hækkað upp í háhitastigið, þar sem kornin halda áfram að vaxa í gegnum Ostwald-þroskunarferlið og gefa af sér Si₃N₄-keramik með miklum þéttleika.
Vélrænir eiginleikar Mýking millikorna fasans við háan hita er aðalástæðan fyrir minni styrkleika. Í eins-þrepa sinrun skapar óeðlilegur kornvöxtur litlar svitaholur á milli kornanna, sem kemur í veg fyrir verulegan bata í háhitastyrk. Hins vegar, í tveggja þrepa sintrunarferlinu, eykur glerfasinn, jafnt dreift í kornmörkunum, og kornin í jafnstærð, millikornastyrkinn, sem leiðir til hærri beygjustyrks við háan hita.
Niðurstaðan er sú að langvarandi hald við eins þrepa sintrun getur á áhrifaríkan hátt dregið úr innri porosity og náð einsleitri innri lit og uppbyggingu en getur leitt til óeðlilegs kornvaxtar, sem rýrir ákveðna vélræna eiginleika. Með því að nota tveggja þrepa sintunarferli - með því að nota lághita forsintun til að lengja endurröðunartíma agna og halda háhita til að stuðla að jöfnum kornavexti - Si₃N₄ keramik með hlutfallslegan þéttleika 98,25%, samræmda örbyggingu og framúrskarandi alhliða vélræna eiginleika hægt að undirbúa með góðum árangri.
| Nafn | Undirlag | Epitaxial lag samsetning | Epitaxial ferli | Epitaxial miðill |
| Silicon homoepitaxial | Si | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiCl4+H2 |
| Kísill heteroepitaxial | Safír eða spínel | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiH4+H₂ |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxal | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Liquid Phase Epitaxy (LPE) Vapor Phase (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | GaP | GaP(GaP;N) | Liquid Phase Epitaxy (LPE) Liquid Phase Epitaxy (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Ofurgrindur | GaAs | GaAlAs/GaAs (hringrás) | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | Vapor Phase Epitaxy (VPE) Liquid Phase Epitaxy (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaxy | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga、As GaR3+AsH3+H2 |
Birtingartími: 24. desember 2024