Ang Silicon nitride (Si₃N₄) ceramics, bilang advanced structural ceramics, ay nagtataglay ng mahuhusay na katangian tulad ng mataas na temperatura resistance, mataas na lakas, mataas na tigas, mataas na tigas, creep resistance, oxidation resistance, at wear resistance. Bukod pa rito, nag-aalok sila ng magandang thermal shock resistance, dielectric properties, mataas na thermal conductivity, at mahusay na high-frequency electromagnetic wave transmission performance. Ang mga natitirang komprehensibong pag-aari ay ginagawang malawakang ginagamit ang mga ito sa mga kumplikadong bahagi ng istruktura, lalo na sa aerospace at iba pang mga high-tech na larangan.
Gayunpaman, ang Si₃N₄, bilang isang tambalang may malakas na covalent bond, ay may matatag na istraktura na nagpapahirap sa sintering sa mataas na density sa pamamagitan ng solid-state diffusion lamang. Upang i-promote ang sintering, ang mga sintering aid, gaya ng mga metal oxide (MgO, CaO, Al₂O₃) at rare earth oxides (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), ay idinaragdag upang mapadali ang densification sa pamamagitan ng liquid-phase na mekanismo ng sintering.
Sa kasalukuyan, ang teknolohiya ng global na semiconductor device ay umuusad patungo sa mas matataas na boltahe, mas malalaking alon, at mas malaking densidad ng kuryente. Malawak ang pananaliksik sa mga pamamaraan para sa paggawa ng Si₃N₄ ceramics. Ipinakikilala ng artikulong ito ang mga proseso ng sintering na epektibong nagpapabuti sa density at komprehensibong mekanikal na katangian ng silicon nitride ceramics.
Mga Karaniwang Paraan ng Sintering para sa Si₃N₄ Ceramics
Paghahambing ng Pagganap para sa Si₃N₄ Ceramics na Inihanda ng Iba't ibang Paraan ng Sintering
1. Reactive Sintering (RS):Ang reactive sintering ay ang unang paraan na ginamit sa industriyal na paghahanda ng Si₃N₄ ceramics. Ito ay simple, cost-effective, at may kakayahang bumuo ng mga kumplikadong hugis. Gayunpaman, mayroon itong mahabang ikot ng produksyon, na hindi nakakatulong sa produksyong pang-industriya.
2. Pressureless Sintering (PLS):Ito ang pinakapangunahing at simpleng proseso ng sintering. Gayunpaman, nangangailangan ito ng mataas na kalidad na Si₃N₄ na hilaw na materyales at kadalasang nagreresulta sa mga ceramics na may mas mababang densidad, makabuluhang pag-urong, at tendensiyang mag-crack o mag-deform.
3. Hot-Press Sintering (HP):Ang paglalapat ng uniaxial mechanical pressure ay nagpapataas ng puwersang nagtutulak para sa sintering, na nagpapahintulot sa mga siksik na keramika na magawa sa mga temperatura na 100-200°C na mas mababa kaysa sa mga ginagamit sa walang pressure na sintering. Ang pamamaraang ito ay karaniwang ginagamit para sa paggawa ng medyo simpleng mga keramika na hugis bloke ngunit mahirap matugunan ang mga kinakailangan sa kapal at hugis para sa mga materyal na substrate.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):Ang SPS ay nailalarawan sa pamamagitan ng mabilis na sintering, pagpipino ng butil, at pinababang temperatura ng sintering. Gayunpaman, ang SPS ay nangangailangan ng malaking pamumuhunan sa mga kagamitan, at ang paghahanda ng mataas na thermal conductivity na Si₃N₄ ceramics sa pamamagitan ng SPS ay nasa pang-eksperimentong yugto pa rin at hindi pa industriyalisado.
5. Gas-Pressure Sintering (GPS):Sa pamamagitan ng paglalapat ng presyon ng gas, pinipigilan ng pamamaraang ito ang ceramic decomposition at pagbaba ng timbang sa mataas na temperatura. Mas madaling makagawa ng mga high-density na ceramics at nagbibigay-daan sa produksyon ng batch. Gayunpaman, ang isang solong hakbang na proseso ng sintering ng gas-pressure ay nagpupumilit na makagawa ng mga istrukturang bahagi na may pare-parehong panloob at panlabas na kulay at istraktura. Ang paggamit ng two-step o multi-step na proseso ng sintering ay maaaring makabuluhang bawasan ang intergranular oxygen content, mapabuti ang thermal conductivity, at mapahusay ang pangkalahatang mga katangian.
Gayunpaman, ang mataas na temperatura ng sintering ng two-step na gas-pressure sintering ay humantong sa nakaraang pananaliksik na pangunahing tumutok sa paghahanda ng Si₃N₄ ceramic substrates na may mataas na thermal conductivity at room-temperature bending strength. Relatibong limitado ang pananaliksik sa Si₃N₄ ceramics na may komprehensibong mekanikal na katangian at mataas na temperatura.
Gas-Pressure Two-Step Sintering Method para sa Si₃N₄
Gumamit si Yang Zhou at mga kasamahan mula sa Chongqing University of Technology ng sintering aid system na 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ para ihanda ang Si₃N₄ ceramics gamit ang parehong one-step at two-step na gas-pressure sintering na proseso sa 1800°C. Ang Si₃N₄ ceramics na ginawa ng dalawang-hakbang na proseso ng sintering ay may mas mataas na density at mas mahusay na komprehensibong mekanikal na mga katangian. Ang mga sumusunod ay nagbubuod ng mga epekto ng isang hakbang at dalawang hakbang na proseso ng sintering ng gas-pressure sa microstructure at mekanikal na mga katangian ng Si₃N₄ ceramic na bahagi.
Densidad Ang proseso ng densification ng Si₃N₄ ay karaniwang may kasamang tatlong yugto, na may overlap sa pagitan ng mga yugto. Ang unang yugto, ang muling pagsasaayos ng butil, at ang pangalawang yugto, ang dissolution-precipitation, ay ang pinaka-kritikal na yugto para sa densification. Ang sapat na oras ng reaksyon sa mga yugtong ito ay makabuluhang nagpapabuti sa density ng sample. Kapag ang pre-sintering temperature para sa two-step na proseso ng sintering ay nakatakda sa 1600°C, ang β-Si₃N₄ grains ay bumubuo ng isang framework at lumilikha ng mga closed pores. Pagkatapos ng pre-sintering, ang karagdagang pag-init sa ilalim ng mataas na temperatura at presyon ng nitrogen ay nagtataguyod ng daloy at pagpuno ng liquid-phase, na tumutulong sa pag-alis ng mga saradong pores, na higit pang pagpapabuti ng density ng Si₃N₄ ceramics. Samakatuwid, ang mga sample na ginawa ng dalawang-hakbang na proseso ng sintering ay nagpapakita ng mas mataas na density at relatibong density kaysa sa ginawa ng isang hakbang na sintering.
Phase at Microstructure Sa isang hakbang na sintering, ang oras na magagamit para sa muling pagsasaayos ng butil at pagsasabog ng hangganan ng butil ay limitado. Sa dalawang-hakbang na proseso ng sintering, ang unang hakbang ay isinasagawa sa mababang temperatura at mababang presyon ng gas, na nagpapalawak sa oras ng muling pagsasaayos ng particle at nagreresulta sa mas malalaking butil. Pagkatapos ay itataas ang temperatura sa yugto ng mataas na temperatura, kung saan patuloy na lumalaki ang mga butil sa pamamagitan ng proseso ng pagkahinog ng Ostwald, na nagbubunga ng high-density na Si₃N₄ ceramics.
Mechanical Properties Ang paglambot ng intergranular phase sa mataas na temperatura ay ang pangunahing dahilan ng pagbawas ng lakas. Sa isang hakbang na sintering, ang abnormal na paglaki ng butil ay lumilikha ng maliliit na butas sa pagitan ng mga butil, na pumipigil sa makabuluhang pagpapabuti sa lakas ng mataas na temperatura. Gayunpaman, sa dalawang-hakbang na proseso ng sintering, ang glass phase, pantay na ipinamamahagi sa mga hangganan ng butil, at ang pare-parehong laki ng mga butil ay nagpapahusay sa intergranular na lakas, na nagreresulta sa mas mataas na mataas na temperatura ng baluktot na lakas.
Sa konklusyon, ang matagal na paghawak sa panahon ng isang hakbang na sintering ay maaaring epektibong mabawasan ang panloob na porosity at makamit ang pare-parehong panloob na kulay at istraktura ngunit maaaring humantong sa abnormal na paglaki ng butil, na nagpapababa ng ilang mga mekanikal na katangian. Sa pamamagitan ng paggamit ng dalawang-hakbang na proseso ng sintering—paggamit ng mababang-temperatura na pre-sintering upang palawigin ang oras ng muling pagsasaayos ng particle at mataas na temperatura na paghawak upang isulong ang pare-parehong paglaki ng butil—isang Si₃N₄ ceramic na may relatibong density na 98.25%, pare-parehong microstructure, at mahusay na komprehensibong mekanikal na mga katangian maaaring matagumpay na maihanda.
| Pangalan | substrate | Komposisyon ng epitaxial layer | Epitaxial na proseso | Epitaxial medium |
| Silicon homoepitaxial | Si | Si | Vapor Phase Epitaxy (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicon heteroepitaxial | Sapiro o spinel | 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 heteroepitaxial | 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 |
| Superlattice | GaAs | GaAlAs/GaAs (cycle) | 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 Sa+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs Epitaxy | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga, Bilang GaR₃+AsH₃+H₂ |
Oras ng post: Dis-24-2024