Siliciumnitrid (Si₃N₄) keramik, som avanceret strukturel keramik, har fremragende egenskaber såsom høj temperaturbestandighed, høj styrke, høj sejhed, høj hårdhed, krybemodstand, oxidationsmodstand og slidstyrke. Derudover tilbyder de god termisk stødmodstand, dielektriske egenskaber, høj termisk ledningsevne og fremragende højfrekvent elektromagnetisk bølgetransmission. Disse enestående omfattende egenskaber gør dem meget brugt i komplekse strukturelle komponenter, især inden for rumfart og andre højteknologiske områder.
Imidlertid har Si3N4, som er en forbindelse med stærke kovalente bindinger, en stabil struktur, der gør sintring til høj densitet vanskelig gennem faststofdiffusion alene. For at fremme sintring tilsættes sintringshjælpemidler, såsom metaloxider (MgO, CaO, Al2O3) og sjældne jordarters oxider (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), for at lette fortætning via en væskefase sintringsmekanisme.
I øjeblikket udvikler den globale halvlederenhedsteknologi sig mod højere spændinger, større strømme og større effekttætheder. Forskning i metoder til fremstilling af Si3N4-keramik er omfattende. Denne artikel introducerer sintringsprocesser, der effektivt forbedrer tætheden og de omfattende mekaniske egenskaber af siliciumnitridkeramik.
Almindelige sintringsmetoder for Si₃N₄-keramik
Sammenligning af ydeevne for Si₃N₄-keramik fremstillet ved forskellige sintringsmetoder
1. Reaktiv sintring (RS):Reaktiv sintring var den første metode, der blev anvendt til industriel fremstilling af Si3N4-keramik. Det er enkelt, omkostningseffektivt og i stand til at danne komplekse former. Det har dog en lang produktionscyklus, hvilket ikke er befordrende for produktion i industriel skala.
2. Trykløs sintring (PLS):Dette er den mest grundlæggende og enkle sintringsproces. Det kræver dog højkvalitets Si₃N₄-råmaterialer og resulterer ofte i keramik med lavere densitet, betydelig krympning og en tendens til at revne eller deformeres.
3. Hot-Press Sintring (HP):Anvendelsen af uniaksialt mekanisk tryk øger drivkraften til sintring, hvilket gør det muligt at fremstille tæt keramik ved temperaturer 100-200°C lavere end dem, der anvendes ved trykløs sintring. Denne metode bruges typisk til fremstilling af relativt simpel blokformet keramik, men er vanskelig at opfylde kravene til tykkelse og form for substratmaterialer.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS er karakteriseret ved hurtig sintring, kornforfining og reducerede sintringstemperaturer. SPS kræver imidlertid betydelige investeringer i udstyr, og fremstillingen af Si₃N4-keramik med høj varmeledningsevne via SPS er stadig på forsøgsstadiet og er endnu ikke blevet industrialiseret.
5. Gastryksintring (GPS):Ved at påføre gastryk hæmmer denne metode keramisk nedbrydning og vægttab ved høje temperaturer. Det er lettere at fremstille keramik med høj densitet og muliggør batchproduktion. Imidlertid kæmper en enkelt-trins gastryksintringsproces for at producere strukturelle komponenter med ensartet indre og ydre farve og struktur. Brug af en to- eller flertrins sintringsproces kan reducere intergranulært oxygenindhold betydeligt, forbedre termisk ledningsevne og forbedre de overordnede egenskaber.
Imidlertid har den høje sintringstemperatur ved to-trins gastryksintring ført til, at tidligere forskning hovedsageligt fokuserer på at forberede Si₃N4 keramiske substrater med høj termisk ledningsevne og stuetemperatur bøjningsstyrke. Forskning i Si₃N₄-keramik med omfattende mekaniske egenskaber og højtemperaturmekaniske egenskaber er relativt begrænset.
Gastryk to-trins sintringsmetode for Si₃N4
Yang Zhou og kolleger fra Chongqing University of Technology brugte et sintringshjælpesystem på 5 vægt% Yb2O3 + 5 vægt% Al2O3 til at fremstille Si3N4 keramik ved hjælp af både et- og to-trins gastryksintringsprocesser ved 1800°C. Si₃N4-keramikken fremstillet ved to-trins sintringsprocessen havde højere densitet og bedre omfattende mekaniske egenskaber. Det følgende opsummerer virkningerne af et-trins og to-trins gastryksintringsprocesser på mikrostrukturen og mekaniske egenskaber af Si₃N4 keramiske komponenter.
Densitet Fortætningsprocessen af Si3N4 involverer typisk tre trin med overlap mellem trinene. Det første trin, partikelomlejring, og det andet trin, opløsning-fældning, er de mest kritiske trin for fortætning. Tilstrækkelig reaktionstid i disse stadier forbedrer prøvedensiteten væsentligt. Når forsintringstemperaturen for to-trins sintringsprocessen er indstillet til 1600°C, danner β-Si₃N₄ korn en ramme og skaber lukkede porer. Efter forsintring fremmer yderligere opvarmning under høj temperatur og nitrogentryk væskefaseflow og fyldning, hvilket hjælper med at eliminere lukkede porer, hvilket yderligere forbedrer tætheden af Si₃N₄-keramik. Derfor viser prøverne fremstillet ved to-trins sintringsprocessen højere tæthed og relativ tæthed end dem, der produceres ved et-trins sintring.
Fase og mikrostruktur Under et-trins sintring er den tid, der er til rådighed for partikelomlægning og korngrænsediffusion, begrænset. I to-trins sintringsprocessen udføres det første trin ved lav temperatur og lavt gastryk, hvilket forlænger partikelomlejringstiden og resulterer i større korn. Temperaturen øges derefter til højtemperaturstadiet, hvor kornene fortsætter med at vokse gennem Ostwald-modningsprocessen, hvilket giver Si₃N₄-keramik med høj densitet.
Mekaniske egenskaber Blødgøringen af den intergranulære fase ved høje temperaturer er den primære årsag til nedsat styrke. Ved et-trins sintring skaber unormal kornvækst små porer mellem kornene, hvilket forhindrer væsentlig forbedring af højtemperaturstyrken. I to-trins sintringsprocessen øger glasfasen, ensartet fordelt i korngrænserne, og de ensartede korn den intergranulære styrke, hvilket resulterer i højere bøjningsstyrke ved høje temperaturer.
Som konklusion kan langvarig fastholdelse under et-trins sintring effektivt reducere intern porøsitet og opnå ensartet indre farve og struktur, men kan føre til unormal kornvækst, som forringer visse mekaniske egenskaber. Ved at anvende en to-trins sintringsproces – ved hjælp af lavtemperatur-forsintring for at forlænge partikelomlejringstiden og højtemperaturholding for at fremme ensartet kornvækst – en Si₃N₄-keramik med en relativ densitet på 98,25 %, ensartet mikrostruktur og fremragende omfattende mekaniske egenskaber kan forberedes med succes.
| Navn | Underlag | Epitaksial lagsammensætning | Epitaksial proces | Epitaksialt medium |
| Silicium homoepitaxial | Si | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicium heteroepitaksialt | Safir eller spinel | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homøpitaksial | GaAs | GaAs GaAs | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Liquid Phase Epitaxy (LPE) Dampfase (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CH1+H2 |
| GaP homøpitaksial | GaP | GaP(GaP;N) | Liquid Phase Epitaxy (LPE) Liquid Phase Epitaxy (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supergitter | GaAs | GaAlAs/GaAs (cyklus) | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homøpitaksial | InP | InP | Vapor Phase Epitaxy (VPE) Liquid Phase Epitaxy (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksi | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3+AsH3+H2 |
Indlægstid: 24. december 2024