Wpływ składu atmosfery na przebieg reakcyjnego spiekania ceramiki SiC.

• Autorzy: Serkowski S.

Warianty tytułu

EN

Influence of gas phase on the process of reaction-sintering SiC ceramic.

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Węglik krzemu jest materiałem o szczególnym znaczeniu w obszarze ceramiki zaawansowanej, ponieważ dzięki wysokiej trwałości i doskonałej wytrzymałości, również w wysokich temperaturach, znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. Dodatkowym atutem jest dobra odporność na utlenianie wynikająca z tworzenia się na jego powierzchni ochronnych warstewek SiO2. Odznacza się także wysoką odpornością na szoki termiczne jako wynik relatywnie niskiej rozszerzalności cieplnej i dobrego przewodnictwa ciepła. Wyroby z węglika krzemu można podzielić na trzy kategorie w zależności od techniki ich wytwarzania: reakcyjnego spiekania, spiekania pod ciśnieniem i spiekania (rekrystalizacji). Spiekanie reakcyjne to metoda polegająca na wytwarzaniu fazy wiążącej w spiekanym materiale w wyniku reakcji między węglem (lub jego prekursorem) a stałym lub ciekłym krzemem. Uzyskiwane w ten sposób tworzywa zawierają dość często nieprzereagowane resztki substratów. W układzie C-Si-O-N może powstawać szereg różnych faz: węglik krzemu, azotek krzemu, tlenoazotek krzemu oraz krzemionka. Dwa czynniki określają, które z tych faz stanowią fazy stabilne w tym systemie: temperatura i skład fazy gazowej. Także elementarne procesy syntezy faz stałych przebiegają z udziałem fazy gazowej i dlatego skład atmosfery ma istotny wpływ nie tylko na końcowy rezultat, ale i na szybkość procesów syntezy. W artykule określano warunki stabilności faz stałych w układzie C-Si-O-N. Równowagi miedzy SiC, Si3N4, Si2ON2, Si i SiO2 były określane dla różnych ciśnień parcjalnych tlenu i azotu przy założeniu wysokiej aktywności węgla. Badane próbki modelowe zawierające 40% mieszaniny reakcyjnej węgla i krzemu były spiekane w różnych atmosferach: wodoru, azotu, argonu i w zasypce koksowej. Wyniki analizy fazowej i badań mikroskopowych wykazały bardzo silny i przewidywalny wpływ atmosfery na skład spiekanego materiału. Także gęstość spieków i własności mechaniczne w silnym stopniu zależą od rodzaju fazy powstającej w fazie spiekania.

EN

Silicon carbide is an advanced engineering material that is expected to be used in a wide range of applications thanks to high hardness and good strength retention to high temperature. This phase has good oxidation resistance due to a protective SiO2 surface layer. Its thermal shock resistance is considered good for a ceramic due to its relatively low thermal expansion and high thermal conductivity. Silicon carbide in solid form can be grouped into three categories according to the processing used: reaction-sintered, hot-pressed and sintered. Reaction sintering refers to the reaction between carbon and silicon to form silicon carbide. A mixture of silicon carbide powder and carbon (or a carbonaceous precursor) is heated in the presence of solid or liquid silicon. The results is a nearly comlete conversion to silicon carbide, altough most materials made by this process contain an excess of carbon or silicon. In the system C-Si-O-N several different phase can be formed: silicon carbide, silicon nitride, oxy-silicon nitride and silica oxide. Two factors determine which product of the reaction in this system is stable: temperature and composition of gas phase. Also elementary processes of forming final phase run in gas phase so atmosphere has strong influence on speed of reaction and its final result. In the paper the stability of the phases in equilibrium is calculated for the C-Si-O-N system. Equilibria among SiC, Si3N4, Si2ON, Si, SiO2 and the gas phase are evaluated at different nitrogen and oxygen partial pressure for high carbon activity. Tested specimens containing 40% of the reaction mixture of carbon and silicon were sintered in different atmospheres: hydrogen, nitrogen, argon and under coal powder. Results of phase analysis and microscope observation show strong and predictable influence of gas phase for creating of final composition of sintered material. Density and mechanical behaviour also depend of the results of what kind of bonding phase was obtained.

Słowa kluczowe

PL

ceramika zaawansowana; węglik krzemu; spiekanie reakcyjne; faza gazowa; atmosfera; stabilność; aktywność węgla; mieszanina reakcyjna; analiza fazowa

EN

advanced ceramics; silicon carbide; reaction sintering; gas phase; atmosphere; stability; carbon activity; reaction mixture; phase analysis

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 1999
• Tom: R. XX, nr 3-4
• Strony: 163--167
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Serkowski S.

• Katedra Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej

• Politechnika Śląska, Katedra Nauki o Materiałach

Bibliografia

• [1] Papuch R.: Inżynieria Materiałowa, 2 (1995) 35-41
• [2] Schwartz A.: Handbook of Structural Ceramics, McGraw-Hill, Inc. 1992
• [3] Ghosh A., Jenkins M. G., White S. W., Kobayashi A. S., Bradt R. C.: Elevated Temperature Fracture Resistance of a Sintered a-Silicon Carbide, J. Am. Cer., Soc., vol. 72, pp. 242-247, 1989
• [4] Carroll D. F., Chuang T. J., Wiederhorn S. M.: A Comparison of Creep Rupture Behaviour in Tension and Bending, Ceram. Eng. Sci. Proc. Vol. 9, pp. 635-642, 1988
• [5] Carroll D. F., Tressler R. E.: Effect of Creep Demage on the Tensile Creep Behaviour of a Silicinized Silicon Carbide, J. Am. Cer. Soc., vol. 72, pp. 49-53, 198
• [6] Stobierski L.: Węglik krzemu. Prace Komisji Nauk Ceramicznych PAN, Ceramika 48, Kraków 1993
• [7] Striełow K.K.: Tieoreticzeskije osnowy technołogii ognieupomych matieriałow, Metałłurgia, Moskwa 1985