Verbeterde siliciumcarbide verdichting: Spark plasma sinteren met Si-SiC nancomposiet additieven uit thermische DC plasma

Samenvatting

Si-gecoate SiC (Si-SiC) nancomposiet deeltjes werden gesynthetiseerd via non-getransfereerde boog thermische DC plasma uit vast-staat SiC poeder. Deze deeltjes werden gebruikt als sinteradditieven in spark plasma sinteren (SPS) van micron-gesizeerde SiC. De optimale 10 gew% Si-SiC lading, gecombineerd met 0,2 gew% geactiveerd koolstof, leverde een relatieve dichtheid van 97,1% en een Vickers-hardheid van 31,4 GPa op bij 1800 °C voor een 1-minuut houdtijd. Dit werk demonstreert een lage-temperatuur, hoge-dichtheid SiC route die nano-grootte effecten en exothermische silicium-koolstof reactie binding benut.

Achtergrond

Siliciumcarbide keramieken worden gewaardeerd voor hun uitzonderlijke hoge-temperatuur hardheid, slijtvasteheid, lage thermische uitbuiting en corrosieweerstand, wat ze onmisbaar maakt in turbinebladen, dieselmotoren, luchtvaart en kernreactoren. Echter, de covalente Si–C binding en trage zelf-diffusie belemmeren verdichting zonder additieven. Traditionele routes—vast-staat gesinterde SiC (SSS-SiC) en vloeistof-fase gesinterde SiC (LPS-SiC)—vereisen temperaturen boven 1850 °C en introduceren vaak secundaire fasen die hoge-temperatuur prestaties verminderen. Reactie-gebonden SiC (RB-SiC) biedt lagere sintertemperaturen maar lijdt onder slechte dichtheid. Dus het verlagen van de sintertemperatuur terwijl mechanische integriteit behouden blijft, is een sleutelonderzoeksvraag.

Nanodeeltjes SiC zijn uitgegroeid als veelbelovende weg; hun hoge oppervlakte versnelt sinteren en kan finale eigenschappen verbeteren. We hebben daarom een methode ontwikkeld om SiC te coaten met een dunne Si-laag via non-getransfereerde thermische DC plasma, wat een Si-SiC composiet nanodeeltje creëert dat fungeert als effectieve, minimale additief verdichter.

Experimenteel

Micron-gesizeerde SiC Synthese

Si (gemiddeld 25 µm, 99,9%) en geactiveerd koolstof (32 µm) werden gemengd in een 1:1,5 mol verhouding en 15 uur balgemalen. Het mengsel werd gecalcineerd bij 1300 °C gedurende 2 uur in Ar (1 L min⁻¹). Het resulterende β-SiC poeder werd gemalen voor verder gebruik.

Plasma-gegenereerde Si-SiC Nanodeeltjes

Met een non-getransfereerde boog thermische plasma reactor werd het micron-SiC poeder gevoed door een 2-mm pijp bij 70 V en 1 g min⁻¹. Het systeem werkte bij 200 Torr, 30 L min⁻¹ Ar, 3 L min⁻¹ H₂ en 300 A (45 V). Nanodeeltjes werden verzameld van de reactorwanden; de opbrengst was 80–85%.

Spark Plasma Sinteren

Mengsels van micron-SiC en Si-SiC nanodeeltjes (5–15 gew%) werden gecompacteerd in een 20 mm grafiet matrice onder 80 MPa. SPS werd uitgevoerd in vacuüm (10⁻² Torr) met een verwarmingssnelheid van 600 °C min⁻¹, gericht op 1600–1800 °C. Houdtijden varieerden van 0 tot 1 minuut bij 1800 °C. Sommige monsters ontvingen 0,1–0,2 gew% geactiveerd koolstof om reactie binding te bevorderen. Dichtheid werd gemeten via Archimedes; Vickers-hardheid met een 10 kgf indenter.

Karakterisatie

XRD (Cu-Kα) beoordeelde fase-samenstelling; SEM (JSM-5900) en TEM (JEM-2010) onderzochten morfologie. Krimpverplaatsing werd vastgelegd tijdens sinteren.

Resultaten en Discussie

XRD bevestigde β-SiC in zowel micron- als nano-monsters; de laatste bevatte ook sporen Si en SiO₂ van partiële decompositie en oxidatie. SEM toonde 2–5 µm micron deeltjes en 20–70 nm Si-SiC nanodeeltjes (oppervlakte 69 m² g⁻¹).

Hogere sintertemperatuur verbeterde relatieve dichtheid en hardheid; bij 1800 °C en 1 minuut houdtijd bereikte de 90:10 (SiC:Si-SiC) mengsel 88,2% dichtheid en 21,2 GPa hardheid. Toevoeging van 0,2 gew% geactiveerd koolstof verhoogde deze waarden verder tot 97,1% dichtheid en 31,4 GPa hardheid, wat effectieve reactie binding tussen vrije silicium in de nanodeeltjes en koolstof aangeeft.

Micrografieken onthulden korrelgroei van 2–4 µm bij 1800 °C, met verdichting versnellend onder de exothermische silicium-koolstof reactie. Krimpdata bevestigden verbeterde verdichting, met name in monsters met geactiveerd koolstof.

Mechanistisch werken de Si-SiC nanodeeltjes op twee manieren: hun hoge oppervlakte bevordert snelle diffusie (nano-grootte effect), en het vrijgekomen silicium reageert exothermisch met toegevoegd koolstof, lokaal de temperatuur verhogend en sinteren versnellend (reactie-binding effect).

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat Si-gecoate SiC nanodeeltjes, geproduceerd door thermische DC plasma, dienen als efficiënte, lage-additief verdichter voor SiC keramieken. Een 10 gew% lading gecombineerd met 0,2 gew% geactiveerd koolstof levert 97,1% relatieve dichtheid en 31,4 GPa Vickers-hardheid op bij 1800 °C, wat conventionele methoden overtreft. De dubbele bijdrage van nano-grootte diffusieverbetering en silicium-koolstof reactie binding biedt een haalbare route naar hoog-presterende SiC bij verlaagde temperaturen.