Frittage de céramiques en carbure de silicium
Céramiques en carbure de silicium (SiC)
Carbure de silicium (SiC)Les céramiques occupent une place importante parmi les céramiques structurelles haute température en raison de leur faible coefficient de dilatation thermique, de leur conductivité thermique élevée, de leur dureté élevée et de leur excellente stabilité thermique et chimique. Elles sont largement utilisées dans des domaines tels que l'aérospatiale, l'énergie nucléaire, les applications militaires et les semi-conducteurs.
En raison de la forte liaison covalente et du faible coefficient de diffusion du SiC, il est difficile d'obtenir une densification complète des céramiques SiC. Pour résoudre ce problème, diverses techniques de frittage des céramiques SiC ont été développées, notamment le collage par réaction, le frittage sans pression, le pressage à chaud et le frittage par recristallisation. Ces techniques présentent chacune des avantages uniques, ce qui permet d'obtenir des céramiques SiC présentant des différences de microstructure, de propriétés et d'applications. Mais pouvez-vous faire la distinction entre ces différents types de céramiques en carbure de silicium ?
Céramiques SiC frittées sans pression (SSiC)
Le frittage sans pression du carbure de silicium consiste à densifier la pièce à haute température sans appliquer de pression externe, souvent sous gaz inerte, en ajoutant des auxiliaires de frittage appropriés. Cette technique a atteint sa maturité et offre de faibles coûts de production sans aucune limitation de forme ou de taille des produits. Les céramiques SiC frittées sans pression produites par frittage à l'état solide présentent notamment une densité élevée, une microstructure uniforme et d'excellentes propriétés globales.
Le frittage sans pression est en outre classé enfrittage à l'état solideetfrittage en phase liquide:
1. Le SiC fritté à l'état solide offre une forte densité, une grande pureté, une conductivité thermique élevée unique et une excellente résistance aux températures élevées. Il est particulièrement adapté à la fabrication de composants céramiques de grande taille et de formes complexes.
2. Le frittage en phase liquide, développé par le scientifique américain Muua MA au début des années 1990, utilise Y₂O₃-Al₂O₃ comme additif de frittage principal. Cette méthode permet d'obtenir des températures de frittage plus basses et de produire des céramiques à grains plus fins.
Dans les applications, le frittage sans pression est simple, économique et idéal pour la production en série de composants en céramique de différentes formes. Il est largement utilisé dans les bagues d'étanchéité résistantes à l'usure et à la corrosion, les paliers lisses, etc. De plus, en raison de sa dureté élevée, de sa faible densité, de ses excellentes performances balistiques et de sa capacité à absorber l'énergie lors de la fracture, la céramique SiC frittée sans pression est largement utilisée dans les blindages balistiques, y compris la protection des véhicules et des navires, ainsi que dans les coffres-forts civils et les véhicules blindés de transport de fonds.
Céramiques SiC liées par réaction (SiSiC)
Le carbure de silicium lié par réaction est une céramique structurelle attrayante dotée d'excellentes propriétés mécaniques telles qu'une résistance élevée, une résistance à la corrosion et une résistance à l'oxydation. Il offre également les avantages d'une faible température de frittage, d'un faible coût et d'un formage presque parfait.
Le procédé de collage par réaction consiste à mélanger des sources de carbone avec des poudres de SiC pour préparer un corps vert. À haute température, le silicium fondu s'infiltre dans le corps poreux par capillarité, réagissant avec la source de carbone à l'intérieur pour former du β-SiC, qui se lie étroitement au α-SiC d'origine. Les pores résiduels sont remplis de silicium liquide, ce qui permet une densification. Ce procédé permet un formage en forme quasi nette, permettant la fabrication de produits de forme complexe.
Les applications des céramiques SiC liées par réaction comprennent les composants de fours à haute température, les tubes radiants, les échangeurs de chaleur et les buses de désulfuration. De plus, en raison de son faible coefficient de dilatation thermique, de son module d'élasticité élevé et de sa capacité de formage en forme quasi nette, le SiC lié par réaction est un matériau idéal pour les miroirs spatiaux. Avec l'augmentation des tailles de plaquettes et des températures de traitement thermique plus élevées, le SiC lié par réaction remplace progressivement le verre de quartz.
Céramique SiC pressée à chaud (HP-SiC)
Le pressage à chaud est un procédé de frittage qui applique simultanément une température et une pression élevées. Les poudres de SiC séchées sont introduites dans des moules en graphite à haute résistance et, sous l'effet du chauffage et de la pression, la densification et la mise en forme se produisent simultanément.
Le processus de chauffage et de pressage simultané favorise le contact des particules, la diffusion et le transfert de masse dans le matériau, ce qui permet la production de céramiques SiC à grains fins et très denses avec d'excellentes propriétés mécaniques à des températures plus basses et des temps de frittage plus courts. Les céramiques SiC pressées à chaud peuvent atteindre une densification complète, se rapprochant des conditions de frittage pur. Les applications comprennent principalement les composants résistants à l'usure et de l'industrie nucléaire.
Céramiques SiC recristallisées (R-SiC)
Les céramiques SiC recristallisées sont produites en mélangeant des poudres SiC grossières et fines dans des proportions spécifiques, puis en frittant les corps crus à haute température sous atmosphère inerte. Au cours de ce processus, les particules fines s'évaporent en phase gazeuse et se condensent aux points de contact des particules grossières, formant ainsi des céramiques R-SiC. Cette méthode, qui ne nécessite aucun additif de frittage, est largement utilisée pour la fabrication de composants SiC de très haute pureté et de grande taille.
Le R-SiC, formé à haute température, a une dureté qui n'est surpassée que par le diamant et conserve de nombreuses propriétés supérieures du SiC, telles qu'une résistance élevée à des températures élevées, une excellente résistance à la corrosion, à l'oxydation et aux chocs thermiques. Par conséquent, il est idéal pour les composants de fours à haute température, les échangeurs de chaleur et les buses de brûleurs. Dans les secteurs aérospatial et militaire, le SiC recristallisé est utilisé pour fabriquer des composants structurels d'avions, tels que des moteurs, des dérives et des fuselages. Ses propriétés mécaniques supérieures, sa résistance à la corrosion et sa résistance aux chocs améliorent considérablement les performances et la durée de vie des véhicules aérospatiaux.
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