Seramik silikon nitrida (Si₃N₄), sebagai seramik struktur termaju, mempunyai sifat cemerlang seperti rintangan suhu tinggi, kekuatan tinggi, keliatan tinggi, kekerasan tinggi, rintangan rayapan, rintangan pengoksidaan dan rintangan haus. Selain itu, ia menawarkan rintangan kejutan haba yang baik, sifat dielektrik, kekonduksian terma yang tinggi, dan prestasi penghantaran gelombang elektromagnet frekuensi tinggi yang sangat baik. Sifat komprehensif yang luar biasa ini menjadikannya digunakan secara meluas dalam komponen struktur yang kompleks, terutamanya dalam aeroangkasa dan bidang berteknologi tinggi yang lain.
Walau bagaimanapun, Si₃N₄, sebagai sebatian dengan ikatan kovalen yang kuat, mempunyai struktur yang stabil yang menjadikan pensinteran kepada ketumpatan tinggi sukar melalui resapan keadaan pepejal sahaja. Untuk menggalakkan pensinteran, bahan bantu pensinteran, seperti oksida logam (MgO, CaO, Al₂O₃) dan oksida nadir bumi (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), ditambah untuk memudahkan pemekatan melalui mekanisme pensinteran fasa cecair.
Pada masa ini, teknologi peranti semikonduktor global semakin maju ke arah voltan yang lebih tinggi, arus yang lebih besar dan kepadatan kuasa yang lebih besar. Penyelidikan tentang kaedah untuk fabrikasi seramik Si₃N₄ adalah meluas. Artikel ini memperkenalkan proses pensinteran yang meningkatkan ketumpatan dan sifat mekanikal komprehensif seramik silikon nitrida secara berkesan.
Kaedah Pensinteran Biasa untuk Seramik Si₃N₄
Perbandingan Prestasi untuk Seramik Si₃N₄ Disediakan oleh Kaedah Pensinteran Berbeza
1. Pensinteran Reaktif (RS):Pensinteran reaktif ialah kaedah pertama yang digunakan untuk menyediakan seramik Si₃N₄ secara industri. Ia mudah, kos efektif, dan mampu membentuk bentuk yang kompleks. Walau bagaimanapun, ia mempunyai kitaran pengeluaran yang panjang, yang tidak kondusif untuk pengeluaran berskala industri.
2. Pensinteran Tanpa Tekanan (PLS):Ini adalah proses pensinteran yang paling asas dan mudah. Walau bagaimanapun, ia memerlukan bahan mentah Si₃N₄ berkualiti tinggi dan selalunya menghasilkan seramik dengan ketumpatan yang lebih rendah, pengecutan ketara dan kecenderungan untuk retak atau berubah bentuk.
3. Pensinteran Tekan Panas (HP):Penggunaan tekanan mekanikal uniaxial meningkatkan daya penggerak untuk pensinteran, membolehkan seramik padat dihasilkan pada suhu 100-200°C lebih rendah daripada yang digunakan dalam pensinteran tanpa tekanan. Kaedah ini biasanya digunakan untuk fabrikasi seramik berbentuk blok yang agak mudah tetapi sukar untuk memenuhi keperluan ketebalan dan bentuk untuk bahan substrat.
4. Pensinteran Plasma Percikan (SPS):SPS dicirikan oleh pensinteran pantas, penghalusan bijirin, dan suhu pensinteran yang dikurangkan. Walau bagaimanapun, SPS memerlukan pelaburan yang besar dalam peralatan, dan penyediaan kekonduksian haba yang tinggi Si₃N₄ seramik melalui SPS masih dalam peringkat percubaan dan belum lagi diindustrikan.
5. Pensinteran Tekanan Gas (GPS):Dengan menggunakan tekanan gas, kaedah ini menghalang penguraian seramik dan penurunan berat badan pada suhu tinggi. Lebih mudah untuk menghasilkan seramik berketumpatan tinggi dan membolehkan pengeluaran kelompok. Walau bagaimanapun, proses pensinteran tekanan gas satu langkah bergelut untuk menghasilkan komponen struktur dengan warna dan struktur dalaman dan luaran yang seragam. Menggunakan proses pensinteran dua langkah atau berbilang langkah boleh mengurangkan kandungan oksigen antara butiran dengan ketara, meningkatkan kekonduksian terma dan meningkatkan sifat keseluruhan.
Walau bagaimanapun, suhu pensinteran yang tinggi bagi pensinteran tekanan gas dua langkah telah menyebabkan penyelidikan terdahulu memberi tumpuan terutamanya pada penyediaan substrat seramik Si₃N₄ dengan kekonduksian terma yang tinggi dan kekuatan lenturan suhu bilik. Penyelidikan tentang seramik Si₃N₄ dengan sifat mekanikal yang komprehensif dan sifat mekanikal suhu tinggi agak terhad.
Kaedah Pensinteran Dua Langkah Tekanan Gas untuk Si₃N₄
Yang Zhou dan rakan sekerja dari Universiti Teknologi Chongqing menggunakan sistem bantuan pensinteran 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ untuk menyediakan seramik Si₃N₄ menggunakan kedua-dua proses pensinteran tekanan gas satu langkah dan dua langkah pada 1800°C. Seramik Si₃N₄ yang dihasilkan oleh proses pensinteran dua langkah mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi dan sifat mekanikal komprehensif yang lebih baik. Berikut meringkaskan kesan proses pensinteran tekanan gas satu langkah dan dua langkah ke atas struktur mikro dan sifat mekanikal komponen seramik Si₃N₄.
Ketumpatan Proses ketumpatan Si₃N₄ lazimnya melibatkan tiga peringkat, dengan pertindihan antara peringkat. Peringkat pertama, penyusunan semula zarah, dan peringkat kedua, pembubaran-kerpasan, adalah peringkat paling kritikal untuk pemekatan. Masa tindak balas yang mencukupi dalam peringkat ini meningkatkan ketumpatan sampel dengan ketara. Apabila suhu pra-pensinteran untuk proses pensinteran dua langkah ditetapkan kepada 1600°C, butiran β-Si₃N₄ membentuk rangka kerja dan mewujudkan liang tertutup. Selepas pra-pensinteran, pemanasan selanjutnya di bawah suhu tinggi dan tekanan nitrogen menggalakkan aliran dan pengisian fasa cecair, yang membantu menghilangkan liang tertutup, meningkatkan lagi ketumpatan seramik Si₃N₄. Oleh itu, sampel yang dihasilkan oleh proses pensinteran dua langkah menunjukkan ketumpatan dan ketumpatan relatif yang lebih tinggi daripada yang dihasilkan oleh pensinteran satu langkah.
Fasa dan Struktur Mikro Semasa pensinteran satu langkah, masa yang tersedia untuk penyusunan semula zarah dan resapan sempadan butiran adalah terhad. Dalam proses pensinteran dua langkah, langkah pertama dijalankan pada suhu rendah dan tekanan gas rendah, yang memanjangkan masa penyusunan semula zarah dan menghasilkan butiran yang lebih besar. Suhu kemudiannya dinaikkan ke peringkat suhu tinggi, di mana bijirin terus tumbuh melalui proses pematangan Ostwald, menghasilkan seramik Si₃N₄ berketumpatan tinggi.
Sifat Mekanikal Pelembutan fasa antara butiran pada suhu tinggi adalah sebab utama untuk mengurangkan kekuatan. Dalam pensinteran satu langkah, pertumbuhan bijian yang tidak normal menghasilkan liang-liang kecil di antara bijirin, yang menghalang peningkatan ketara dalam kekuatan suhu tinggi. Walau bagaimanapun, dalam proses pensinteran dua langkah, fasa kaca, teragih seragam dalam sempadan bijian, dan bijirin bersaiz seragam meningkatkan kekuatan antara butiran, menghasilkan kekuatan lenturan suhu tinggi yang lebih tinggi.
Kesimpulannya, pegangan berpanjangan semasa pensinteran satu langkah boleh mengurangkan keliangan dalaman dengan berkesan dan mencapai warna dan struktur dalaman yang seragam tetapi boleh menyebabkan pertumbuhan bijian yang tidak normal, yang merendahkan sifat mekanikal tertentu. Dengan menggunakan proses pensinteran dua langkah—menggunakan pra-pensinteran suhu rendah untuk memanjangkan masa penyusunan semula zarah dan pegangan suhu tinggi untuk menggalakkan pertumbuhan bijirin yang seragam—seramik Si₃N₄ dengan ketumpatan relatif 98.25%, struktur mikro seragam dan sifat mekanikal komprehensif yang sangat baik dapat disediakan dengan jayanya.
| Nama | Substrat | Komposisi lapisan epitaxial | Proses epitaxial | Medium epitaxial |
| Homoepitaxial silikon | Si | Si | Epitaksi Fasa Wap (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silikon heteroepitaxial | Nilam atau spinel | Si | Epitaksi Fasa Wap (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Epitaksi Fasa Wap (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaksi Rasuk Molekul (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaksi Fasa Cecair (LPE) Fasa Wap (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | GaP | GaP(GaP;N) | Epitaksi Fasa Cecair (LPE) Epitaksi Fasa Cecair (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superlattice | GaAs | GaAlAs/GaAs (kitaran) | Epitaksi Rasuk Molekul (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | Epitaksi Fasa Wap (VPE) Epitaksi Fasa Cecair (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitaksi Si/GaAs | Si | GaAs | Epitaksi Rasuk Molekul (MBE) MOGVD | Ga, As GaR₃+AsH₃+H₂ |
Masa siaran: Dis-24-2024