Siliciumnitride (Si₃N₄) keramiek bezit, als geavanceerde structurele keramiek, uitstekende eigenschappen zoals hoge temperatuurbestendigheid, hoge sterkte, hoge taaiheid, hoge hardheid, kruipweerstand, oxidatieweerstand en slijtvastheid. Bovendien bieden ze een goede thermische schokbestendigheid, diëlektrische eigenschappen, hoge thermische geleidbaarheid en uitstekende hoogfrequente elektromagnetische golftransmissieprestaties. Deze uitstekende uitgebreide eigenschappen zorgen ervoor dat ze op grote schaal worden gebruikt in complexe structurele componenten, vooral in de lucht- en ruimtevaart en andere hightechgebieden.
Si₃N₄, een verbinding met sterke covalente bindingen, heeft echter een stabiele structuur die het sinteren tot hoge dichtheid moeilijk maakt door diffusie in de vaste toestand alleen. Om het sinteren te bevorderen, worden sinterhulpmiddelen, zoals metaaloxiden (MgO, CaO, Al₂O₃) en zeldzame aardoxides (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), toegevoegd om de verdichting via een vloeistoffase-sintermechanisme te vergemakkelijken.
Momenteel evolueert de mondiale technologie van halfgeleiderapparaten in de richting van hogere spanningen, grotere stromen en grotere vermogensdichtheden. Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar methoden voor het vervaardigen van Si₃N₄-keramiek. Dit artikel introduceert sinterprocessen die de dichtheid en uitgebreide mechanische eigenschappen van siliciumnitride-keramiek effectief verbeteren.
Gebruikelijke sintermethoden voor Si₃N₄-keramiek
Vergelijking van de prestaties van Si₃N₄-keramiek bereid met verschillende sintermethoden
1. Reactief sinteren (RS):Reactief sinteren was de eerste methode die werd gebruikt om Si3N4-keramiek industrieel te bereiden. Het is eenvoudig, kosteneffectief en in staat complexe vormen te vormen. Het heeft echter een lange productiecyclus, wat niet bevorderlijk is voor productie op industriële schaal.
2. Drukloos sinteren (PLS):Dit is het meest basale en eenvoudige sinterproces. Het vereist echter hoogwaardige Si₃N₄-grondstoffen en resulteert vaak in keramiek met een lagere dichtheid, aanzienlijke krimp en de neiging om te barsten of te vervormen.
3. Heetperssinteren (HP):De toepassing van eenassige mechanische druk verhoogt de drijvende kracht voor het sinteren, waardoor dichte keramiek kan worden geproduceerd bij temperaturen die 100-200 °C lager zijn dan die welke worden gebruikt bij drukloos sinteren. Deze methode wordt doorgaans gebruikt voor het vervaardigen van relatief eenvoudige blokvormige keramiek, maar het is moeilijk om te voldoen aan de dikte- en vormvereisten voor substraatmaterialen.
4. Vonkenplasmasinteren (SPS):SPS wordt gekenmerkt door snel sinteren, korrelverfijning en lagere sintertemperaturen. SPS vereist echter aanzienlijke investeringen in apparatuur, en de bereiding van Si₃N₄-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid via SPS bevindt zich nog in de experimentele fase en is nog niet geïndustrialiseerd.
5. Gasdruksinteren (GPS):Door het toepassen van gasdruk remt deze methode de keramische afbraak en het gewichtsverlies bij hoge temperaturen. Het is gemakkelijker om keramiek met een hoge dichtheid te produceren en maakt batchproductie mogelijk. Een eenstaps sinterproces onder gasdruk heeft echter moeite om structurele componenten te produceren met een uniforme interne en externe kleur en structuur. Het gebruik van een tweestaps- of meerstapssinterproces kan het intergranulaire zuurstofgehalte aanzienlijk verminderen, de thermische geleidbaarheid verbeteren en de algehele eigenschappen verbeteren.
De hoge sintertemperatuur van het tweestaps sinteren onder gasdruk heeft er echter toe geleid dat eerder onderzoek zich vooral concentreerde op het bereiden van keramische Si₃N₄-substraten met een hoge thermische geleidbaarheid en buigsterkte bij kamertemperatuur. Onderzoek naar Si₃N₄-keramiek met uitgebreide mechanische eigenschappen en mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen is relatief beperkt.
Gasdruk tweestapssintermethode voor Si₃N₄
Yang Zhou en collega's van de Chongqing University of Technology gebruikten een sinterhulpsysteem van 5 gew.% Yb₂O₃ + 5 gew.% Al₂O₃ om Si₃N₄-keramiek te bereiden met behulp van zowel eenstaps als tweestaps sinterprocessen onder gasdruk bij 1800 ° C. Het Si3N4-keramiek geproduceerd door het tweestaps-sinterproces had een hogere dichtheid en betere uitgebreide mechanische eigenschappen. Het volgende vat de effecten samen van eenstaps- en tweestaps-sinterprocessen onder gasdruk op de microstructuur en mechanische eigenschappen van Si3N4-keramische componenten.
Dichtheid Het verdichtingsproces van Si₃N₄ omvat doorgaans drie fasen, met overlap tussen de fasen. De eerste fase, de herschikking van deeltjes, en de tweede fase, oplossingsprecipitatie, zijn de meest kritische fasen voor verdichting. Voldoende reactietijd in deze fasen verbetert de monsterdichtheid aanzienlijk. Wanneer de voorsintertemperatuur voor het tweestaps-sinterproces wordt ingesteld op 1600°C, vormen β-Si3N4-korrels een raamwerk en creëren ze gesloten poriën. Na het voorsinteren bevordert verdere verwarming onder hoge temperatuur en stikstofdruk de stroming en vulling in de vloeistoffase, waardoor gesloten poriën worden geëlimineerd, waardoor de dichtheid van Si₃N₄-keramiek verder wordt verbeterd. Daarom vertonen de monsters geproduceerd door het tweestaps-sinterproces een hogere dichtheid en relatieve dichtheid dan die geproduceerd door éénstaps-sinteren.
Fase en microstructuur Tijdens sinteren in één stap is de beschikbare tijd voor deeltjesherschikking en korrelgrensdiffusie beperkt. Bij het tweestaps-sinterproces wordt de eerste stap uitgevoerd bij lage temperatuur en lage gasdruk, waardoor de herschikkingstijd van de deeltjes wordt verlengd en grotere korrels ontstaan. De temperatuur wordt vervolgens verhoogd naar het hoge temperatuurstadium, waar de korrels blijven groeien via het Ostwald-rijpingsproces, wat Si₃N₄-keramiek met een hoge dichtheid oplevert.
Mechanische eigenschappen Het verzachten van de intergranulaire fase bij hoge temperaturen is de belangrijkste reden voor verminderde sterkte. Bij sinteren in één stap creëert abnormale korrelgroei kleine poriën tussen de korrels, wat een significante verbetering van de sterkte bij hoge temperaturen verhindert. Bij het tweestaps-sinterproces verbeteren de glasfase, gelijkmatig verdeeld over de korrelgrenzen, en de korrels met uniforme afmetingen echter de intergranulaire sterkte, wat resulteert in een hogere buigsterkte bij hoge temperaturen.
Concluderend kan worden gesteld dat langdurig vasthouden tijdens het sinteren in één stap de interne porositeit effectief kan verminderen en een uniforme interne kleur en structuur kan bereiken, maar kan leiden tot abnormale korrelgroei, waardoor bepaalde mechanische eigenschappen worden aangetast. Door gebruik te maken van een tweestaps sinterproces – waarbij gebruik wordt gemaakt van voorsinteren bij lage temperatuur om de herschikkingstijd van de deeltjes te verlengen en het vasthouden bij hoge temperaturen om uniforme korrelgroei te bevorderen – ontstaat een Si₃N₄-keramiek met een relatieve dichtheid van 98,25%, uniforme microstructuur en uitstekende uitgebreide mechanische eigenschappen succesvol kan worden voorbereid.
| Naam | Substraat | Epitaxiale laagsamenstelling | Epitaxiaal proces | Epitaxiaal medium |
| Silicium homoepitaxiaal | Si | Si | Dampfase-epitaxie (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicium heteroepitaxiaal | Saffier of spinel | Si | Dampfase-epitaxie (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaxiaal | GaAs | GaAs GaAs | Dampfase-epitaxie (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Moleculaire bundelepitaxie (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxiaal | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Vloeibare fase-epitaxie (LPE) Dampfase (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxiaal | Gat | GaP(GaP;N) | Vloeibare fase-epitaxie (LPE) Vloeibare fase-epitaxie (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superrooster | GaAs | GaAlAs/GaAs (cyclus) | Moleculaire bundelepitaxie (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxiaal | InP | InP | Dampfase-epitaxie (VPE) Vloeibare fase-epitaxie (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs-epitaxie | Si | GaAs | Moleculaire bundelepitaxie (MBE) MOGVD | Ga, Zoals GaR₃+AsH₃+H₂ |
Posttijd: 24 december 2024