Abstrak:keramik borida suhu tinggi memiliki titik leleh tinggi, konduktivitas termal tinggi, kekerasan tinggi, stabilitas kimia yang sangat baik dan ketahanan yang baik terhadap oksidasi suhu tinggi. Oleh karena itu, di bidang kedirgantaraan, diterapkan pada nosel roket dan dapat menahan suhu tinggi 1600 ℃ dan keausan erosi. Di bidang penerbangan, dapat menggantikan superalloy tradisional sebagai material bilah turbin. Di bidang industri nuklir, dapat digunakan sebagai material penghalang dan material kendali reaktor atom. Di bidang industri tradisional, dapat digunakan untuk membuat tabung pelindung termokopel tahan terhadap oksidasi suhu tinggi, dan juga dapat menggantikan grafit tradisional untuk meningkatkan masa pakai wadah. Untuk berbagai aplikasinya, proses pembuatan keramik borida suhu tinggi juga berbeda. Makalah ini akan menganalisis situasi terkini dari proses preparasi keramik borida suhu tinggi.
Sebagian besar bahan keramik bersuhu tinggi memiliki ikatan kovalen yang kuat dan sulit untuk disinter dan dipadatkan, sehingga sebagian besar bahan keramik perlu disiapkan pada suhu tinggi dan tekanan tinggi. Saat ini, metode Densifikasi Sintering yang umum pada bahan keramik suhu tinggi borida meliputi: metode sintering pengepresan panas, metode sintering reaksi, metode sintering plasma pelepasan, dan metode sintering tanpa tekanan lainnya.
Pengurangan ukuran partikel dapat menurunkan suhu dan tekanan sintering, namun terlalu kecil akan menyebabkan reaksi oksidasi
Umumnya, suhu persiapan keramik suhu tinggi borida murni di atas 2000 ℃ dan tekanannya 20 ~ 30MPa, sehingga mewujudkan Densifikasi Sintering. Belakangan diketahui bahwa memperkecil ukuran partikel dari partikel yang akan disinter dapat menurunkan suhu dan tekanan sintering dalam kisaran tertentu. Ketika ukuran partikel rata-rata zirkonium borida dikurangi menjadi 2 μm. Keramik borida padat penuh hanya perlu disinter pada suhu 1900 ℃ dan 32Mpa selama 45 menit. Jika ukuran partikel terlalu kecil, reaksi oksidasi mudah terjadi, dan oksida dihasilkan untuk menghambat difusi bahan sintering.
Selain itu, dengan menambahkan bahan tambahan logam seperti aluminium, kromium dan nikel atau bahan tambahan keramik seperti silikon karbida, suhu sintering dapat dikurangi dan kekompakan dapat ditingkatkan. Institut Teknologi Harbin dan Universitas Tsinghua telah menggunakan metode sintering pengepresan panas untuk menyiapkan keramik komposit berkinerja tinggi dengan cara ini.
Sintering reaktif memiliki keunggulan Densifikasi Sintering dan sintesis in-situ
Reaksi kimia bahan baku menghasilkan produk baru dengan termodinamika stabil, dan dilakukan Densifikasi Sintering secara bersamaan. Proses ini merupakan sintering reaktif. Hal ini menghemat waktu dan meningkatkan produktivitas, namun kelemahannya adalah proses reaksi tidak mudah dikendalikan. Sintering reaksi digunakan untuk membuat keramik komposit suhu tinggi zirkonium borida, hafnium borida dan silikon karbida karena memiliki keunggulan Densifikasi Sintering dan sintesis in-situ. Rumus reaksinya adalah sebagai berikut:
2Zr+Si+B4C→2ZrB2+SiC
(2 + x)Hf + (1 - x)Si + B4C→2HfB2 + (1 - x)SiC + xHfC
Sampai batas tertentu, silikon karbida yang dihasilkan melalui sintering reaksi in-situ mengurangi suhu yang diperlukan untuk sintering dan mempengaruhi struktur mikro produk. Suhu sintering reaksi biasa adalah 2100 ℃, suhu sintering reaksi hanya 1650 ℃, dan ukuran partikel rata-rata sintering reaksi biasa adalah 12 μm. Diameter butiran rata-rata sekarang adalah 2 m。
Teknologi sintering plasma percikan muncul terlambat, tetapi digunakan secara luas
Proses sintering plasma percikan muncul kemudian. Pertama, logam atau serbuk lainnya dimasukkan ke dalam cetakan, dan bubuk sinter dikerjakan dengan elektroda listrik dan die punch, dan kemudian metalurgi serbuk kinerja tinggi disiapkan melalui aktivasi elektroda, deformasi suhu tinggi, dan pendinginan akhir. Saat ini, metode ini banyak digunakan dalam sintering densifikasi keramik bersuhu sangat tinggi.
Institut Silikat, Akademi Ilmu Pengetahuan China dan lainnya menggunakan teknologi sintering plasma percikan untuk menyiapkan komposit ZrB2 SiC dengan kepadatan relatif 98,5% dengan menggunakan bubuk Zr, B4C dan Si sebagai bahan awal pada 1450 ℃ dan 30 MPa.
Sintering tanpa tekanan lebih ekonomis tetapi membutuhkan lebih banyak
Dibandingkan dengan sintering pengepresan panas, sintering tanpa tekanan memiliki efisiensi lebih tinggi dan lebih ekonomis. Sintering dapat dilakukan dengan memurnikan partikel dan menambahkan aditif. Penelitian sebelumnya percaya bahwa borida murni fase tunggal tidak dapat menyelesaikan sintering densifikasi di bawah lingkungan tanpa tekanan, namun para peneliti di dalam dan luar negeri telah menyiapkan keramik komposit dengan kepadatan tinggi di bawah lingkungan tanpa tekanan melalui eksperimen, namun biayanya adalah menambahkan aditif sintering. Dalam penelitian terbaru, peneliti asing menyiapkan keramik ZrB2 dengan kepadatan lebih dari 95% dalam kondisi sintering tanpa tekanan. Namun Densifikasi Sintering ini hanya dapat diselesaikan dengan menambahkan berbagai macam aditif seperti AlN (15wt.%), BN (5wt.%) dan SiC (5wt.%). Singkatnya, metode ini memerlukan aditif yang lebih tinggi untuk sintering. Lihat Tabel 1 untuk perbandingan kelebihan dan kekurangan metode Sintering Densifikasi empat bahan keramik borida suhu tinggi.
Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of Sintering Densification methods of boride high temperature ceramic materials
(sumber: penyortiran data publik)
Epilog
Keramik borida suhu tinggi memiliki titik leleh tinggi, konduktivitas termal tinggi, kekerasan tinggi, stabilitas kimia yang sangat baik, dan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang baik. Ini banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, industri nuklir dan bidang lainnya. Saat ini, metode Densifikasi Sintering yang umum pada bahan keramik suhu tinggi borida meliputi sintering pengepresan panas, sintering reaksi, sintering plasma pelepasan, dan sintering tanpa tekanan. Mengurangi ukuran partikel pada metode sintering pengepresan panas dapat menurunkan suhu dan tekanan sintering, namun jika terlalu kecil akan terjadi reaksi oksidasi. Metode sintering reaktif memiliki kelebihan pada sintesis in-situ dan Densifikasi Sintering, menghemat waktu dan meningkatkan produktivitas, namun kelemahannya adalah proses reaksi tidak mudah dikendalikan. Teknologi sintering plasma percikan muncul terlambat, tetapi digunakan secara luas. Sintering tanpa tekanan relatif ekonomis, tetapi persyaratan aditifnya lebih banyak.
