El carburo de silicio es resistente a altas temperaturas, no reacciona con ácidos fuertes ni álcalis fuertes, tiene buena conductividad eléctrica y térmica y tiene una fuerte resistencia a la radiación. Debido a sus excelentes propiedades físicas y químicas, el carburo de silicio se utiliza ampliamente en las industrias petrolera, química, microelectrónica, automotriz, aeroespacial, láser, energía atómica, maquinaria y metalúrgica. Como muelas abrasivas, boquillas, cojinetes, sellos, álabes móviles y estacionarios de turbinas de gas, sustratos de pantallas reflectantes, piezas de motores, materiales refractarios, etc.
Las placas compuestas para tanques y vehículos blindados están hechas de materiales compuestos de carburo de silicio. Esta placa compuesta es entre un 30% y un 50% más ligera que las placas de acero para tanques comunes y la resistencia al impacto se puede aumentar de 1 a 3 veces. Es un excelente material compuesto. Las cerámicas de alta tecnología con funciones especiales (electricidad, magnetismo, sonido, luz, calor, química, mecánica, biología, etc.) son materiales nuevos que se han desarrollado rápidamente en los últimos 20 años y se consideran el tercer material más importante después de los materiales metálicos y los materiales poliméricos.
El SiC es un compuesto con fuertes enlaces covalentes y su tasa de difusión durante la sinterización es bastante baja. Según los resultados de la investigación de JD Hon et al., incluso a una temperatura alta de 2100 ℃, los coeficientes de autodifusión de C y Si son muy pequeños. Por lo tanto, el SiC es difícil de sinterizar y debe densificarse con la ayuda de aditivos o presión externa o reacción de siliconización.
Los principales métodos para preparar cerámicas de SiC de alta densidad incluyen la sinterización por prensado en caliente, la sinterización sin presión y la sinterización por reacción.
(1) La sinterización por prensado en caliente de polvo de carburo de silicio puro puede acercarse a la densidad teórica, pero requiere una temperatura alta (superior a 2000 ℃) y una presión alta (350 MPa). El uso de aditivos puede promover fuertemente la tasa de densificación y obtener materiales de carburo de silicio con una densidad cercana a la densidad teórica. Aditivos de uso común: Al2O3, AIN, BN, B, etc.; la cantidad máxima de B añadida es 0,36%. Mecanismo: La presencia de carbono libre reacciona con B para formar B4C, que luego forma una solución sólida con SiC. El proceso de sinterización en fase líquida juega un papel importante en la migración del material.
(2) Sinterización sin presión (sinterización a presión normal) Mecanismo de sinterización: sinterización por difusión; la dificultad de la sinterización por difusión está relacionada con la relación entre la energía del límite de grano y la energía superficial. Al promover la sinterización: el SiC puro no se puede sinterizar. Cuando se agrega boro, el boro está en el límite de grano de SiC y forma parcialmente una solución sólida con SiC, lo que reduce la energía del límite de grano de SiC; además, la adición de C ayuda a reducir y eliminar la película de SiO2 en la superficie de SiC, aumentando así la energía superficial para que el polvo ultrafino rg/rs pueda proporcionar la fuerza impulsora mecánica requerida para la densificación, acortar la distancia de difusión y entrar en la sinterización inicial.
(3) Sinterización por reacción El SiC sinterizado por reacción, también conocido como SiC autoadherido, se fabrica mezclando polvo de a-SiC y polvo de grafito en una determinada proporción y presionándolos hasta formar un cuerpo verde, para luego calentarlos a unos 1650 ℃ y, al mismo tiempo, infiltrando Si o infiltrando Si en el cuerpo verde a través de Si en fase gaseosa, de modo que reaccione con el grafito para formar β-SiC, combinando las partículas de a-SiC existentes. Características: Si se permite la infiltración total de Si, se puede obtener un material con porosidad cero y sin cambios de tamaño geométrico durante todo el proceso. En la producción real, el cuerpo verde debe tener poros excesivos para evitar la formación de una capa hermética de SiC debido a que el proceso de infiltración de Si se lleva a cabo primero en la superficie, evitando así que continúe la sinterización por reacción. Durante el proceso de sinterización por reacción, los poros sobrantes se rellenan con exceso de Si, obteniendo así un producto denso no poroso.
Comparación de tres métodos comunes de sinterización:
1. Sinterización por prensado en caliente: solo se pueden preparar piezas de carburo de silicio de formas simples, con baja eficiencia de producción, lo que no es propicio para la producción comercial a gran escala.
2. Sinterización sin presión (sinterización a presión normal): puede producir piezas de carburo de silicio de formas complejas y de gran tamaño, y actualmente es el método de sinterización más ampliamente reconocido.
3. Sinterización de reacción: puede producir piezas de carburo de silicio de formas complejas, con baja temperatura de sinterización, pero el producto tiene un rendimiento deficiente a alta temperatura.
Las cerámicas de SiC que utilizan sinterización sin presión, sinterización por prensado en caliente, sinterización por prensado isostático en caliente y sinterización por reacción tienen diferentes características de rendimiento. Por ejemplo, en términos de densidad de sinterización y resistencia a la flexión, las cerámicas de SiC sinterizadas por prensado en caliente y por prensado isostático en caliente son relativamente mayores, mientras que las de SiC sinterizadas por reacción son relativamente menores. Por otro lado, las propiedades mecánicas de las cerámicas de SiC también varían con diferentes aditivos de sinterización.
Las cerámicas de SiC sinterizadas sin presión, prensadas en caliente y sinterizadas por reacción tienen buena resistencia a ácidos fuertes y álcalis fuertes, pero las cerámicas de SiC sinterizadas por reacción tienen poca resistencia a la corrosión por superácidos como el HF. En términos de resistencia a altas temperaturas, cuando la temperatura es inferior a 900 ℃, la resistencia de casi todas las cerámicas de SiC mejora; cuando la temperatura supera los 1400 ℃, la resistencia a la flexión de las cerámicas de SiC sinterizadas por reacción cae bruscamente. (Esto se debe a que el cuerpo sinterizado contiene una cierta cantidad de Si libre, y la resistencia a la flexión cae bruscamente cuando la temperatura supera una cierta temperatura) Para las cerámicas de SiC sinterizadas sin presión y prensadas isostáticamente en caliente, su resistencia a altas temperaturas se ve afectada principalmente por el tipo de aditivos.
