Kiselnitrid (Si₃N4) keramik, som avancerad strukturell keramik, har utmärkta egenskaper såsom hög temperaturbeständighet, hög hållfasthet, hög seghet, hög hårdhet, krypbeständighet, oxidationsbeständighet och slitstyrka. Dessutom erbjuder de bra värmechockbeständighet, dielektriska egenskaper, hög värmeledningsförmåga och utmärkt högfrekvent elektromagnetisk vågöverföringsprestanda. Dessa enastående omfattande egenskaper gör att de används i stor utsträckning i komplexa strukturella komponenter, särskilt inom flyg och andra högteknologiska områden.
Emellertid har Si3N4, som är en förening med starka kovalenta bindningar, en stabil struktur som gör sintring till hög densitet svår genom enbart diffusion i fast tillstånd. För att främja sintring tillsätts sintringshjälpmedel, såsom metalloxider (MgO, CaO, Al2O3) och sällsynta jordartsmetalloxider (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), för att underlätta förtätning via en sintringsmekanism i vätskefas.
För närvarande går den globala teknologin för halvledarenheter framåt mot högre spänningar, större strömmar och större effekttätheter. Forskning om metoder för tillverkning av Si₃N4-keramer är omfattande. Den här artikeln introducerar sintringsprocesser som effektivt förbättrar densiteten och de omfattande mekaniska egenskaperna hos kiselnitridkeramik.
Vanliga sintringsmetoder för Si₃N₄-keramik
Jämförelse av prestanda för Si₃N₄-keramik framställd med olika sintringsmetoder
1. Reaktiv sintring (RS):Reaktiv sintring var den första metoden som användes för att industriellt framställa Si3N4-keramik. Det är enkelt, kostnadseffektivt och kan forma komplexa former. Den har dock en lång produktionscykel, vilket inte är gynnsamt för produktion i industriell skala.
2. Trycklös sintring (PLS):Detta är den mest grundläggande och enkla sintringsprocessen. Det kräver dock högkvalitativa Si₃N4-råmaterial och resulterar ofta i keramik med lägre densitet, betydande krympning och en tendens att spricka eller deformeras.
3. Hot-Press Sintring (HP):Appliceringen av enaxligt mekaniskt tryck ökar drivkraften för sintring, vilket gör att tät keramik kan produceras vid temperaturer 100-200°C lägre än de som används vid trycklös sintring. Denna metod används vanligtvis för att tillverka relativt enkel blockformad keramik men är svår att uppfylla tjockleks- och formkraven för substratmaterial.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS kännetecknas av snabb sintring, kornförfining och reducerade sintringstemperaturer. SPS kräver emellertid betydande investeringar i utrustning, och framställningen av Si₃N4-keramik med hög värmeledningsförmåga via SPS är fortfarande i experimentstadiet och har ännu inte industrialiserats.
5. Gastrycksintring (GPS):Genom att applicera gastryck förhindrar denna metod keramisk nedbrytning och viktminskning vid höga temperaturer. Det är lättare att tillverka keramik med hög densitet och möjliggör satsvis produktion. En enstegs gastrycksintringsprocess kämpar dock för att producera strukturella komponenter med enhetlig inre och yttre färg och struktur. Att använda en tvåstegs eller flerstegs sintringsprocess kan avsevärt reducera intergranulärt syreinnehåll, förbättra värmeledningsförmågan och förbättra övergripande egenskaper.
Emellertid har den höga sintringstemperaturen för tvåstegs gastryckssintring lett till att tidigare forskning främst fokuserat på att förbereda Si3N4-keramiska substrat med hög värmeledningsförmåga och böjhållfasthet vid rumstemperatur. Forskning om Si₃N4-keramer med omfattande mekaniska egenskaper och mekaniska egenskaper vid hög temperatur är relativt begränsad.
Gastrycks tvåstegssintringsmetod för Si₃N4
Yang Zhou och kollegor från Chongqing University of Technology använde ett sintringshjälpsystem med 5 viktprocent Yb2O3 + 5 viktprocent Al2O3 för att framställa Si₃N4-keramik med både enstegs- och tvåstegsgastrycksintringsprocesser vid 1800°C. Si3N4-keramerna framställda genom tvåstegssintringsprocessen hade högre densitet och bättre heltäckande mekaniska egenskaper. Följande sammanfattar effekterna av enstegs och tvåstegs gastrycksintringsprocesser på mikrostrukturen och mekaniska egenskaper hos Si3N4 keramiska komponenter.
Densitet Förtätningsprocessen av Si3N4 innefattar typiskt tre steg, med överlappning mellan stegen. Det första steget, partikelomlagring, och det andra steget, upplösning-fällning, är de mest kritiska stegen för förtätning. Tillräcklig reaktionstid i dessa steg förbättrar provdensiteten avsevärt. När försintringstemperaturen för tvåstegssintringsprocessen är inställd på 1600°C, bildar β-Si₃N4-korn ett ramverk och skapar slutna porer. Efter försintring främjar ytterligare uppvärmning under hög temperatur och kvävetryck vätskefasflöde och fyllning, vilket hjälper till att eliminera slutna porer, vilket ytterligare förbättrar densiteten hos Si₃N4-keramer. Därför visar proverna som produceras genom tvåstegssintringsprocessen högre densitet och relativ densitet än de som produceras genom enstegssintring.
Fas och mikrostruktur Under enstegssintring är den tillgängliga tiden för partikelomläggning och korngränsdiffusion begränsad. I tvåstegssintringsprocessen utförs det första steget vid låg temperatur och lågt gastryck, vilket förlänger partikelomlagringstiden och resulterar i större korn. Temperaturen höjs sedan till högtemperaturstadiet, där kornen fortsätter att växa genom Ostwald-mognadsprocessen, vilket ger Si₃N4-keramik med hög densitet.
Mekaniska egenskaper Mjukningen av den intergranulära fasen vid höga temperaturer är den främsta orsaken till minskad styrka. Vid enstegssintring skapar onormal korntillväxt små porer mellan kornen, vilket förhindrar signifikant förbättring av högtemperaturhållfastheten. I tvåstegssintringsprocessen ökar emellertid glasfasen, likformigt fördelad i korngränserna, och de likformiga kornen den intergranulära hållfastheten, vilket resulterar i högre böjhållfasthet vid hög temperatur.
Sammanfattningsvis kan långvarig hållning under enstegssintring effektivt minska den inre porositeten och uppnå enhetlig inre färg och struktur men kan leda till onormal korntillväxt, vilket försämrar vissa mekaniska egenskaper. Genom att använda en tvåstegs sintringsprocess – med lågtemperaturförsintring för att förlänga partikelomlagringstiden och högtemperaturhållning för att främja jämn korntillväxt – en Si₃N₄-keram med relativ densitet på 98,25 %, enhetlig mikrostruktur och utmärkta omfattande mekaniska egenskaper kan förberedas framgångsrikt.
| Namn | Substrat | Epitaxialskiktets sammansättning | Epitaxiell process | Epitaxiellt medium |
| Kisel homoepitaxial | Si | Si | Vapor Phase Epitaxi (VPE) | SiCl4+H2 |
| Kisel heteroepitaxiellt | Safir eller spinell | Si | Vapor Phase Epitaxi (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Vapor Phase Epitaxi (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Liquid Phase Epitaxi (LPE) Ångfas (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | Gap | GaP(GaP;N) | Liquid Phase Epitaxi (LPE) Liquid Phase Epitaxi (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supergaller | GaAs | GaAlAs/GaAs (cykel) | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | Vapor Phase Epitaxi (VPE) Liquid Phase Epitaxi (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H2 |
| Si/GaAs-epitaxi | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3+AsH3+H2 |
Posttid: 2024-12-24