Кераміка з нітрыду крэмнію (Si₃N₄), як пашыраная канструкцыйная кераміка, валодае выдатнымі ўласцівасцямі, такімі як устойлівасць да высокіх тэмператур, высокая трываласць, высокая трываласць, высокая цвёрдасць, устойлівасць да паўзучасці, устойлівасць да акіслення і зносаўстойлівасць. Акрамя таго, яны забяспечваюць добрую ўстойлівасць да тэрмічнага ўдару, дыэлектрычныя ўласцівасці, высокую цеплаправоднасць і выдатныя характарыстыкі перадачы высокачашчынных электрамагнітных хваль. Гэтыя выбітныя комплексныя ўласцівасці робяць іх шырокім выкарыстаннем у складаных структурных кампанентах, асабліва ў аэракасмічнай і іншых галінах высокіх тэхналогій.
Аднак Si₃N₄, з'яўляючыся злучэннем з трывалымі кавалентнымі сувязямі, мае стабільную структуру, якая абцяжарвае спяканне да высокай шчыльнасці толькі за кошт цвёрдацельнай дыфузіі. Для спрыяння спяканню дадаюцца дапаможныя рэчывы для спякання, такія як аксіды металаў (MgO, CaO, Al₂O₃) і рэдказямельныя аксіды (Yb₂O3, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), каб палегчыць ушчыльненне з дапамогай механізму спякання ў вадкай фазе.
У цяперашні час глабальная тэхналогія паўправадніковых прыбораў прасоўваецца да больш высокіх напружанняў, большых токаў і большай шчыльнасці магутнасці. Даследаванні метадаў вытворчасці Si₃N₄ керамікі шырокія. У гэтым артыкуле прадстаўлены працэсы спякання, якія эфектыўна паляпшаюць шчыльнасць і комплексныя механічныя ўласцівасці керамікі з нітрыду крэмнію.
Агульныя метады спякання Si₃N₄ керамікі
Параўнанне прадукцыйнасці Si₃N₄ керамікі, атрыманай рознымі метадамі спякання
1. Рэактыўнае спяканне (RS):Рэактыўнае спяканне было першым метадам, які выкарыстоўваўся для прамысловай падрыхтоўкі Si₃N₄ керамікі. Ён просты, рэнтабельны і здольны фармаваць складаныя формы. Аднак ён мае доўгі цыкл вытворчасці, што не спрыяе прамысловым вытворчасці.
2. Спяканне без ціску (PLS):Гэта самы асноўны і просты працэс спякання. Аднак гэта патрабуе высакаякаснай сыравіны Si₃N₄ і часта прыводзіць да керамікі з меншай шчыльнасцю, значнай усаджваннем і тэндэнцыяй да парэпання або дэфармацыі.
3. Спяканне гарачым прэсам (HP):Прымяненне аднавосевага механічнага ціску павялічвае рухаючую сілу для спякання, што дазваляе вырабляць шчыльную кераміку пры тэмпературах, якія на 100-200°C ніжэй, чым пры спяканні без ціску. Гэты метад звычайна выкарыстоўваецца для вырабу адносна простых керамічных вырабаў у форме блока, але ён цяжкі для задавальнення патрабаванняў да таўшчыні і формы матэрыялаў падкладкі.
4. Іскравае плазменнае спяканне (SPS):SPS характарызуецца хуткім спяканнем, драбненнем зярністасці і паніжанымі тэмпературамі спякання. Тым не менш, SPS патрабуе значных інвестыцый у абсталяванне, а падрыхтоўка керамікі Si₃N₄ з высокай цеплаправоднасцю з дапамогай SPS усё яшчэ знаходзіцца ў эксперыментальнай стадыі і яшчэ не была індустрыялізавана.
5. Спяканне пад ціскам газу (GPS):Прымяняючы ціск газу, гэты метад перашкаджае раскладанню керамікі і страце вагі пры высокіх тэмпературах. Гэта лягчэй вырабляць кераміку высокай шчыльнасці і дазваляе серыйную вытворчасць. Аднак аднаэтапны працэс спякання пад ціскам газу не дазваляе атрымаць структурныя кампаненты з аднолькавым унутраным і знешнім колерам і структурай. Выкарыстанне двухступеньчатага або шматступеньчатага працэсу спякання можа значна знізіць утрыманне міжкрысталічнага кіслароду, палепшыць цеплаправоднасць і палепшыць агульныя ўласцівасці.
Аднак высокая тэмпература двухэтапнага спякання пад ціскам газу прывяла да таго, што папярэднія даследаванні сканцэнтраваліся ў асноўным на падрыхтоўцы керамічных падкладак Si₃N₄ з высокай цеплаправоднасцю і трываласцю на выгіб пры пакаёвай тэмпературы. Даследаванні керамікі Si₃N₄ з поўнымі механічнымі ўласцівасцямі і высокатэмпературнымі механічнымі ўласцівасцямі адносна абмежаваныя.
Двухэтапны метад спякання Si₃N₄ пад ціскам газу
Ян Чжоу і яго калегі з Чунцынскага тэхналагічнага ўніверсітэта выкарыстоўвалі сістэму дапаможнага спякання з 5 мас.% Yb₂O3 + 5 мас.% Al₂O₃ для падрыхтоўкі Si3N₄ керамікі з выкарыстаннем як аднаэтапнага, так і двухэтапнага працэсаў спякання пад ціскам газу пры 1800°C. Кераміка з Si₃N₄, вырабленая з дапамогай двухэтапнага працэсу спякання, мела больш высокую шчыльнасць і лепшыя комплексныя механічныя ўласцівасці. Ніжэй абагульняюцца наступствы аднаэтапнага і двухэтапнага працэсаў спякання пад ціскам газу на мікраструктуру і механічныя ўласцівасці керамічных кампанентаў Si₃N₄.
Шчыльнасць Працэс ушчыльнення Si₃N₄ звычайна ўключае тры стадыі з перакрыццем паміж стадыямі. Першы этап, перагрупоўка часціц, і другі этап, растварэнне-асаджэнне, з'яўляюцца найбольш важнымі этапамі для ўшчыльнення. Дастатковы час рэакцыі на гэтых этапах значна паляпшае шчыльнасць узору. Калі тэмпература папярэдняга спякання для двухэтапнага працэсу спякання ўстаноўлена на 1600°C, збожжа β-Si₃N₄ утвараюць каркас і ствараюць закрытыя пары. Пасля папярэдняга спякання далейшае награванне пры высокай тэмпературы і ціску азоту спрыяе патоку і напаўненню вадкай фазы, што дапамагае ліквідаваць закрытыя пары, яшчэ больш паляпшаючы шчыльнасць Si₃N₄ керамікі. Такім чынам, узоры, атрыманыя ў працэсе двухэтапнага спякання, дэманструюць больш высокую шчыльнасць і адносную шчыльнасць, чым узоры, атрыманыя ў выніку аднаэтапнага спякання.
Фаза і мікраструктура Падчас аднаэтапнага спякання час, даступны для перагрупоўкі часціц і дыфузіі па межах зерняў, абмежаваны. У двухэтапным працэсе спякання першы этап праводзіцца пры нізкай тэмпературы і нізкім ціску газу, што павялічвае час перагрупоўкі часціц і прыводзіць да больш буйных зерняў. Затым тэмпература павялічваецца да высокатэмпературнай стадыі, дзе збожжа працягвае расці ў працэсе паспявання Оствальда, атрымліваючы кераміку Si₃N₄ высокай шчыльнасці.
Механічныя ўласцівасці Размякчэнне міжкрысталічнай фазы пры высокіх тэмпературах з'яўляецца асноўнай прычынай зніжэння трываласці. Пры аднастадыйным спяканні анамальны рост зерня стварае невялікія пары паміж зернямі, што перашкаджае значнаму паляпшэнню трываласці пры высокіх тэмпературах. Аднак у двухэтапным працэсе спякання шкляная фаза, раўнамерна размеркаваная па межах зерняў, і збожжа аднолькавага памеру павялічваюць межкристальную трываласць, што прыводзіць да больш высокай трываласці на выгіб пры высокай тэмпературы.
У заключэнне, працяглая вытрымка падчас аднаэтапнага спякання можа эфектыўна паменшыць унутраную сітаватасць і дасягнуць аднастайнага ўнутранага колеру і структуры, але можа прывесці да ненармальнага росту збожжа, што пагаршае некаторыя механічныя ўласцівасці. Пры выкарыстанні двухэтапнага працэсу спякання — з выкарыстаннем нізкатэмпературнага папярэдняга спякання для падаўжэння часу перагрупоўкі часціц і вытрымкі пры высокай тэмпературы для спрыяння раўнамернаму росту збожжа — кераміка Si₃N₄ з адноснай шчыльнасцю 98,25%, аднастайнай мікраструктурай і выдатнымі комплекснымі механічнымі ўласцівасцямі можна паспяхова прыгатаваць.
| Імя | Субстрат | Склад эпітаксіяльнага пласта | Эпітаксійны працэс | Эпітаксіяльнае асяроддзе |
| Сіліконавы гомаэпітаксіяльны | Si | Si | Парафазавая эпітаксія (VPE) | SiCl4+H2 |
| Крэмніевы гетэраэпітаксіяльны | Сапфір або шпинель | Si | Парафазавая эпітаксія (VPE) | SiH₄+H₂ |
| Гамаэпітаксіяльны GaAs | GaAs | GaAs GaAs | Парафазавая эпітаксія (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Малекулярна-прамянёвая эпітаксія (MBE) | Ga+As | |
| Гетэраэпітаксіяльны GaAs | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Вадкафазная эпітаксія (ЖФЭ) Паравая фаза (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP гомаэпітаксіяльны | GaP | GaP(GaP;N) | Вадкафазная эпітаксія (ЖФЭ) Вадкафазная эпітаксія (ЖФЭ) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Звышрашотка | GaAs | GaAlAs/GaAs (цыкл) | Малекулярна-прамянёвая эпітаксія (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP гомаэпітаксіяльны | InP | InP | Парафазавая эпітаксія (VPE) Вадкафазная эпітаксія (ЖФЭ) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Эпітаксія Si/GaAs | Si | GaAs | Малекулярна-прамянёвая эпітаксія (MBE) МАГВД | Га、Ас GaR₃+AsH3+H₂ |
Час публікацыі: 24 снежня 2024 г