Τα κεραμικά νιτριδίου πυριτίου (Si3N4), ως προηγμένα δομικά κεραμικά, διαθέτουν εξαιρετικές ιδιότητες όπως αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, υψηλή αντοχή, υψηλή σκληρότητα, υψηλή σκληρότητα, αντίσταση ερπυσμού, αντοχή στην οξείδωση και αντοχή στη φθορά. Επιπλέον, προσφέρουν καλή αντοχή σε θερμικό σοκ, διηλεκτρικές ιδιότητες, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και εξαιρετική απόδοση μετάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής συχνότητας. Αυτές οι εξαιρετικές περιεκτικές ιδιότητες τους κάνουν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολύπλοκα δομικά στοιχεία, ειδικά στην αεροδιαστημική και σε άλλους τομείς υψηλής τεχνολογίας.
Ωστόσο, το Si3N4, όντας μια ένωση με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, έχει μια σταθερή δομή που καθιστά δύσκολη τη σύντηξη σε υψηλή πυκνότητα μόνο μέσω της διάχυσης σε στερεά κατάσταση. Για την προώθηση της πυροσυσσωμάτωσης, βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης, όπως οξείδια μετάλλων (MgO, CaO, Al2O3) και οξείδια σπανίων γαιών (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), προστίθενται για να διευκολύνουν τη συμπύκνωση μέσω ενός μηχανισμού πυροσυσσωμάτωσης υγρής φάσης.
Επί του παρόντος, η παγκόσμια τεχνολογία συσκευών ημιαγωγών προχωρά προς υψηλότερες τάσεις, μεγαλύτερα ρεύματα και μεγαλύτερες πυκνότητες ισχύος. Η έρευνα σε μεθόδους για την κατασκευή κεραμικών Si3N4 είναι εκτεταμένη. Αυτό το άρθρο εισάγει διαδικασίες πυροσυσσωμάτωσης που βελτιώνουν αποτελεσματικά την πυκνότητα και τις ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες των κεραμικών νιτριδίου του πυριτίου.
Κοινές μέθοδοι πυροσυσσωμάτωσης για κεραμικά Si3N4
Σύγκριση της απόδοσης για κεραμικά Si3N4 που παρασκευάζονται με διαφορετικές μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης
1. Reactive Sintering (RS):Η αντιδραστική πυροσυσσωμάτωση ήταν η πρώτη μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την βιομηχανική παρασκευή κεραμικών Si3N4. Είναι απλό, οικονομικό και ικανό να σχηματίζει περίπλοκα σχήματα. Ωστόσο, έχει μακρύ κύκλο παραγωγής, ο οποίος δεν ευνοεί την παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας.
2. Πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση (PLS):Αυτή είναι η πιο βασική και απλή διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης. Ωστόσο, απαιτεί πρώτες ύλες Si3N4 υψηλής ποιότητας και συχνά οδηγεί σε κεραμικά με χαμηλότερη πυκνότητα, σημαντική συρρίκνωση και τάση για ρωγμές ή παραμόρφωση.
3. Πυροσυσσωμάτωση Hot-Press (HP):Η εφαρμογή μονοαξονικής μηχανικής πίεσης αυξάνει την κινητήρια δύναμη για πυροσυσσωμάτωση, επιτρέποντας την παραγωγή πυκνών κεραμικών σε θερμοκρασίες 100-200°C χαμηλότερες από αυτές που χρησιμοποιούνται στην πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή σχετικά απλών κεραμικών σε σχήμα μπλοκ, αλλά είναι δύσκολο να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις πάχους και σχήματος για υλικά υποστρώματος.
4. Πυροσυσσωμάτωση με Spark Plasma (SPS):Το SPS χαρακτηρίζεται από γρήγορη πυροσυσσωμάτωση, εξευγενισμό κόκκων και μειωμένες θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης. Ωστόσο, το SPS απαιτεί σημαντικές επενδύσεις σε εξοπλισμό και η παρασκευή κεραμικών υψηλής θερμικής αγωγιμότητας Si3N4 μέσω SPS βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό στάδιο και δεν έχει ακόμη βιομηχανοποιηθεί.
5. Συσσωμάτωση με πίεση αερίου (GPS):Με την εφαρμογή πίεσης αερίου, αυτή η μέθοδος αναστέλλει την αποσύνθεση του κεραμικού και την απώλεια βάρους σε υψηλές θερμοκρασίες. Είναι ευκολότερο να παραχθεί κεραμικά υψηλής πυκνότητας και επιτρέπει την παραγωγή παρτίδων. Ωστόσο, μια διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης ενός σταδίου πίεσης αερίου αγωνίζεται να παράγει δομικά στοιχεία με ομοιόμορφο εσωτερικό και εξωτερικό χρώμα και δομή. Η χρήση μιας διεργασίας πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων ή πολλών σταδίων μπορεί να μειώσει σημαντικά την περιεκτικότητα σε διακοκκώδη οξυγόνο, να βελτιώσει τη θερμική αγωγιμότητα και να βελτιώσει τις συνολικές ιδιότητες.
Ωστόσο, η υψηλή θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης της πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων με πίεση αερίου έχει οδηγήσει την προηγούμενη έρευνα να επικεντρωθεί κυρίως στην προετοιμασία κεραμικών υποστρωμάτων Si3N4 με υψηλή θερμική αγωγιμότητα και αντοχή σε κάμψη σε θερμοκρασία δωματίου. Η έρευνα για κεραμικά Si3N4 με ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες και μηχανικές ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας είναι σχετικά περιορισμένη.
Μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων με πίεση αερίου για Si3N4
Ο Yang Zhou και οι συνεργάτες του από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chongqing χρησιμοποίησαν ένα σύστημα βοήθειας πυροσυσσωμάτωσης 5 wt.% Yb2O3 + 5 wt.% Al2O3 για να παρασκευάσουν κεραμικά Si3N4 χρησιμοποιώντας διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης με πίεση αερίου ενός σταδίου και δύο σταδίων στους 1800°C. Τα κεραμικά Si3N4 που παράγονται με τη διεργασία πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων είχαν υψηλότερη πυκνότητα και καλύτερες ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες. Τα ακόλουθα συνοψίζουν τα αποτελέσματα των διεργασιών πυροσυσσωμάτωσης με πίεση αερίου ενός σταδίου και δύο σταδίων στη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες των κεραμικών συστατικών Si3N4.
Πυκνότητα Η διαδικασία πύκνωσης του Si3N4 τυπικά περιλαμβάνει τρία στάδια, με επικάλυψη μεταξύ των σταδίων. Το πρώτο στάδιο, η αναδιάταξη σωματιδίων, και το δεύτερο στάδιο, η διάλυση-κατακρήμνιση, είναι τα πιο κρίσιμα στάδια για τη συμπύκνωση. Ο επαρκής χρόνος αντίδρασης σε αυτά τα στάδια βελτιώνει σημαντικά την πυκνότητα του δείγματος. Όταν η θερμοκρασία προ-συσσωμάτωσης για τη διεργασία πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων ρυθμιστεί στους 1600°C, οι κόκκοι β-Si3N4 σχηματίζουν ένα πλαίσιο και δημιουργούν κλειστούς πόρους. Μετά την προ-συσσωμάτωση, η περαιτέρω θέρμανση υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση αζώτου προάγει τη ροή και την πλήρωση υγρής φάσης, η οποία βοηθά στην εξάλειψη των κλειστών πόρων, βελτιώνοντας περαιτέρω την πυκνότητα των κεραμικών Si3N4. Επομένως, τα δείγματα που παράγονται με τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων εμφανίζουν υψηλότερη πυκνότητα και σχετική πυκνότητα από αυτά που παράγονται με πυροσυσσωμάτωση ενός σταδίου.
Φάση και μικροδομή Κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης ενός σταδίου, ο διαθέσιμος χρόνος για την αναδιάταξη σωματιδίων και τη διάχυση των ορίων κόκκων είναι περιορισμένος. Στη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων, το πρώτο βήμα διεξάγεται σε χαμηλή θερμοκρασία και χαμηλή πίεση αερίου, η οποία παρατείνει τον χρόνο αναδιάταξης των σωματιδίων και οδηγεί σε μεγαλύτερους κόκκους. Η θερμοκρασία στη συνέχεια αυξάνεται στο στάδιο της υψηλής θερμοκρασίας, όπου οι κόκκοι συνεχίζουν να αναπτύσσονται μέσω της διαδικασίας ωρίμανσης Ostwald, αποδίδοντας κεραμικά υψηλής πυκνότητας Si3N4.
Μηχανικές ιδιότητες Η αποσκλήρυνση της διακοκκώδους φάσης σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ο πρωταρχικός λόγος για τη μειωμένη αντοχή. Σε πυροσυσσωμάτωση ενός σταδίου, η μη φυσιολογική ανάπτυξη κόκκων δημιουργεί μικρούς πόρους μεταξύ των κόκκων, γεγονός που εμποδίζει τη σημαντική βελτίωση της αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία. Ωστόσο, στη διεργασία πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων, η γυάλινη φάση, ομοιόμορφα κατανεμημένη στα όρια των κόκκων, και οι κόκκοι ομοιόμορφου μεγέθους ενισχύουν τη διακοκκώδη αντοχή, με αποτέλεσμα υψηλότερη αντοχή σε κάμψη σε υψηλή θερμοκρασία.
Συμπερασματικά, η παρατεταμένη συγκράτηση κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης ενός σταδίου μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά το εσωτερικό πορώδες και να επιτύχει ομοιόμορφο εσωτερικό χρώμα και δομή, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε ανώμαλη ανάπτυξη κόκκων, η οποία υποβαθμίζει ορισμένες μηχανικές ιδιότητες. Χρησιμοποιώντας μια διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης δύο σταδίων - χρησιμοποιώντας προ-συσσωμάτωση χαμηλής θερμοκρασίας για την παράταση του χρόνου αναδιάταξης σωματιδίων και διατήρηση υψηλής θερμοκρασίας για την προώθηση της ομοιόμορφης ανάπτυξης κόκκων - ένα κεραμικό Si3N4 με σχετική πυκνότητα 98,25%, ομοιόμορφη μικροδομή και εξαιρετικές ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες μπορεί να προετοιμαστεί με επιτυχία.
| Ονομα | Υπόστρωμα | Σύνθεση επιταξιακής στιβάδας | Επιταξιακή διαδικασία | Επιταξιακό μέσο |
| Ομοιοεπιταξιακό πυρίτιο | Si | Si | Επιταξία φάσης ατμού (VPE) | SiCl4+H2 |
| Πυρίτιο ετεροεπιταξιακό | Ζαφείρι ή σπινέλιο | Si | Επιταξία φάσης ατμού (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs ομοεπιταξιακό | GaAs | GaAs GaAs | Επιταξία φάσης ατμού (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) | Ga+As | |
| GaAs ετεροεπιταξιακό | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Επίταξη υγρής φάσης (LPE) Φάση ατμού (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP ομοεπιταξιακή | Χάσμα | GaP(GaP;N) | Επίταξη υγρής φάσης (LPE) Επίταξη υγρής φάσης (LPE) | Ga+GaP+H2+(ΝΗ3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Υπέρπλεγμα | GaAs | GaAlAs/GaAs (κύκλος) | Επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP ομοεπιταξιακή | InP | InP | Επιταξία φάσης ατμού (VPE) Επίταξη υγρής φάσης (LPE) | PCl3+In+H2 Σε+InAs+GaAs+InP+H2 |
| Si/GaAs Epitaxy | Si | GaAs | Επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3+AsH3+H2 |
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-24-2024