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如何解决再结晶碳化硅材料的多孔结构问题——访湖南大学肖汉宁教授


来源:中国粉体网   橙子

[导读]  再结晶SiC的研发,国外已有40年的历史,国内依靠国外的技术、设备和关键原材料在15年前起步研究,目前无自主知识产权,各方面都受制于国外,其研发情况不容乐观。

中国粉体网讯  再结晶SiC的研发,国外已有40年的历史,国内依靠国外的技术、设备和关键原材料在15年前起步研究,目前无自主知识产权,各方面都受制于国外,其研发情况不容乐观。


肖汉宁教授作为国内重点研究再结晶碳化硅陶瓷的专家,一直致力于再结晶碳化硅陶瓷的推广,在2018新型陶瓷技术与产业高峰论坛上,笔者有幸聆听了肖教授所讲的《再结晶碳化硅陶瓷研究进展及应用》的报告,并在会后对肖教授进行采访。在交流过程中,肖教授面带微笑,事无巨细,娓娓道来。




再结晶碳化硅具有无收缩和多孔结构,因而削弱了其抗氧化能力和力学性能。因此如何利用多孔结构,提高其抗氧化性能、力学性能实现其功能化是肖教授重点研究的课题。主要分为三个方向:1.在碳化硅空隙里填碳化硅;2.在碳化硅空隙里填其他材料制备成复合材料;3.利用多孔结构设计制备多孔陶瓷。


1.前驱体成本制约浸渍裂解法的应用


在碳化硅空隙里填碳化硅材料主要采用浸渍裂解法,填充物为聚碳硅烷陶瓷前驱体。其工艺流程如图:




目前,浸渍裂解法制备技术已比较成熟,但是前驱体的售价高且购买不易是制约浸渍裂解法应用的主要原因。肖教授解释道:浸渍裂解法需要用到前驱体聚碳硅烷浸渍碳化硅,现在国内生产聚碳硅烷的非常少,主要是国防科大在做,并且不对外出售,因此推广起来较为困难。但是国内已经有民营企业在研究液态前驱体陶瓷,估计成功量产后,前驱体的价格会有所降低,从而改善浸渍裂解法成本过高的问题,实现高密度再结晶碳化硅在点火器和高温结构材料中的广泛应用。


2.裂解碳解决溶渗法中润湿性问题


填碳化硅成本高,工艺复杂,研究通过高温溶渗法填充Al、MoSi2等非碳化硅物质是解决多孔结构的另一方法。肖教授利用裂解碳解决溶渗的物质和碳化硅润湿性的问题,使得溶渗的物质可以进入碳化硅孔隙。




3.颗粒粒径决定陶瓷过滤膜的孔径


再结晶碳化硅的多孔结构可以经过专门的设计做成有序的陶瓷过滤膜,从而将多孔结构有效利用起来。肖教授介绍到:在根据所过滤物质设计多孔陶瓷的孔径时,其影响因素众多,但颗粒粒径对材料孔径起决定性因素。假设是平均粒径是10μm的等径球颗粒,其制备的材料孔径大概是其五分之一左右,即2μm左右。




机械加工的原始颗粒是不规则,有棱角的,粒径分布也较宽。为了更好的设计陶瓷过滤膜的孔径,需要对颗粒进行球形化处理。由于碳化硅是没有熔点的,在碳化硅蒸发-凝聚过程中,越是尖的部位,其蒸气压就越高,越容易被蒸发,从而达到去除碳化硅颗粒棱角,使其球形化的目的。




编者记:


再结晶碳化硅陶瓷由于不含任何烧结助剂,可充分发挥碳化硅材料的许多优异特性,如高温强度、抗氧化、耐腐蚀性等,因此,特别适合在高温、强腐蚀性等恶劣环境下作结构材料或结构—功能一体化应用。


目前,再结晶碳化硅大量的作为高温结构材料,在窑炉窑具材料中大量应用。比如在半导体里面单晶硅片掺杂时所用的支撑架、辊道窑的辊棒烧成时所用横梁、烧成支架等。但是在电子封装、发热元件及制备多孔材料的应用还较少。希望在肖教授等专家、学者和企业家的共同努力下,我国的再结晶碳化硅产业发展能够早日赶超国际先进水平。

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