Processos comuns de sinterização para cerâmica de carboneto de silício
1. Sinterização de reação
O processo de sinterização por reação do carboneto de silício começa com a mistura de uma fonte de carbono e pó de carboneto de silício. Após a formação da mistura por fundição de barbotina, prensagem a seco ou prensagem isostática a frio, um corpo verde é preparado. Posteriormente, a reação de infiltração de silício ocorre aquecendo o corpo verde acima de 1500°C em vácuo ou atmosfera inerte. O silício sólido derrete em silício líquido, permeando o corpo verde através da ação capilar. A reação química entre o silício líquido (ou vapor de silício) e o carbono no corpo resulta na formação in-situ de β-SiC, que se liga às partículas de SiC existentes, formando material cerâmico de carboneto de silício sinterizado por reação. Os principais fatores que influenciam o desempenho do carboneto de silício sinterizado por reação incluem o tamanho e o tipo da fonte de carbono, o tamanho das partículas das matérias-primas de carboneto de silício, a porosidade do corpo verde, a temperatura de sinterização e o tempo de retenção. As vantagens da sinterização por reação incluem baixa temperatura de sinterização, baixo custo de produção e alta densificação do material, tornando-a particularmente adequada para a fabricação de componentes estruturais de grande porte e formatos complexos. As aplicações típicas incluem materiais de forno de alta temperatura, tubos de radiação, trocadores de calor e bicos de dessulfurização.
2. Sinterização sem pressão
A sinterização sem pressão do carboneto de silício ocorre sem aplicação de pressão externa. São adicionados auxiliares de sinterização adequados e a sinterização densa é alcançada entre 2.000°C e 2.150°C. O processo pode ser categorizado em sinterização em fase sólida e sinterização em fase líquida com base na forma do auxiliar de sinterização. A sinterização em fase sólida emprega B e C como auxiliares de sinterização, com outras opções incluindo B4C + C, BN + C, BP + C, AlB2 + C. A sinterização em fase sólida pode atingir alta densidade (3,10 - 3,15 g/cm³) sem intergranular fase vítrea, exibindo excelentes propriedades mecânicas em alta temperatura com temperatura de uso de até 1600°C. No entanto, se a temperatura de sinterização for muito alta, poderá resultar em tamanho de grão grande e redução da resistência à flexão. A sinterização em fase líquida utiliza certas quantidades de óxidos multicomponentes de baixo eutético como auxiliares de sinterização, alcançando a densificação do SiC em temperaturas mais baixas. O processo resulta em grãos equiaxiais finos e uniformes, e a introdução da fase líquida enfraquece a ligação da interface, levando à fratura transgranular completa e à resistência e tenacidade significativamente melhoradas. A sinterização sem pressão de carboneto de silício é uma tecnologia madura com vantagens como a capacidade de usar vários processos de modelagem, baixo custo de produção e a capacidade de atingir alta resistência e tenacidade com os aditivos apropriados. Os produtos industriais típicos incluem anéis de vedação resistentes ao desgaste e à corrosão, rolamentos deslizantes, entre outros.
3. Sinterização por Prensagem a Quente
A sinterização por prensagem a quente envolve o enchimento de pó de carboneto de silício seco em um molde de grafite de alta resistência. A aplicação simultânea de pressão axial e aquecimento sob condições controladas de pressão-temperatura-tempo resulta na sinterização e modelagem do carboneto de silício. O processo se beneficia da aplicação simultânea de calor e pressão, onde o pó se encontra no estado termoplástico, facilitando os processos de contato das partículas, difusão e transferência de massa em fluxo. Este método pode produzir cerâmicas de carboneto de silício com grãos finos, alta densidade relativa e excelentes propriedades mecânicas em temperaturas de sinterização mais baixas e tempos de sinterização mais curtos. No entanto, a complexidade dos equipamentos e processos, os elevados requisitos para materiais de molde, a aplicabilidade limitada a peças de formato simples, a baixa eficiência de produção e os elevados custos de produção são desvantagens notáveis. Como resultado, este método é adequado principalmente para aplicações especiais.
4. Sinterização por Prensagem Isostática a Quente (HIP)
O HIP envolve submeter materiais (pós, corpos verdes ou corpos sinterizados) a uma pressão equilibrada durante o processo de aquecimento, utilizando gases inertes como argônio ou nitrogênio como meio de transmissão de pressão. A combinação de alta temperatura e alta pressão promove a densificação. A tecnologia HIP pode produzir materiais totalmente homogêneos, microestruturalmente uniformes, de granulação fina e totalmente densos em temperaturas de sinterização mais baixas e tempos mais curtos. É adequado para a preparação de produtos de formato complexo, especialmente quando a baixa necessidade de pó é essencial para a preparação de cerâmicas de nanopartículas. A tecnologia permite o controle preciso das dimensões finais do produto, exigindo mínimo pós-processamento ou até mesmo possibilitando o uso direto sem processamento adicional. No entanto, a sinterização HIP é caracterizada por altas barreiras à tecnologia de encapsulamento, elevados custos de investimento e operacionais, limitando a sua aplicação generalizada.
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