Gốm silicon nitride (Si₃N₄), là loại gốm kết cấu tiên tiến, sở hữu các đặc tính tuyệt vời như chịu nhiệt độ cao, độ bền cao, độ bền cao, độ cứng cao, khả năng chống rão, chống oxy hóa và chống mài mòn. Ngoài ra, chúng còn có khả năng chống sốc nhiệt tốt, tính chất điện môi, độ dẫn nhiệt cao và hiệu suất truyền sóng điện từ tần số cao tuyệt vời. Những đặc tính toàn diện nổi bật này khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận kết cấu phức tạp, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ và các lĩnh vực công nghệ cao khác.
Tuy nhiên, Si₃N₄, là một hợp chất có liên kết cộng hóa trị mạnh, có cấu trúc ổn định khiến cho việc thiêu kết ở mật độ cao trở nên khó khăn chỉ thông qua khuếch tán trạng thái rắn. Để thúc đẩy quá trình thiêu kết, các chất hỗ trợ thiêu kết, chẳng hạn như oxit kim loại (MgO, CaO, Al₂O₃) và oxit đất hiếm (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), được thêm vào để tạo điều kiện cho quá trình cô đặc thông qua cơ chế thiêu kết pha lỏng.
Hiện nay, công nghệ thiết bị bán dẫn toàn cầu đang tiến tới điện áp cao hơn, dòng điện lớn hơn và mật độ năng lượng lớn hơn. Nghiên cứu về các phương pháp chế tạo gốm Si₃N₄ rất phong phú. Bài viết này giới thiệu các quy trình thiêu kết giúp cải thiện hiệu quả mật độ và tính chất cơ học toàn diện của gốm silicon nitride.
Các phương pháp thiêu kết phổ biến cho gốm sứ Si₃N₄
So sánh hiệu suất của gốm sứ Si₃N₄ được điều chế bằng các phương pháp thiêu kết khác nhau
1. Thiêu kết phản ứng (RS):Thiêu kết phản ứng là phương pháp đầu tiên được sử dụng để chế tạo gốm Si₃N₄ trong công nghiệp. Nó đơn giản, tiết kiệm chi phí và có khả năng tạo thành các hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, nó có chu kỳ sản xuất dài, không có lợi cho sản xuất quy mô công nghiệp.
2. Thiêu kết không áp suất (PLS):Đây là quá trình thiêu kết cơ bản và đơn giản nhất. Tuy nhiên, nó đòi hỏi nguyên liệu thô Si₃N₄ chất lượng cao và thường tạo ra gốm sứ có mật độ thấp hơn, độ co ngót đáng kể và có xu hướng nứt hoặc biến dạng.
3. Thiêu kết ép nóng (HP):Việc áp dụng áp suất cơ học một trục làm tăng động lực cho quá trình thiêu kết, cho phép sản xuất gốm dày đặc ở nhiệt độ thấp hơn 100-200°C so với nhiệt độ được sử dụng trong quá trình thiêu kết không áp suất. Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo gốm hình khối tương đối đơn giản nhưng khó đáp ứng được yêu cầu về độ dày và hình dạng cho vật liệu nền.
4. Thiêu kết tia lửa plasma (SPS):SPS được đặc trưng bởi quá trình thiêu kết nhanh, sàng lọc hạt và giảm nhiệt độ thiêu kết. Tuy nhiên, SPS đòi hỏi đầu tư đáng kể vào thiết bị và việc chế tạo gốm Si₃N₄ có độ dẫn nhiệt cao thông qua SPS vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và chưa được công nghiệp hóa.
5. Thiêu kết áp suất khí (GPS):Bằng cách áp dụng áp suất khí, phương pháp này ức chế sự phân hủy gốm và giảm trọng lượng ở nhiệt độ cao. Việc sản xuất gốm sứ mật độ cao dễ dàng hơn và cho phép sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, quy trình thiêu kết áp suất khí một bước gặp khó khăn trong việc tạo ra các thành phần cấu trúc có màu sắc và cấu trúc bên trong và bên ngoài đồng nhất. Sử dụng quy trình thiêu kết hai bước hoặc nhiều bước có thể làm giảm đáng kể hàm lượng oxy giữa các hạt, cải thiện độ dẫn nhiệt và nâng cao các đặc tính tổng thể.
Tuy nhiên, nhiệt độ thiêu kết cao của quá trình thiêu kết áp suất khí hai bước đã khiến nghiên cứu trước đây tập trung chủ yếu vào việc chuẩn bị chất nền gốm Si₃N₄ có độ dẫn nhiệt cao và độ bền uốn ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu về gốm Si₃N₄ có tính chất cơ học toàn diện và tính chất cơ học ở nhiệt độ cao còn tương đối hạn chế.
Phương pháp thiêu kết hai bước áp suất khí cho Si₃N₄
Yang Zhou và các đồng nghiệp từ Đại học Công nghệ Trùng Khánh đã sử dụng hệ thống hỗ trợ thiêu kết 5% trọng lượng Yb₂O₃ + 5% trọng lượng Al₂O₃ để chế tạo gốm Si₃N₄ sử dụng cả quy trình thiêu kết áp suất khí một bước và hai bước ở 1800°C. Gốm Si₃N₄ được sản xuất bằng quy trình thiêu kết hai bước có mật độ cao hơn và các đặc tính cơ học toàn diện tốt hơn. Phần sau đây tóm tắt ảnh hưởng của quá trình thiêu kết áp suất khí một bước và hai bước đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của các thành phần gốm Si₃N₄.
Mật độ Quá trình cô đặc của Si₃N₄ thường bao gồm ba giai đoạn, với sự chồng chéo giữa các giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên, sắp xếp lại hạt và giai đoạn thứ hai, hòa tan-kết tủa, là những giai đoạn quan trọng nhất để cô đặc. Thời gian phản ứng đủ trong các giai đoạn này sẽ cải thiện đáng kể mật độ mẫu. Khi nhiệt độ trước khi thiêu kết cho quy trình thiêu kết hai bước được đặt thành 1600°C, các hạt β-Si₃N₄ tạo thành một khung và tạo ra các lỗ chân lông kín. Sau khi thiêu kết trước, gia nhiệt thêm dưới nhiệt độ cao và áp suất nitơ sẽ thúc đẩy dòng chảy và làm đầy pha lỏng, giúp loại bỏ các lỗ chân lông bị đóng, cải thiện hơn nữa mật độ của gốm Si₃N₄. Do đó, các mẫu được tạo ra bằng quy trình thiêu kết hai bước cho thấy mật độ và mật độ tương đối cao hơn so với các mẫu được tạo ra bằng quá trình thiêu kết một bước.
Pha và cấu trúc vi mô Trong quá trình thiêu kết một bước, thời gian dành cho việc sắp xếp lại hạt và khuếch tán ranh giới hạt bị hạn chế. Trong quy trình thiêu kết hai bước, bước đầu tiên được tiến hành ở nhiệt độ thấp và áp suất khí thấp, giúp kéo dài thời gian sắp xếp lại hạt và tạo ra các hạt lớn hơn. Sau đó, nhiệt độ được tăng lên đến giai đoạn nhiệt độ cao, nơi các hạt tiếp tục phát triển thông qua quá trình chín Ostwald, tạo ra gốm sứ Si₃N₄ mật độ cao.
Tính chất cơ học Sự làm mềm của pha giữa các hạt ở nhiệt độ cao là nguyên nhân chính làm giảm độ bền. Trong quá trình thiêu kết một bước, sự phát triển hạt bất thường tạo ra các lỗ nhỏ giữa các hạt, ngăn cản sự cải thiện đáng kể về độ bền nhiệt độ cao. Tuy nhiên, trong quy trình thiêu kết hai bước, pha thủy tinh, phân bố đồng đều ở ranh giới hạt và các hạt có kích thước đồng đều sẽ tăng cường độ bền giữa các hạt, dẫn đến độ bền uốn ở nhiệt độ cao cao hơn.
Tóm lại, việc giữ lâu trong quá trình thiêu kết một bước có thể làm giảm độ xốp bên trong một cách hiệu quả và đạt được màu sắc và cấu trúc bên trong đồng nhất nhưng có thể dẫn đến sự phát triển hạt bất thường, làm suy giảm một số tính chất cơ học nhất định. Bằng cách sử dụng quy trình thiêu kết hai bước — sử dụng quá trình thiêu kết trước ở nhiệt độ thấp để kéo dài thời gian sắp xếp lại hạt và giữ ở nhiệt độ cao để thúc đẩy sự phát triển của hạt đồng đều — gốm Si₃N₄ có mật độ tương đối 98,25%, cấu trúc vi mô đồng nhất và tính chất cơ học toàn diện tuyệt vời có thể được chuẩn bị thành công.
| Tên | chất nền | Thành phần lớp epitaxy | quá trình epiticular | Môi trường epitaxy |
| Silicon đồng trục | Si | Si | Epitaxy pha hơi (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicon dị epiticular | Sapphire hoặc Spinel | Si | Epitaxy pha hơi (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs đồng trục | GaAs | GaAs GaAs | Epitaxy pha hơi (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaxy chùm phân tử (MBE) | Ga+Như | |
| GaAs dị epiticular | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaxy pha lỏng (LPE) Pha hơi (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP đồng trục | Khoảng cách | GaP(GaP;N) | Epitaxy pha lỏng (LPE) Epitaxy pha lỏng (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| siêu mạng | GaAs | GaAlAs/GaAs (xe đạp) | Epitaxy chùm phân tử (MBE) MOCVD | Ca,Như,Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP đồng trục | trong P | trong P | Epitaxy pha hơi (VPE) Epitaxy pha lỏng (LPE) | PCl3+Trong+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitaxy Si/GaAs | Si | GaAs | Epitaxy chùm phân tử (MBE) MOGVD | Ga, Như GaR₃+AsH₃+H₂ |
Thời gian đăng: 24-12-2024