Keramik silikon karbida (SiC) menempati tempat penting di antara keramik struktural bersuhu tinggi karena koefisien muai panasnya yang rendah, konduktivitas termal yang tinggi, kekerasan yang tinggi, stabilitas termal yang baik, dan stabilitas kimia yang sangat baik. Mereka banyak digunakan dalam aplikasi luar angkasa, energi nuklir, militer, dan semikonduktor.
Karena SiC memiliki ikatan kovalen yang sangat kuat dan koefisien difusi yang sangat rendah, mencapai densifikasi penuh keramik SiC sangatlah sulit. Untuk mengatasi hal ini, beberapa teknik sintering telah dikembangkan, termasuk sintering reaksi, sintering keadaan padat tanpa tekanan, sintering fasa cair tanpa tekanan, pengepresan panas, dan sintering rekristalisasi.
01 Reaksi Sintering
Proses pembuatan keramik silikon karbida terikat reaksi (RBSC) adalah sebagai berikut: pertama, serbuk SiC, serbuk karbon, dan bahan pengikat organik dicampur secara merata dengan perbandingan tertentu dan dibentuk menjadi benda berwarna hijau; kemudian, silikon diinfiltrasi pada suhu tinggi. Silikon bereaksi dengan karbon membentuk SiC sekunder, yang mengikat partikel SiC asli menjadi satu. Terakhir, silikon bebas sisa mengisi pori-pori, menghasilkan densifikasi keramik RBSC yang tinggi.
Selama reaksi sintering, untuk memastikan infiltrasi silikon lengkap, benda hijau ( ‑SiC + C) harus memiliki porositas yang cukup; jika tidak, hanya bagian permukaan yang akan mengalami silisifikasi, sedangkan karbon yang tidak bereaksi dan sejumlah kecil pori-pori akan tetap berada di bagian tengah. Oleh karena itu, kepadatan penghijauan harus dikontrol secara ketat. Kepadatan hijau yang sesuai dapat diperoleh dengan mengatur kandungan ‑SiC dan karbon dalam campuran awal, distribusi ukuran partikel ‑SiC, bentuk dan ukuran karbon, serta tekanan pembentukan.
Sintering reaksi adalah proses berbentuk hampir bersih dengan hampir tidak ada penyusutan atau perubahan dimensi selama sintering. Produk ini menawarkan keunggulan seperti suhu sintering yang rendah, kepadatan produk yang tinggi, dan biaya produksi yang rendah, sehingga cocok untuk pembuatan produk keramik SiC berukuran besar dan berbentuk kompleks. Dalam beberapa tahun terakhir, seiring dengan peningkatan ukuran wafer dan suhu perlakuan panas, SiC yang terikat reaksi secara bertahap menggantikan kaca kuarsa. Komponen SiC dengan kemurnian tinggi yang mengandung beberapa fase silikon sisa dapat diproduksi menggunakan bubuk SiC dengan kemurnian tinggi dan silikon dengan kemurnian tinggi, dan ini banyak digunakan sebagai perlengkapan pendukung untuk tabung elektron dan peralatan pembuatan wafer semikonduktor.
Proses Sintering Tanpa Tekanan
Sintering tanpa tekanan terutama dibagi menjadi sintering keadaan padat dan sintering fase cair.
Sintering Solid-State
Pada tahun 1974, S. Prochazka pertama kali menggunakan proses sintering tanpa tekanan dengan menambahkan sejumlah kecil boron dan karbon ke bubuk halus ‑SiC dengan kemurnian tinggi, dan berhasil memperoleh benda sinter SiC dengan kepadatan relatif lebih besar dari 98% pada derajat 2020. Keramik SiC sinter keadaan padat memerlukan suhu tinggi, namun sifat fisikokimianya stabil, terutama tanpa perubahan kekuatan suhu tinggi, sehingga memberikan nilai aplikasi khusus.
Dalam sistem sintering solid-state, berbagai aditif sintering diperkenalkan. Sistem yang paling umum adalah sistem B‑C, di mana bubuk B dan C atau bubuk B₄C langsung ditambahkan sebagai alat bantu sintering. Sistem ini biasanya memadat pada suhu 1900–2100 derajat dan menghasilkan keramik SiC dengan sifat yang baik. Sistem Al‑C juga sering digunakan; Logam Al adalah bahan tambahan kedua yang paling efektif setelah boron. Selain itu, sistem AlN‑C digunakan untuk sintering SiC. Dibandingkan dengan B, penambahan AlN efektif menekan pertumbuhan butir SiC.
Sintering keramik SiC dalam keadaan padat terutama bergantung pada mekanisme difusi keadaan padat untuk pemadatan. Penambahan zat padat membantu mendorong pertumbuhan butir SiC sekaligus menghindari pembentukan fase cair. Namun, sistem ini memiliki keterbatasan tertentu: pertama, suhu sintering harus dipertahankan pada kisaran tinggi 1900–2100 derajat, yang tidak hanya menghabiskan banyak energi tetapi juga memerlukan persyaratan yang ketat pada peralatan; kedua, suhu tinggi dapat menyebabkan pertumbuhan butiran tidak normal, sehingga merusak sifat material; ketiga, pemadatan penuh seringkali memerlukan waktu penahanan yang lama; lebih jauh lagi, proses ini mempunyai tuntutan yang ketat pada ukuran partikel, kemurnian, dan keseragaman bubuk awal.
Sintering Fase Cair
Sintering fase cair melibatkan penambahan sejumlah oksida eutektik rendah multikomponen ke bahan mentah, yang membentuk fase cair pada suhu tinggi. Hal ini mengubah mekanisme perpindahan massa dari difusi ke aliran kental, sehingga menurunkan energi yang dibutuhkan untuk pemadatan dan suhu sintering. Pada saat yang sama, pengenalan fase cair batas butir secara signifikan meningkatkan kekuatan dan ketangguhan material.
Dalam sintering fase cair SiC yang melibatkan Al₂O₃, Al₂O₃ bereaksi dengan SiO₂ pada permukaan partikel SiC pada suhu tinggi untuk membentuk fase cair, yang bertindak sebagai fase batas butir dan menyediakan jalur difusi, melumasi partikel SiC dan mendorong penataan ulang dan pemadatan partikel. Sintering fase cair SiC dikendalikan oleh mekanisme disolusi-represipitasi, dan perilaku sinteringnya sangat dipengaruhi oleh karakteristik bahan mentah, termasuk ukuran partikel awal, distribusi ukuran, kandungan pengotor, dan komposisi fase kristal. Sementara itu, suhu sintering sampai batas tertentu dipengaruhi oleh jumlah bantuan sintering; bantuan fase cair dalam jumlah yang tepat dapat menurunkan suhu sintering secara signifikan, namun dapat mempengaruhi sifat-sifatnya sampai tingkat tertentu.
Sistem sintering fase cair yang paling umum untuk SiC adalah sistem Al₂O₃‑Y₂O₃, yang selanjutnya memperkenalkan Y₂O₃ berdasarkan Al₂O₃ sebagai aditif, membentuk sistem Al₂O₃‑Y₂O₃. Sistem ini secara efektif mengurangi suhu sintering SiC dan meningkatkan struktur mikro dan sifat material.
03 Pengepresan Panas
Pengepresan panas melibatkan pengisian bubuk SiC kering ke dalam cetakan grafit berkekuatan tinggi dan menerapkan tekanan aksial saat pemanasan, mengontrol proses dengan parameter tekanan‑suhu‑waktu yang sesuai untuk mencapai sintering dan pembentukan SiC. Aditif untuk SiC yang dipres panas meliputi Al, Fe, B, B₄C, Al₂O₃, AlN, BeO, B+C, dll. Mekanisme pemadatan aditif ini secara kasar dapat dibagi menjadi dua kategori: satu membentuk fase cair dengan pengotor dalam SiC untuk mendorong sintering, dan yang lainnya membentuk larutan padat dengan SiC, mengurangi energi batas butir dan mendorong sintering.
Karena pemanasan dan pengepresan terjadi secara bersamaan dalam pengepresan panas, serbuk berada dalam keadaan termoplastik, yang memfasilitasi difusi kontak dan perpindahan massa aliran kental. Hal ini memungkinkan produk keramik SiC dengan butiran halus, kepadatan relatif tinggi, dan sifat mekanik yang baik diperoleh pada suhu sintering yang lebih rendah dan waktu yang lebih singkat. Kelemahan dari proses ini adalah peralatan dan prosedurnya yang rumit, bahan cetakan yang banyak menuntut, kemampuan produksi yang terbatas hanya dalam bentuk yang sederhana, produktivitas yang rendah, dan biaya produksi yang tinggi. Namun, dalam manufaktur semikonduktor, di mana persyaratan kinerja bahan keramik yang digunakan dalam instrumen dan komponen presisi sangat tinggi, pengendalian komposisi, kemurnian, dan densifikasi jauh lebih penting daripada biaya ekonomis. Selain itu, tingginya nilai tambah produk membuat pengepresan panas menjadi sangat penting.
04 Sintering Rekristalisasi
Sintering rekristalisasi telah menarik perhatian luas karena tidak memerlukan bantuan sintering. Ini adalah metode paling umum untuk memproduksi komponen keramik SiC berukuran besar dengan kemurnian sangat tinggi. Proses preparasi keramik SiC rekristalisasi adalah sebagai berikut: serbuk SiC kasar dan halus dengan ukuran partikel berbeda dicampur dalam perbandingan tertentu, dan benda hijau dibentuk dengan cara slip casting, die press, ekstrusi, atau metode lainnya; kemudian, benda hijau tersebut disinter pada suhu 2200–2450 derajat dalam atmosfer inert. Akhirnya, partikel halus secara bertahap menguap ke dalam fase uap dan mengembun pada titik kontak partikel kasar, membentuk keramik rekristalisasi.
Sintering rekristalisasi menawarkan keuntungan tambahan: selama sintering, bodi hijau hampir tidak mengalami penyusutan, sehingga tidak rentan terhadap retak atau distorsi, sehingga komponen keramik berbentuk kompleks dan berpresisi tinggi dapat diproduksi; ketika menyiapkan keramik rekristalisasi berpori, porositas dan distribusi ukuran pori dapat dengan mudah dikontrol dalam rentang yang sempit; keramik rekristalisasi memiliki struktur berpori tiga dimensi yang saling berhubungan, sebagian besar pori-pori terbuka, sehingga cocok untuk infiltrasi fase kedua untuk menghasilkan komposit.