Սիլիցիումի նիտրիդ (Si3N4) կերամիկա, որպես առաջադեմ կառուցվածքային կերամիկա, ունի հիանալի հատկություններ, ինչպիսիք են բարձր ջերմաստիճանի դիմադրությունը, բարձր ամրությունը, բարձր ամրությունը, բարձր կարծրությունը, սողացող դիմադրությունը, օքսիդացման դիմադրությունը և մաշվածության դիմադրությունը: Բացի այդ, նրանք առաջարկում են լավ ջերմային ցնցումների դիմադրություն, դիէլեկտրական հատկություններ, բարձր ջերմային հաղորդունակություն և բարձր հաճախականությամբ էլեկտրամագնիսական ալիքների փոխանցման գերազանց կատարում: Այս ակնառու համապարփակ հատկությունները ստիպում են դրանք լայնորեն օգտագործել բարդ կառուցվածքային բաղադրիչներում, հատկապես օդատիեզերական և բարձր տեխնոլոգիաների այլ ոլորտներում:
Այնուամենայնիվ, Si3N4-ը, լինելով ուժեղ կովալենտային կապերով միացություն, ունի կայուն կառուցվածք, որը դժվարացնում է սինթրումը մինչև բարձր խտության միայն պինդ վիճակում դիֆուզիայի միջոցով: Պղտորումը խթանելու համար ավելացվում են սինթրեման օժանդակ միջոցներ, ինչպիսիք են մետաղների օքսիդները (MgO, CaO, Al2O3) և հազվագյուտ հողային օքսիդները (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), որպեսզի հեշտացնեն խտացումը հեղուկ փուլային սինթեզման մեխանիզմի միջոցով:
Ներկայումս կիսահաղորդչային սարքերի գլոբալ տեխնոլոգիան զարգանում է դեպի ավելի բարձր լարումներ, ավելի մեծ հոսանքներ և ավելի մեծ էներգիայի խտություն: Si₃N4 կերամիկայի պատրաստման մեթոդների հետազոտությունները ծավալուն են: Այս հոդվածը ներկայացնում է սինթրման գործընթացներ, որոնք արդյունավետորեն բարելավում են սիլիցիումի նիտրիդային կերամիկայի խտությունը և համապարփակ մեխանիկական հատկությունները:
Si₃N4 կերամիկայի ընդհանուր սինթրեման մեթոդներ
Տարբեր սինթրեման մեթոդներով պատրաստված Si₃N4 կերամիկայի համար կատարողականի համեմատություն
1. Ռեակտիվ սինթերինգ (RS):Ռեակտիվ սինթրինգը առաջին մեթոդն էր, որն օգտագործվում էր արդյունաբերական եղանակով Si₃N4 կերամիկա պատրաստելու համար: Այն պարզ է, ծախսարդյունավետ և ընդունակ է ձևավորել բարդ ձևեր: Այնուամենայնիվ, այն ունի երկար արտադրական ցիկլ, որը չի նպաստում արդյունաբերական մասշտաբի արտադրությանը։
2. Առանց ճնշման սինթրինգ (PLS):Սա ամենատարրական և պարզ սինթերման գործընթացն է: Այնուամենայնիվ, այն պահանջում է բարձրորակ Si₃N4 հումք և հաճախ հանգեցնում է ավելի ցածր խտությամբ, զգալի կծկվող կերամիկայի և ճեղքման կամ դեֆորմացման միտումով:
3. Hot-Press Sintering (HP):Միասռնի մեխանիկական ճնշման կիրառումը մեծացնում է սինթրման շարժիչ ուժը, ինչը թույլ է տալիս խիտ կերամիկա արտադրել 100-200°C ցածր ջերմաստիճանում, քան այն, որն օգտագործվում է առանց ճնշման սինթրման ժամանակ: Այս մեթոդը սովորաբար օգտագործվում է համեմատաբար պարզ բլոկաձև կերամիկա պատրաստելու համար, սակայն դժվար է բավարարել հիմքի նյութերի հաստության և ձևի պահանջները:
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS-ը բնութագրվում է արագ թրծմամբ, հացահատիկի զտմամբ և ցրման ջերմաստիճանի իջեցմամբ: Այնուամենայնիվ, SPS-ը պահանջում է զգալի ներդրումներ սարքավորումների մեջ, և SPS-ի միջոցով բարձր ջերմային հաղորդունակության Si3N4 կերամիկայի պատրաստումը դեռ փորձնական փուլում է և դեռևս արդյունաբերականացված չէ:
5. Գազի ճնշման սինթրինգ (GPS):Գազի ճնշում գործադրելով՝ այս մեթոդը արգելակում է կերամիկական տարրալուծումը և քաշի կորուստը բարձր ջերմաստիճանում։ Ավելի հեշտ է արտադրել բարձր խտության կերամիկա և հնարավորություն է տալիս խմբաքանակի արտադրությունը: Այնուամենայնիվ, գազի ճնշման մեկ փուլով սինթրման գործընթացը պայքարում է կառուցվածքային բաղադրիչների արտադրության համար, որոնք ունեն միասնական ներքին և արտաքին գույն և կառուցվածք: Երկաստիճան կամ բազմաստիճան սինթրման գործընթացի օգտագործումը կարող է զգալիորեն նվազեցնել միջգրանային թթվածնի պարունակությունը, բարելավել ջերմային հաղորդունակությունը և բարելավել ընդհանուր հատկությունները:
Այնուամենայնիվ, գազի ճնշման երկաստիճան սինթրման բարձր ջերմաստիճանը ստիպել է նախորդ հետազոտություններին կենտրոնանալ հիմնականում Si3N4 կերամիկական ենթաշերտերի պատրաստման վրա՝ բարձր ջերմահաղորդականությամբ և սենյակային ջերմաստիճանի ճկման ուժով: Համապարփակ մեխանիկական հատկություններով և բարձր ջերմաստիճանի մեխանիկական հատկություններով Si₃N4 կերամիկայի վերաբերյալ հետազոտությունները համեմատաբար սահմանափակ են:
Si₃N4-ի գազի ճնշման երկքայլ սինթրման մեթոդ
Յան Չժուն և Չունցինի տեխնոլոգիական համալսարանի գործընկերները օգտագործել են 5 wt.% Yb2O3 + 5 wt.% Al2O3 սինտրինգի օժանդակ համակարգ Si3N4 կերամիկա պատրաստելու համար՝ օգտագործելով և՛ մեկ քայլ, և՛ երկու քայլ գազի ճնշման սինթրման գործընթացները 1800°C-ում: Երկաստիճան սինթրման գործընթացով արտադրված Si₃N4 կերամիկա ուներ ավելի մեծ խտություն և ավելի լավ համապարփակ մեխանիկական հատկություններ: Հետևյալն ամփոփում է մեկ փուլով և երկքայլ գազի ճնշման սինթրման գործընթացների ազդեցությունը Si3N4 կերամիկական բաղադրիչների միկրոկառուցվածքի և մեխանիկական հատկությունների վրա:
Խտություն Si₃N4-ի խտացման գործընթացը սովորաբար ներառում է երեք փուլ՝ փուլերի միջև համընկնմամբ: Առաջին փուլը՝ մասնիկների վերադասավորումը և երկրորդ փուլը՝ տարրալուծում-տեղումներ, խտացման համար ամենակրիտիկական փուլերն են։ Այս փուլերում արձագանքման բավարար ժամանակը զգալիորեն բարելավում է նմուշի խտությունը: Երբ երկքայլ սինթեզման գործընթացի նախնական թրծման ջերմաստիճանը սահմանվում է 1600°C, β-Si3N4 հատիկները կազմում են շրջանակ և ստեղծում փակ ծակոտիներ։ Նախնական սինթինգից հետո բարձր ջերմաստիճանի և ազոտի ճնշման տակ հետագա տաքացումը նպաստում է հեղուկ փուլի հոսքին և լցոնմանը, ինչը օգնում է վերացնել փակ ծակոտիները՝ հետագայում բարելավելով Si3N4 կերամիկայի խտությունը: Հետևաբար, երկաստիճան սինթրման գործընթացի արդյունքում ստացված նմուշները ցույց են տալիս ավելի մեծ խտություն և հարաբերական խտություն, քան մեկ քայլով արտադրվածները:
Փուլ և միկրոկառուցվածք Մեկ քայլ սինթրինգի ժամանակ մասնիկների վերադասավորման և հատիկների սահմանային դիֆուզիայի համար հասանելի ժամանակը սահմանափակ է: Երկաստիճան սինթրման գործընթացում առաջին քայլն իրականացվում է ցածր ջերմաստիճանի և գազի ցածր ճնշման դեպքում, ինչը երկարացնում է մասնիկների վերադասավորման ժամանակը և հանգեցնում է ավելի մեծ հատիկների: Այնուհետև ջերմաստիճանը բարձրացվում է մինչև բարձր ջերմաստիճանի փուլ, որտեղ հացահատիկները շարունակում են աճել Օստվալդի հասունացման գործընթացում՝ ստանալով բարձր խտության Si3N4 կերամիկա:
Մեխանիկական հատկություններ Բարձր ջերմաստիճաններում միջհատիկավոր փուլի փափկեցումը ուժի նվազման հիմնական պատճառն է: Մեկ քայլով սինթրման ժամանակ հացահատիկի աննորմալ աճը մանր ծակոտիներ է ստեղծում հատիկների միջև, ինչը կանխում է բարձր ջերմաստիճանի ամրության զգալի բարելավումը: Այնուամենայնիվ, երկաստիճան սինթրման գործընթացում ապակու փուլը, որը հավասարաչափ բաշխված է հատիկների սահմաններում, և միատեսակ չափի հատիկները մեծացնում են միջհատիկավոր ուժը, ինչը հանգեցնում է բարձր ջերմաստիճանի ճկման ուժի:
Եզրափակելով, մեկ քայլ սինթրման ժամանակ երկար պահելը կարող է արդյունավետորեն նվազեցնել ներքին ծակոտկենությունը և հասնել միասնական ներքին գույնի և կառուցվածքի, բայց կարող է հանգեցնել հացահատիկի աննորմալ աճի, ինչը քայքայում է որոշակի մեխանիկական հատկություններ: Երկաստիճան սինթրման գործընթացի կիրառմամբ՝ օգտագործելով ցածր ջերմաստիճանի նախնական սինթինգ՝ մասնիկների վերադասավորման ժամանակը երկարացնելու և բարձր ջերմաստիճանի պահպանումը՝ հացահատիկի միատեսակ աճը խթանելու համար, Si3N4 կերամիկա՝ հարաբերական խտությամբ 98,25%, միասնական միկրոկառուցվածքով և գերազանց համապարփակ մեխանիկական հատկություններով։ կարելի է հաջողությամբ պատրաստել:
| Անուն | Սուբստրատ | Էպիտաքսիալ շերտի կազմը | Epitaxial գործընթաց | Epitaxial միջին |
| Սիլիկոնային հոմոէպիտաքսիալ | Si | Si | Գոլորշի փուլային էպիտաքսիա (VPE) | SiCl4+H2 |
| Սիլիկոնային հետերոէպիտաքսիալ | Շափյուղա կամ սպինել | Si | Գոլորշի փուլային էպիտաքսիա (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs հոմոէպիտաքսիալ | GaAs | GaAs GaAs | Գոլորշի փուլային էպիտաքսիա (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Մոլեկուլային ճառագայթների էպիտաքսիա (MBE) | Գա+Աս | |
| GaAs հետերոէպիտաքսիալ | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Հեղուկ փուլային էպիտաքսիա (LPE) Գոլորշի փուլ (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Գա+ԱշՀ3+PH3+CHl+H2 |
| GaP հոմոէպիտաքսիալ | GaP | GaP (GaP;N) | Հեղուկ փուլային էպիտաքսիա (LPE) Հեղուկ փուլային էպիտաքսիա (LPE) | Ga+GaP+H2+ (NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Գերվանդակ | GaAs | GaAlAs/GaAs (ցիկլ) | Մոլեկուլային ճառագայթների էպիտաքսիա (MBE) MOCVD | Կա, Աս, Ալ GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP հոմոէպիտաքսիալ | InP | InP | Գոլորշի փուլային էպիտաքսիա (VPE) Հեղուկ փուլային էպիտաքսիա (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H2 |
| Si/GaAs Epitaxy | Si | GaAs | Մոլեկուլային ճառագայթների էպիտաքսիա (MBE) MOGVD | Գա, Աս GaR3+AsH3+H2 |
Հրապարակման ժամանակը՝ Dec-24-2024