Le ceramiche al nitruro di silicio (Si₃N₄), in quanto ceramiche strutturali avanzate, possiedono proprietà eccellenti come resistenza alle alte temperature, elevata resistenza, elevata tenacità, elevata durezza, resistenza al creep, resistenza all'ossidazione e resistenza all'usura. Inoltre, offrono una buona resistenza agli shock termici, proprietà dielettriche, elevata conduttività termica ed eccellenti prestazioni di trasmissione delle onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Queste eccezionali proprietà globali li rendono ampiamente utilizzati in componenti strutturali complessi, soprattutto nel settore aerospaziale e in altri campi ad alta tecnologia.
Tuttavia, il Si₃N₄, essendo un composto con forti legami covalenti, ha una struttura stabile che rende difficile la sinterizzazione ad alta densità attraverso la sola diffusione allo stato solido. Per promuovere la sinterizzazione, vengono aggiunti ausiliari di sinterizzazione, come ossidi metallici (MgO, CaO, Al₂O₃) e ossidi di terre rare (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), per facilitare la densificazione tramite un meccanismo di sinterizzazione in fase liquida.
Attualmente, la tecnologia globale dei dispositivi a semiconduttore sta avanzando verso tensioni più elevate, correnti più elevate e densità di potenza maggiori. La ricerca sui metodi per la fabbricazione delle ceramiche Si₃N₄ è ampia. Questo articolo presenta i processi di sinterizzazione che migliorano efficacemente la densità e le proprietà meccaniche complete delle ceramiche al nitruro di silicio.
Metodi di sinterizzazione comuni per ceramiche Si₃N₄
Confronto delle prestazioni delle ceramiche Si₃N₄ preparate mediante diversi metodi di sinterizzazione
1. Sinterizzazione reattiva (RS):La sinterizzazione reattiva è stato il primo metodo utilizzato per preparare industrialmente le ceramiche Si₃N₄. È semplice, economico e capace di formare forme complesse. Tuttavia, ha un ciclo produttivo lungo, che non favorisce la produzione su scala industriale.
2. Sinterizzazione senza pressione (PLS):Questo è il processo di sinterizzazione più basilare e semplice. Tuttavia, richiede materie prime Si₃N₄ di alta qualità e spesso dà come risultato ceramiche con densità inferiore, ritiro significativo e tendenza a rompersi o deformarsi.
3. Sinterizzazione a caldo (HP):L'applicazione della pressione meccanica uniassiale aumenta la forza motrice per la sinterizzazione, consentendo la produzione di ceramiche dense a temperature inferiori di 100-200°C rispetto a quelle utilizzate nella sinterizzazione senza pressione. Questo metodo viene tipicamente utilizzato per fabbricare ceramiche a forma di blocco relativamente semplici, ma è difficile soddisfare i requisiti di spessore e forma per i materiali del substrato.
4. Sinterizzazione al plasma Spark (SPS):L'SPS è caratterizzato da sinterizzazione rapida, raffinazione del grano e temperature di sinterizzazione ridotte. Tuttavia, l'SPS richiede investimenti significativi in attrezzature e la preparazione di ceramiche Si₃N₄ ad alta conduttività termica tramite SPS è ancora in fase sperimentale e non è stata ancora industrializzata.
5. Sinterizzazione a pressione di gas (GPS):Applicando la pressione del gas, questo metodo inibisce la decomposizione della ceramica e la perdita di peso alle alte temperature. È più semplice produrre ceramiche ad alta densità e consente la produzione in lotti. Tuttavia, un processo di sinterizzazione a pressione di gas in un’unica fase fatica a produrre componenti strutturali con colore e struttura interni ed esterni uniformi. L'utilizzo di un processo di sinterizzazione a due o più fasi può ridurre significativamente il contenuto di ossigeno intergranulare, migliorare la conduttività termica e migliorare le proprietà generali.
Tuttavia, l'elevata temperatura di sinterizzazione della sinterizzazione a pressione di gas in due fasi ha portato la ricerca precedente a concentrarsi principalmente sulla preparazione di substrati ceramici Si₃N₄ con elevata conduttività termica e resistenza alla flessione a temperatura ambiente. La ricerca sulle ceramiche Si₃N₄ con proprietà meccaniche complete e proprietà meccaniche alle alte temperature è relativamente limitata.
Metodo di sinterizzazione in due fasi a pressione di gas per Si₃N₄
Yang Zhou e colleghi dell'Università di Tecnologia di Chongqing hanno utilizzato un sistema di ausilio alla sinterizzazione composto da 5% in peso di Yb₂O₃ + 5% in peso di Al₂O₃ per preparare ceramiche Si₃N₄ utilizzando processi di sinterizzazione a pressione di gas in una e due fasi a 1800°C. Le ceramiche Si₃N₄ prodotte mediante il processo di sinterizzazione in due fasi avevano una densità più elevata e proprietà meccaniche migliori. Di seguito vengono riepilogati gli effetti dei processi di sinterizzazione a pressione di gas in una e due fasi sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche dei componenti ceramici Si₃N₄.
Densità Il processo di densificazione del Si₃N₄ prevede tipicamente tre fasi, con sovrapposizione tra le fasi. Il primo stadio, il riarrangiamento delle particelle, e il secondo stadio, la dissoluzione-precipitazione, sono gli stadi più critici per la densificazione. Un tempo di reazione sufficiente in queste fasi migliora significativamente la densità del campione. Quando la temperatura di pre-sinterizzazione per il processo di sinterizzazione in due fasi è impostata su 1600°C, i grani di β-Si₃N₄ formano una struttura e creano pori chiusi. Dopo la pre-sinterizzazione, un ulteriore riscaldamento ad alta temperatura e pressione di azoto favorisce il flusso e il riempimento della fase liquida, che aiuta a eliminare i pori chiusi, migliorando ulteriormente la densità della ceramica Si₃N₄. Pertanto, i campioni prodotti dal processo di sinterizzazione in due fasi mostrano una densità e una densità relativa più elevate rispetto a quelli prodotti dalla sinterizzazione in una fase.
Fase e microstruttura Durante la sinterizzazione in una sola fase, il tempo a disposizione per la riorganizzazione delle particelle e la diffusione dei bordi del grano è limitato. Nel processo di sinterizzazione in due fasi, la prima fase viene condotta a bassa temperatura e bassa pressione del gas, il che prolunga il tempo di riarrangiamento delle particelle e si traduce in grani più grandi. La temperatura viene quindi aumentata fino alla fase ad alta temperatura, dove i grani continuano a crescere attraverso il processo di maturazione Ostwald, producendo ceramiche Si₃N₄ ad alta densità.
Proprietà meccaniche Il rammollimento della fase intergranulare alle alte temperature è la ragione principale della ridotta resistenza. Nella sinterizzazione in una sola fase, la crescita anomala dei grani crea piccoli pori tra i grani, che impediscono un miglioramento significativo della resistenza alle alte temperature. Tuttavia, nel processo di sinterizzazione in due fasi, la fase vetrosa, distribuita uniformemente ai bordi dei grani, e i grani di dimensioni uniformi migliorano la resistenza intergranulare, con conseguente maggiore resistenza alla flessione alle alte temperature.
In conclusione, una tenuta prolungata durante la sinterizzazione in una fase può ridurre efficacemente la porosità interna e ottenere un colore e una struttura interni uniformi, ma può portare a una crescita anormale del grano, che degrada alcune proprietà meccaniche. Utilizzando un processo di sinterizzazione in due fasi, utilizzando la pre-sinterizzazione a bassa temperatura per estendere il tempo di riarrangiamento delle particelle e il mantenimento ad alta temperatura per promuovere una crescita uniforme del grano, si ottiene una ceramica Si₃N₄ con densità relativa del 98,25%, microstruttura uniforme ed eccellenti proprietà meccaniche complete può essere preparato con successo.
| Nome | Substrato | Composizione dello strato epitassiale | Processo epitassiale | Mezzo epitassiale |
| Omoepitassiale del silicio | Si | Si | Epitassia in fase vapore (VPE) | SiCl4+H2 |
| Eteroepitassiale del silicio | Zaffiro o spinello | Si | Epitassia in fase vapore (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs omoepitassiale | GaAs | GaAs GaAs | Epitassia in fase vapore (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitassia a fascio molecolare (MBE) | Ga+As | |
| GaAs eteroepitassiale | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitassia in fase liquida (LPE) Fase Vapore (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+cenere3+PH3+CHl+H2 |
| GaP omoepitassiale | Spacco | GaP(GaP;N) | Epitassia in fase liquida (LPE) Epitassia in fase liquida (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superreticolo | GaAs | GaAlAs/GaAs (ciclo) | Epitassia a fascio molecolare (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP omoepitassiale | InP | InP | Epitassia in fase vapore (VPE) Epitassia in fase liquida (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitassia Si/GaAs | Si | GaAs | Epitassia a fascio molecolare (MBE) MOGVD | Ga、As GaR₃+AsH₃+H₂ |
Orario di pubblicazione: 24 dicembre 2024