Frittage par réaction
Le frittage par réactioncéramique en carbure de siliciumLe processus de production comprend le compactage de la céramique, le compactage de l'agent d'infiltration du flux de frittage, la préparation du produit céramique par frittage réactionnel, la préparation de la céramique de bois en carbure de silicium et d'autres étapes.
buse en carbure de silicium fritté par réaction
Premièrement, 80 à 90 % de poudre céramique (composée d'une ou deux poudres depoudre de carbure de siliciumet de la poudre de carbure de bore), 3 à 15 % de poudre de source de carbone (composée de noir de carbone ou de résine phénolique) et 5 à 15 % d'agent de moulage (résine phénolique, polyéthylène glycol, hydroxyméthylcellulose ou paraffine) sont mélangés uniformément à l'aide d'un broyeur à billes pour obtenir une poudre mixte, qui est séchée par pulvérisation et granulée, puis pressée dans un moule pour obtenir un compact céramique de formes spécifiques variées.
Deuxièmement, 60 à 80 % de poudre de silicium, 3 à 10 % de poudre de carbure de silicium et 37 à 10 % de poudre de nitrure de bore sont mélangés uniformément et pressés dans un moule pour obtenir un compact d'agent d'infiltration de flux de frittage.
Le compact céramique et le compact d'infiltrant fritté sont ensuite empilés, puis la température est portée à 1450-1750 °C dans un four sous vide (pouvoir de filtration supérieur ou égal à 5 × 10⁻¹ Pa) pour le frittage et le maintien de la température pendant 1 à 3 heures afin d'obtenir un produit céramique fritté. Les résidus d'infiltrant présents à la surface de la céramique frittée sont éliminés par tapotement pour obtenir une plaque céramique dense, la forme initiale du compact étant préservée.
Enfin, le procédé de frittage réactif est mis en œuvre : du silicium liquide ou un alliage de silicium réactif à haute température s’infiltre par capillarité dans l’ébauche céramique poreuse contenant du carbone et réagit avec ce dernier pour former du carbure de silicium. Ce dernier se dilate alors en volume, et les pores restants sont remplis de silicium élémentaire. L’ébauche céramique poreuse peut être constituée de carbone pur ou d’un matériau composite à base de carbure de silicium et de carbone. Le premier est obtenu par polymérisation catalytique et pyrolyse d’une résine organique, d’un agent porogène et d’un solvant. Le second est obtenu par pyrolyse de particules de carbure de silicium et de matériaux composites à base de résine, ou encore par utilisation de poudre d’α-SiC et de carbone comme matières premières, suivie d’un procédé de pressage ou de moulage par injection.
Frittage sans pression
Le procédé de frittage sans pression du carbure de silicium peut être divisé en frittage en phase solide et en frittage en phase liquide. Ces dernières années, les recherches surcéramiques en carbure de siliciumLes recherches, tant nationales qu'internationales, se sont principalement concentrées sur le frittage en phase liquide. Le procédé de fabrication de la céramique comprend les étapes suivantes : broyage à billes du mélange de matériaux → granulation par pulvérisation → pressage à sec → solidification de la pièce crue → frittage sous vide.
Produits en carbure de silicium fritté sans pression
Ajouter 96 à 99 parties de poudre ultrafine de carbure de silicium (50 à 500 nm), 1 à 2 parties de poudre ultrafine de carbure de bore (50 à 500 nm), 0,2 à 1 partie de nano-borure de titane (30 à 80 nm), 10 à 20 parties de résine phénolique hydrosoluble et 0,1 à 0,5 partie de dispersant à haute efficacité au broyeur à billes pour un broyage et un mélange pendant 24 heures, puis mettre la suspension mélangée dans un fût mélangeur pour agiter pendant 2 heures afin d'éliminer les bulles dans la suspension.
Le mélange ainsi obtenu est pulvérisé dans la tour de granulation. En contrôlant la pression de pulvérisation, la température d'entrée et de sortie de l'air, ainsi que la taille des particules de la couche pulvérisée, on obtient une poudre granulée présentant une morphologie particulaire optimale, une bonne fluidité, une distribution granulométrique étroite et une humidité modérée. La fréquence de conversion centrifuge est de 26 à 32 tours/minute, la température d'entrée de l'air est de 250 à 280 °C, la température de sortie de l'air est de 100 à 120 °C et la pression d'entrée de la suspension est de 40 à 60 bars.
La poudre granulée est placée dans un moule en carbure cémenté pour être pressée afin d'obtenir une pièce brute. Le pressage s'effectue par pression bidirectionnelle, et la force de la machine-outil est de 150 à 200 tonnes.
La pâte crue pressée est placée dans un four de séchage pour être séchée et durcie afin d'obtenir une pâte crue présentant une bonne résistance mécanique.
Le corps vert séché ci-dessus est placé dans uncreuset en graphiteLes pièces sont disposées de manière compacte et ordonnée, puis le creuset en graphite contenant le corps cru est placé dans un four de frittage sous vide à haute température pour cuisson. La température de cuisson est de 2200 à 2250 °C et la durée de maintien est de 1 à 2 heures. On obtient ainsi des céramiques de carbure de silicium frittées sans pression, à hautes performances.
Frittage en phase solide
Le frittage sans pression du carbure de silicium se divise en frittage en phase solide et frittage en phase liquide. Le frittage en phase liquide nécessite l'ajout d'additifs, tels que des additifs binaires et ternaires à base d'Y₂O₃, afin de permettre au SiC et à ses composites de se fritter en phase liquide et d'obtenir une densification à plus basse température. La méthode de préparation des céramiques de carbure de silicium frittées en phase solide comprend le mélange des matières premières, la granulation par pulvérisation, le moulage et le frittage sous vide. Le procédé de production détaillé est le suivant :
70 à 90 % de carbure de silicium α submicronique (200 à 500 nm), 0,1 à 5 % de carbure de bore, 4 à 20 % de résine et 5 à 20 % de liant organique sont placés dans un mélangeur et de l'eau pure est ajoutée pour un mélange humide. Après 6 à 48 heures, la suspension mélangée est passée à travers un tamis de 60 à 120 mesh ;
La suspension tamisée est granulée par pulvérisation dans une tour de granulation. La température d'entrée de la tour est de 180 à 260 °C et la température de sortie de 60 à 120 °C. La masse volumique apparente du matériau granulé est de 0,85 à 0,92 g/cm³ et sa fluidité de 8 à 11 s/30 g. Le matériau granulé est ensuite tamisé à travers un tamis de 60 à 120 mesh pour une utilisation ultérieure.
Sélectionner un moule en fonction de la forme du produit souhaité, charger le matériau granulé dans la cavité du moule et effectuer un moulage par compression à température ambiante à une pression de 50 à 200 MPa pour obtenir un corps vert ; ou placer le corps vert après moulage par compression dans un dispositif de pressage isostatique, effectuer un pressage isostatique à une pression de 200 à 300 MPa et obtenir un corps vert après un pressage secondaire ;
Introduire la pièce crue préparée selon les étapes précédentes dans un four de frittage sous vide. Le produit obtenu est une céramique pare-balles en carbure de silicium. Lors du frittage, le four est d'abord mis sous vide. Lorsque le vide atteint 3 à 5 × 10⁻² Pa, un gaz inerte est injecté pour rétablir la pression atmosphérique, puis le four est chauffé. Le programme de chauffage est le suivant : de la température ambiante à 800 °C, en 5 à 8 heures, avec un maintien en température de 0,5 à 1 heure ; de 800 °C à 2 000-2 300 °C, en 6 à 9 heures, avec un maintien en température de 1 à 2 heures ; enfin, le four est refroidi jusqu'à température ambiante.
Microstructure et joint de grain du carbure de silicium fritté à pression normale
En résumé, les céramiques fabriquées par frittage à chaud présentent de meilleures performances, mais leur coût de production est considérablement plus élevé. Les céramiques préparées par frittage sans pression nécessitent davantage de matières premières, une température de frittage élevée, entraînent d'importantes variations dimensionnelles, un procédé complexe et offrent des performances moindres. Les céramiques produites par frittage réactif présentent une densité élevée, une bonne résistance aux chocs et un coût de fabrication relativement faible. Chaque procédé de frittage de céramiques en carbure de silicium possède ses propres avantages et inconvénients, et ses applications varient en fonction du produit. La meilleure solution consiste à choisir la méthode de fabrication la plus adaptée au produit et à trouver un compromis entre coût et performance.
Date de publication : 29 octobre 2024