სილიციუმის ნიტრიდის (Si3N4) კერამიკა, როგორც მოწინავე სტრუქტურული კერამიკა, აქვს შესანიშნავი თვისებები, როგორიცაა მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა, მაღალი სიმტკიცე, მაღალი სიმტკიცე, მაღალი სიმტკიცე, მცოცავი წინააღმდეგობა, დაჟანგვის წინააღმდეგობა და აცვიათ წინააღმდეგობა. გარდა ამისა, ისინი გვთავაზობენ კარგ თერმული შოკის წინააღმდეგობას, დიელექტრიკულ თვისებებს, მაღალ თბოგამტარობას და მაღალი სიხშირის ელექტრომაგნიტური ტალღების გადაცემის შესანიშნავი შესრულებას. ეს გამორჩეული ყოვლისმომცველი თვისებები ხდის მათ ფართო გამოყენებას კომპლექსურ სტრუქტურულ კომპონენტებში, განსაკუთრებით კოსმოსურ და სხვა მაღალტექნოლოგიურ სფეროებში.
თუმცა, Si3N4, როგორც ძლიერი კოვალენტური ბმების მქონე ნაერთი, აქვს სტაბილური სტრუქტურა, რაც ართულებს აგლომერაციას მაღალ სიმკვრივემდე მხოლოდ მყარი მდგომარეობის დიფუზიის საშუალებით. აგლომერაციის ხელშეწყობისთვის, აგლომერაციის დამხმარე საშუალებები, როგორიცაა ლითონის ოქსიდები (MgO, CaO, Al2O3) და იშვიათი დედამიწის ოქსიდები (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), ემატება გამკვრივების გასაადვილებლად თხევადი ფაზის აგლომერაციის მექანიზმით.
ამჟამად, გლობალური ნახევარგამტარული მოწყობილობების ტექნოლოგია მიიწევს უფრო მაღალი ძაბვის, უფრო დიდი დენებისა და უფრო დიდი სიმძლავრის სიმკვრივისკენ. Si₃N4 კერამიკის დამზადების მეთოდების კვლევა ვრცელია. ეს სტატია წარმოგიდგენთ აგლომერაციის პროცესებს, რომლებიც ეფექტურად აუმჯობესებენ სილიციუმის ნიტრიდის კერამიკის სიმკვრივეს და ყოვლისმომცველ მექანიკურ თვისებებს.
საერთო აგლომერაციის მეთოდები Si₃N4 კერამიკულებისთვის
მოქმედების შედარება Si₃N4 კერამიკული კერამიკულებისთვის, მომზადებული სხვადასხვა აგლომერაციის მეთოდით
1. რეაქტიული აგლომერაცია (RS):რეაქტიული აგლომერაცია იყო პირველი მეთოდი, რომელიც გამოიყენებოდა Si₃N4 კერამიკის სამრეწველო დასამზადებლად. ეს არის მარტივი, ეკონომიური და შეუძლია შექმნას რთული ფორმები. თუმცა მას აქვს ხანგრძლივი წარმოების ციკლი, რაც არ არის ხელსაყრელი სამრეწველო მასშტაბის წარმოებისთვის.
2. უწნეო აგლომერაცია (PLS):ეს არის ყველაზე ძირითადი და მარტივი აგლომერაციის პროცესი. თუმცა, ის მოითხოვს მაღალი ხარისხის Si₃N4 ნედლეულს და ხშირად იწვევს კერამიკას უფრო დაბალი სიმკვრივით, მნიშვნელოვანი შეკუმშვით და ბზარის ან დეფორმირების ტენდენციით.
3. ცხელი პრესის აგლომერაცია (HP):ცალღეროვანი მექანიკური წნევის გამოყენება ზრდის აგლომერაციის მამოძრავებელ ძალას, რაც საშუალებას აძლევს მკვრივი კერამიკის წარმოებას 100-200°C-ით დაბალ ტემპერატურაზე, ვიდრე უწნეო აგლომერაციის დროს. ეს მეთოდი ჩვეულებრივ გამოიყენება შედარებით მარტივი ბლოკის ფორმის კერამიკის დასამზადებლად, მაგრამ ძნელია დააკმაყოფილოს სუბსტრატის მასალების სისქის და ფორმის მოთხოვნები.
4. ნაპერწკალი პლაზმური აგლომერაცია (SPS):SPS ხასიათდება სწრაფი აგლომერაციით, მარცვლის დახვეწით და შემცირებული აგლომერაციით. თუმცა, SPS მოითხოვს მნიშვნელოვან ინვესტიციას აღჭურვილობაში და მაღალი თბოგამტარობის Si₃N4 კერამიკის მომზადება SPS-ის საშუალებით ჯერ კიდევ ექსპერიმენტულ ეტაპზეა და ჯერ არ არის ინდუსტრიული.
5. გაზის წნევის აგლუმები (GPS):გაზის წნევის გამოყენებით, ეს მეთოდი აფერხებს კერამიკის დაშლას და წონის კლებას მაღალ ტემპერატურაზე. უფრო ადვილია მაღალი სიმკვრივის კერამიკის დამზადება და საშუალებას იძლევა სერიული წარმოება. თუმცა, ერთსაფეხურიანი გაზის წნევით შედუღების პროცესი იბრძვის სტრუქტურული კომპონენტების წარმოებისთვის ერთიანი შიდა და გარე ფერის და სტრუქტურის მქონე. ორსაფეხურიანი ან მრავალსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესის გამოყენებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს მარცვლოვანი ჟანგბადის შემცველობა, გააუმჯობესოს თბოგამტარობა და გააძლიეროს საერთო თვისებები.
თუმცა, ორსაფეხურიანი გაზის წნევით შედუღების მაღალმა ტემპერატურამ განაპირობა წინა კვლევების ფოკუსირება ძირითადად Si₃N4 კერამიკული სუბსტრატების მომზადებაზე მაღალი თბოგამტარობით და ოთახის ტემპერატურაზე ღუნვის სიძლიერით. ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებების და მაღალი ტემპერატურის მექანიკური თვისებების მქონე Si₃N4 კერამიკაზე კვლევა შედარებით შეზღუდულია.
გაზის წნევის ორსაფეხურიანი აგლომერაციის მეთოდი Si₃N4-ისთვის
Yang Zhou-მ და კოლეგებმა Chongqing-ის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტიდან გამოიყენეს აგლომერაციის დამხმარე სისტემა 5 wt.% Yb2O3 + 5 wt.% Al2O3 Si3N4 კერამიკის მოსამზადებლად, როგორც ერთსაფეხურიანი, ასევე ორსაფეხურიანი გაზის წნევით შედუღების პროცესების გამოყენებით 1800°C-ზე. ორსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესით წარმოებულ Si3N4 კერამიკას ჰქონდა უფრო მაღალი სიმკვრივე და უკეთესი ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებები. ქვემოთ მოცემულია ერთსაფეხურიანი და ორსაფეხურიანი გაზის წნევით შედუღების პროცესების ზემოქმედება Si3N4 კერამიკული კომპონენტების მიკროსტრუქტურასა და მექანიკურ თვისებებზე.
სიმკვრივე Si₃N4-ის გამკვრივების პროცესი ჩვეულებრივ მოიცავს სამ ეტაპს, ეტაპებს შორის გადახურვით. პირველი ეტაპი, ნაწილაკების გადაწყობა და მეორე ეტაპი, დაშლა-ნალექი, ყველაზე კრიტიკული ეტაპებია გამკვრივებისთვის. ამ ეტაპებზე რეაქციის საკმარისი დრო მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს ნიმუშის სიმკვრივეს. როდესაც ორსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესისთვის წინასწარი შედუღების ტემპერატურა დაყენებულია 1600°C-მდე, β-Si3N4 მარცვლები ქმნიან ჩარჩოს და ქმნიან დახურულ ფორებს. წინასწარ შედუღების შემდეგ, შემდგომი გათბობა მაღალი ტემპერატურისა და აზოტის წნევის ქვეშ ხელს უწყობს თხევადი ფაზის ნაკადს და შევსებას, რაც ხელს უწყობს დახურული ფორების აღმოფხვრას, შემდგომში აუმჯობესებს Si3N4 კერამიკის სიმკვრივეს. მაშასადამე, ორსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესის შედეგად წარმოებული ნიმუშები აჩვენებენ უფრო მეტ სიმკვრივეს და ფარდობით სიმკვრივეს, ვიდრე ერთსაფეხურიანი აგლომერაციის შედეგად მიღებული ნიმუშები.
ფაზა და მიკროსტრუქტურა ერთსაფეხურიანი აგლომერაციის დროს ნაწილაკების გადაწყობისა და მარცვლის საზღვრის დიფუზიისთვის ხელმისაწვდომი დრო შეზღუდულია. ორსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესში, პირველი ნაბიჯი ტარდება დაბალ ტემპერატურაზე და გაზის დაბალ წნევაზე, რაც ახანგრძლივებს ნაწილაკების გადაწყობის დროს და იწვევს უფრო დიდ მარცვლებს. შემდეგ ტემპერატურა იზრდება მაღალტემპერატურულ სტადიამდე, სადაც მარცვლები აგრძელებენ ზრდას Ostwald-ის მომწიფების პროცესში, რაც იძლევა მაღალი სიმკვრივის Si₃N4 კერამიკას.
მექანიკური თვისებები მარცვლოვანი ფაზის დარბილება მაღალ ტემპერატურაზე არის შემცირებული სიმტკიცის მთავარი მიზეზი. ერთსაფეხურიანი აგლომერაციისას, მარცვლის არანორმალური ზრდა ქმნის მცირე ფორებს მარცვლებს შორის, რაც ხელს უშლის მაღალი ტემპერატურის სიმტკიცის მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას. თუმცა, ორსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესში, მინის ფაზა, რომელიც თანაბრად არის განაწილებული მარცვლის საზღვრებში, და ერთგვაროვანი ზომის მარცვლები აძლიერებს მარცვლოვან სიმტკიცეს, რაც იწვევს მაღალ ტემპერატურაზე მოსახვევის სიმტკიცეს.
დასკვნის სახით, ერთსაფეხურიანი აგლომერაციის დროს ხანგრძლივმა შეკავებამ შეიძლება ეფექტურად შეამციროს შიდა ფორიანობა და მიაღწიოს ერთგვაროვან შიდა ფერს და სტრუქტურას, მაგრამ შეიძლება გამოიწვიოს მარცვლების არანორმალური ზრდა, რაც ამცირებს გარკვეულ მექანიკურ თვისებებს. ორსაფეხურიანი აგლომერაციის პროცესის გამოყენებით - დაბალი ტემპერატურის წინასწარ შედუღების გამოყენებით ნაწილაკების გადაწყობის დროის გასახანგრძლივებლად და მაღალი ტემპერატურის შეკავება მარცვლის ერთგვაროვანი ზრდისთვის - Si3N4 კერამიკა ფარდობითი სიმკვრივით 98,25%, ერთიანი მიკროსტრუქტურით და შესანიშნავი ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებებით. შეიძლება წარმატებით მომზადდეს.
| სახელი | სუბსტრატი | ეპიტაქსიალური შრის შემადგენლობა | ეპიტაქსიური პროცესი | ეპიტაქსიალური საშუალო |
| სილიკონი ჰომეპიტაქსიური | Si | Si | ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია (VPE) | SiCl4+H2 |
| სილიციუმის ჰეტეროეპიტაქსიური | საფირონი ან სპინელი | Si | ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs ჰომეპიტაქსიური | GaAs | GaAs GaAs | ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია (MBE) | გა+ას | |
| GaAs ჰეტეროეპიტაქსიური | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | თხევადი ფაზის ეპიტაქსია (LPE) ორთქლის ფაზა (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP ჰომეპიტაქსიური | GaP | GaP (GaP;N) | თხევადი ფაზის ეპიტაქსია (LPE) თხევადი ფაზის ეპიტაქსია (LPE) | Ga+GaP+H2+ (NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| სუპერლათი | GaAs | GaAlAs/GaAs (ციკლი) | მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP ჰომეპიტაქსიალური | InP | InP | ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია (VPE) თხევადი ფაზის ეპიტაქსია (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H2 |
| Si/GaAs ეპიტაქსია | Si | GaAs | მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია (MBE) MOGVD | გა, როგორც GaR3+AsH3+H2 |
გამოქვეყნების დრო: დეკ-24-2024