Silīcija nitrīda (Si₃N4) keramikai kā uzlabotai strukturālajai keramikai piemīt izcilas īpašības, piemēram, izturība pret augstu temperatūru, augsta izturība, augsta stingrība, augsta cietība, šļūdes izturība, oksidācijas izturība un nodilumizturība. Turklāt tie piedāvā labu termiskā trieciena izturību, dielektriskās īpašības, augstu siltumvadītspēju un izcilu augstfrekvences elektromagnētisko viļņu pārraides veiktspēju. Šīs izcilās visaptverošās īpašības padara tos plaši izmantotus sarežģītos konstrukciju komponentos, īpaši kosmosa un citās augsto tehnoloģiju jomās.
Tomēr Si₃N4, kas ir savienojums ar spēcīgām kovalentām saitēm, ir stabila struktūra, kas apgrūtina saķepināšanu līdz augstam blīvumam, izmantojot tikai cietvielu difūziju. Lai veicinātu saķepināšanu, tiek pievienoti saķepināšanas palīglīdzekļi, piemēram, metālu oksīdi (MgO, CaO, Al2O3) un retzemju oksīdi (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO₂), lai atvieglotu blīvēšanu, izmantojot šķidrās fāzes saķepināšanas mehānismu.
Pašlaik globālā pusvadītāju ierīču tehnoloģija virzās uz augstāku spriegumu, lielāku strāvu un lielāku jaudas blīvumu. Si₃N₄ keramikas ražošanas metožu pētījumi ir plaši. Šajā rakstā ir aprakstīti saķepināšanas procesi, kas efektīvi uzlabo silīcija nitrīda keramikas blīvumu un visaptverošas mehāniskās īpašības.
Izplatītas Si₃N₄ keramikas saķepināšanas metodes
Si₃N₄ keramikas veiktspējas salīdzinājums, kas sagatavots ar dažādām saķepināšanas metodēm
1. Reaktīvā saķepināšana (RS):Reaktīvā saķepināšana bija pirmā metode, ko izmantoja Si3N4 keramikas rūpnieciskai sagatavošanai. Tas ir vienkāršs, rentabls un spēj veidot sarežģītas formas. Tomēr tam ir ilgs ražošanas cikls, kas neveicina rūpnieciska mēroga ražošanu.
2. Bezspiediena saķepināšana (PLS):Šis ir visvienkāršākais un vienkāršākais saķepināšanas process. Tomēr tam ir nepieciešami augstas kvalitātes Si₃N₄ izejmateriāli, un bieži tiek iegūta keramika ar mazāku blīvumu, ievērojamu saraušanos un tendenci plaisāt vai deformēties.
3. Karstās preses saķepināšana (HP):Vienass mehāniskā spiediena pielietošana palielina saķepināšanas dzinējspēku, ļaujot ražot blīvu keramiku par 100–200°C zemākā temperatūrā nekā bezspiediena saķepināšanas procesā. Šo metodi parasti izmanto salīdzinoši vienkāršas bloka formas keramikas ražošanai, taču ir grūti izpildīt pamatnes materiālu biezuma un formas prasības.
4. Spark Plazmas saķepināšana (SPS):SPS raksturo ātra saķepināšana, graudu rafinēšana un pazemināta saķepināšanas temperatūra. Tomēr SPS prasa ievērojamus ieguldījumus iekārtās, un augstas siltumvadītspējas Si₃N₄ keramikas sagatavošana, izmantojot SPS, joprojām ir eksperimenta stadijā un vēl nav industrializēta.
5. Gāzes spiediena saķepināšana (GPS):Izmantojot gāzes spiedienu, šī metode kavē keramikas sadalīšanos un svara zudumu augstās temperatūrās. Tas ir vieglāk ražot augsta blīvuma keramiku un nodrošina sērijveida ražošanu. Tomēr vienpakāpes gāzes spiediena saķepināšanas procesā ir grūti ražot konstrukcijas sastāvdaļas ar vienādu iekšējo un ārējo krāsu un struktūru. Izmantojot divpakāpju vai daudzpakāpju saķepināšanas procesu, var ievērojami samazināt starpgranulu skābekļa saturu, uzlabot siltumvadītspēju un uzlabot vispārējās īpašības.
Tomēr divpakāpju gāzes spiediena saķepināšanas augstās saķepināšanas temperatūras dēļ iepriekšējie pētījumi galvenokārt koncentrējās uz Si₃N₄ keramikas substrātu sagatavošanu ar augstu siltumvadītspēju un lieces izturību istabas temperatūrā. Pētījumi par Si₃N₄ keramiku ar visaptverošām mehāniskajām īpašībām un augstas temperatūras mehāniskajām īpašībām ir salīdzinoši ierobežoti.
Gāzes spiediena divpakāpju saķepināšanas metode Si3N4
Yang Zhou un kolēģi no Čuncjinas Tehnoloģiju universitātes izmantoja saķepināšanas palīgsistēmu, kurā bija 5 mas.% Yb₂O3 + 5 mas.% Al₂O3, lai sagatavotu Si3N4 keramiku, izmantojot gan vienpakāpes, gan divpakāpju gāzes spiediena saķepināšanas procesus 1800 °C temperatūrā. Si₃N4 keramikai, kas ražota divpakāpju saķepināšanas procesā, bija lielāks blīvums un labākas visaptverošas mehāniskās īpašības. Tālāk ir apkopota vienpakāpju un divpakāpju gāzes spiediena saķepināšanas procesu ietekme uz Si₃N₄ keramikas komponentu mikrostruktūru un mehāniskajām īpašībām.
Blīvums Si₃N4 blīvēšanas process parasti ietver trīs posmus ar pārklāšanos starp posmiem. Pirmais posms, daļiņu pārkārtošanās, un otrais posms, šķīdināšana-nogulsnēšana, ir vissvarīgākie blīvēšanas posmi. Pietiekams reakcijas laiks šajos posmos ievērojami uzlabo parauga blīvumu. Ja pirmssaķepināšanas temperatūra divpakāpju saķepināšanas procesam ir iestatīta uz 1600°C, β-Si₃N4 graudi veido karkasu un rada slēgtas poras. Pēc iepriekšējas saķepināšanas tālāka karsēšana augstā temperatūrā un slāpekļa spiedienā veicina šķidrās fāzes plūsmu un piepildījumu, kas palīdz likvidēt aizvērtās poras, vēl vairāk uzlabojot Si₃N₄ keramikas blīvumu. Tāpēc paraugiem, kas iegūti divpakāpju saķepināšanas procesā, ir lielāks blīvums un relatīvais blīvums nekā tiem, kas iegūti ar vienpakāpju saķepināšanu.
Fāze un mikrostruktūra Vienpakāpes saķepināšanas laikā daļiņu pārkārtošanai un graudu robežu difūzijai pieejamais laiks ir ierobežots. Divpakāpju saķepināšanas procesā pirmais solis tiek veikts zemā temperatūrā un zemā gāzes spiedienā, kas pagarina daļiņu pārkārtošanās laiku un rada lielākus graudus. Pēc tam temperatūra tiek paaugstināta līdz augstas temperatūras stadijai, kur graudi turpina augt Ostvalda nogatavošanās procesā, iegūstot augsta blīvuma Si₃N₄ keramiku.
Mehāniskās īpašības Starpgranulārās fāzes mīkstināšana augstā temperatūrā ir galvenais iemesls samazinātai stiprībai. Vienpakāpes saķepināšanas gadījumā nenormāla graudu augšana starp graudiem rada nelielas poras, kas neļauj būtiski uzlabot izturību augstā temperatūrā. Tomēr divpakāpju saķepināšanas procesā stikla fāze, kas vienmērīgi sadalīta graudu robežās, un vienāda izmēra graudi uzlabo starpgranulu izturību, kā rezultātā palielinās lieces izturība augstā temperatūrā.
Visbeidzot, ilgstoša turēšana vienpakāpes saķepināšanas laikā var efektīvi samazināt iekšējo porainību un panākt vienmērīgu iekšējo krāsu un struktūru, bet var izraisīt neparastu graudu augšanu, kas pasliktina noteiktas mehāniskās īpašības. Izmantojot divpakāpju saķepināšanas procesu, izmantojot zemas temperatūras iepriekšēju saķepināšanu, lai pagarinātu daļiņu pārkārtošanās laiku, un augstas temperatūras noturēšanu, lai veicinātu vienmērīgu graudu augšanu, Si₃N4 keramika ar relatīvo blīvumu 98,25%, viendabīgu mikrostruktūru un izcilām visaptverošām mehāniskajām īpašībām. var veiksmīgi sagatavoties.
| Vārds | Substrāts | Epitaksiskā slāņa sastāvs | Epitaksiskais process | Epitaksiskā vide |
| Silīcija homoepitaksiāls | Si | Si | Tvaika fāzes epitaksija (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silīcija heteroepitaksiāls | Safīrs vai spinelis | Si | Tvaika fāzes epitaksija (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaksiāls | GaAs | GaAs GaAs | Tvaika fāzes epitaksija (VPE) | AsCl3+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molekulārā stara epitaksija (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksiāls | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Šķidrās fāzes epitaksija (LPE) Tvaika fāze (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksiāls | GaP | GaP(GaP;N) | Šķidrās fāzes epitaksija (LPE) Šķidrās fāzes epitaksija (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superrežģis | GaAs | GaAlAs/GaAs (cikls) | Molekulārā stara epitaksija (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksiāls | InP | InP | Tvaika fāzes epitaksija (VPE) Šķidrās fāzes epitaksija (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksija | Si | GaAs | Molekulārā stara epitaksija (MBE) MOGVD | Ga, As GaR₃+AsH3+H₂ |
Izlikšanas laiks: 2024. gada 24. decembris