Уплотнение карбида кремния: искровая плазменная спекание с Si-SiC нанокомпозитными добавками из термической DC плазмы

Аннотация

Нанокомпозитные частицы Si-оксид SiC (Si-SiC) синтезировали через непереносящую дуговую термическую DC плазму из твердотельного SiC порошка. Эти частицы использовали как спекание добавки в искровой плазменной спекании (SPS) микронного SiC. Оптимальная загрузка 10 масс.% Si-SiC в комбинации с 0,2 масс.% активированным углеродом дала относительную плотность 97,1% и викерсову твердость 31,4 ГПа при 1800 °C при 1-минутном выдержке. Эта работа демонстрирует низкотемпературный, высокоплотный маршрут SiC, использующий наноразмерные эффекты и экзотермическое кремний-углеродное реакционное связывание.

Введение

Керамика из карбида кремния ценятся за их исключительную высокотемпературную твердость, износостойкость, низкое тепловое расширение и коррозионную стойкость, делая их незаменимыми в лопастях турбин, дизельных двигателях, авиакосмике и ядерных реакторах. Однако ковалентная Si–C связь и затяжной самодиффузия затрудняют уплотнение без добавок. Традиционные маршруты — твердотельное спекание SiC (SSS-SiC) и жидкофазное спекание SiC (LPS-SiC) — требуют температур выше 1850 °C и часто вводят вторичные фазы, снижающие высокотемпературную производительность. Реакционно-связанный SiC (RB-SiC) предлагает более низкие температуры спекания, но страдает от низкой плотности. Таким образом, снижение температуры спекания при сохранении механической целостности является ключевым исследовательским вызовом.

Нанопартикулярный SiC стал перспективным направлением; его высокая удельная поверхность ускоряет спекание и может улучшить конечные свойства. Мы поэтому разработали метод покрытия SiC тонким Si слоем через непереносящую термическую DC плазму, создавая Si-SiC композитную наночастицу, служащую эффективным, минимальной добавкой уплотнителя.

Экспериментальная часть

Синтез микронного SiC

Si (средний 25 мкм, 99,9%) и активированный углерод (32 мкм) смешивали в молярном соотношении 1:1,5 и шарово фрезеровали 15 ч. Смесь кальцинировали при 1300 °C в течение 2 ч в Ar (1 л мин⁻¹). Полученный β-SiC порошок измельчали для дальнейшего использования.

Плазменно-генерированные Si-SiC наночастицы

Используя непереносящий дуговой термический плазменный реактор, микронный SiC порошок подавали через 2-мм трубу при 70 В и 1 г мин⁻¹. Система работала при 200 Торр, 30 л мин⁻¹ Ar, 3 л мин⁻¹ H₂ и 300 А (45 В). Наночастицы собирали со стенок реактора; выход составлял 80–85%.

Искровая плазменная спекание

Смеси микронного SiC и Si-SiC наночастиц (5–15 масс.%) прессовали в 20-мм графитовую матрицу под 80 МПа. SPS проводили в вакууме (10⁻² Торр) со скоростью нагрева 600 °C мин⁻¹, нацеливаясь на 1600–1800 °C. Выдержки варьировали от 0 до 1 мин при 1800 °C. Некоторые образцы получали 0,1–0,2 масс.% активированного углерода для продвижения реакционного связывания. Плотность измеряли по Архимеду; викерсова твердость — 10 кгф индентором.

Характеристика

XRD (Cu-Kα) оценивал фазовый состав; SEM (JSM-5900) и TEM (JEM-2010) изучали морфологию. Смещение усадки записывали при спекании.

Результаты и обсуждение

XRD подтвердил β-SiC в микронных и нанообразцах; последние также содержали следы Si и SiO₂ от частичной декомпозиции и окисления. SEM показал 2–5 мкм микронные частицы и 20–70 нм Si-SiC наночастицы (удельная поверхность 69 м² г⁻¹).

Увеличение температуры спекания улучшало относительную плотность и твердость; при 1800 °C и 1 мин выдержки 90:10 (SiC:Si-SiC) смесь достигла 88,2% плотности и 21,2 ГПа твердости. Добавление 0,2 масс.% активированного углерода дополнительно увеличило эти значения до 97,1% плотности и 31,4 ГПа твердости, указывая на эффективное реакционное связывание между свободным кремнием в наночастицах и углеродом.

Микрографии раскрыли рост зерен с 2–4 мкм при 1800 °C, с уплотнением, ускоряющимся под экзотермической кремний-углеродной реакцией. Данные усадки подтвердили усиленное уплотнение, особенно в образцах с активированным углеродом.

Механистически, Si-SiC наночастицы действуют двояко: их высокая удельная поверхность способствует быстрой диффузии (наноразмерный эффект), и освобожденный кремний экзотермически реагирует с добавленным углеродом, локально повышая температуру и ускоряя спекание (реакционное-связывание эффект).

Заключение

Мы продемонстрировали, что Si-покрытые SiC наночастицы, произведенные термической DC плазмой, служат эффективным, низко-дозированным уплотнителем для SiC керамики. 10 масс.% загрузка в комбинации с 0,2 масс.% активированным углеродом дает 97,1% относительную плотность и 31,4 ГПа викерсову твердость при 1800 °C, превосходя конвенциональные методы. Двойной вклад наноразмерного усиления диффузии и кремний-углеродного реакционного связывания предлагает жизнеспособный путь к высокопроизводительному SiC при сниженных температурах.