反应烧结碳化硅技术详解（RSSC）- 06 反应烧结 SiC 的制造：反应烧结

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6 反应烧结 SiC 的制造：反应烧结

优化 RSSC 烧结过程是一项复杂的任务，因为其涉及许多相互关联的因素。该过程的一些最重要方面如下：

• 炉子和炉气氛

• 烧结温度循环和 1500°C 以上范围内的精确温度控制 3.坩埚和硅供应系统

6.1 炉子和炉气氛

非氧化物陶瓷需要在真空或惰性气氛中烧结，惰性气氛通常是氩气或氮气。本质上，适用于烧结 SiC 陶瓷（无论是 RSSC 还是 DSSC）的炉子主要有两种类型：

• 感应炉和

• 石墨电阻炉

在这两种情况下，炉子都包含一个密封容器，其中是石墨基加热室。对于石墨电阻炉，加热石墨室的概念与感应炉根本不同。

6.1.1 感应炉

感应炉是世界各地金属铸造厂使用的标准技术。与微波加热的概念相似，感应加热使用射频能量进行加热（RF 加热），需要一个感应线圈。线圈由铜管组成，冷却水在其中循环，并从逆变器接收交流电。一个坩埚位于铜感应线圈内部。坩埚通过 RF 透明的绝缘材料与线圈进行电气和热隔离，以保护线圈免于熔化并与坩埚短路。对于 RSSC 工艺，使用石墨坩埚。

加热是通过交流电感应场与石墨坩埚的耦合实现的。

交流频率和交流功率根据石墨坩埚的要求进行调整，并根据坩埚和炉子负载的加热能量要求进行调整。坩埚通过热/电绝缘层与铜线圈进行热电隔离，该绝缘层对电磁感应场是透明的。用于 RSSC 装甲生产的典型感应炉功率水平在 100 千瓦量级。要烧结的陶瓷坯件与硅金属一起放置在石墨坩埚内，并由专门设计的石墨炉具支撑。

虽然听起来简单，但实际上它非常复杂，并提出了一些需要妥善管理的潜在挑战。此外，除了外部外壳之外，感应炉的几乎每个组件都是消耗品。主要消耗品如下：

• 石墨坩埚，每个的价格从数千美元到数万美元不等，具体取决于大小。

• 感应线圈，需要定期维护，包括铜线圈本身以及线圈匝数之间嵌入的绝缘材料。铜线圈具有有限的使用寿命，这主要是由于内部管道内 恒定高速水流引起的内部腐蚀，以及外部表面因电气短路引起的腐蚀。

• 热/电绝缘，需要定期翻新。

• 容纳硅和 RSSC 坯件的炉具。

如果它是真空感应炉，整个炉子组件都放在一个更大的真空室中，该真空室具有进料口以接收电源和冷却水。如果不是真空炉，线圈组件被密封，上下与炉体结构密封，使整个组件气密，用于环境压力惰性气体进料（环境氩气或氮气），并带有入口和出口端口到坩埚内部区域。

6.1.2 石墨电阻炉

石墨电阻炉的概念要简单得多。它本质上类似于传统炉子：内部隔热室，内部加热元件，以及用于支撑加热陶瓷坯件的内部炉具。内部隔热室使用多孔石墨隔热材料（纤维板和毡），石墨加热元件战略性地放置在其中。加热通过石墨加热元件的电阻加热进行。

整个组件都位于一个密封的较大的金属箱体内，通常外部炉体结构设有内部水冷。外部腔室通常是一个真空腔室，也能够在环境惰性气体气氛下操作。在某些情况下，外壳也能够承受压力，但通常这些炉子设计用于环境/真空条件。用于 RSSC 装甲生产的典型石墨电阻炉功率约为 100 kW。

6.2 烧结温度循环和 1500°C 以上范围内的精确温度控制

RSSC 工艺是在 1500°C 到 2300°C 的温度范围内进行的。下限由硅的熔点 (1410°C) 设定。超过 2200°C 对烧结结果几乎没有好处，并且会带来一些相关的风险。当烧结温度非常高时，RSSC 中的所有 SiC 都将转化为六方 SiC 多晶型，其密度与立方多晶型相同。要使用的精确温度取决于许多复杂因素，这些因素只能根据给定的炉子、给定的原料、给定的原料混合物和给定的硅进料系统进行优化。关键问题是，一旦温度被优化，就需要精确且可重复地遵守它，才能实现高质量的生产。

在 1500°C 以上范围内，温度测量的主要选项如下：

• 钨铼热电偶（2315°C 限值）和

• 光学高温计（无特定限值）。

钨铼热电偶是迄今为止最准确的系统，但需要注意以下几点：

• 热电偶寿命有限，它在工作极限附近停留的时间越长，寿命就越短。

• 钨铼热电偶很昂贵。

• 需要热电偶位置的一致性。它应该直接与坩埚壁接触，严格遵循指定位置并在每次炉运行时进行验证。

• 钨铼热电偶在高温下完全无法承受任何氧气。

耐氧化性最高的热电偶是 R 型铂-铑热电偶，其限值为 1460°C。这对于 RSSC 烧结来说太低。

6.2 对光学高温计的使用应谨慎

虽然光学高温计比钨铼热电偶便宜，但其准确性和可靠性远不如热电偶，尤其是在极端的 RSSC 温度下。它们存在一系列问题，其中最重要的是：

观察窗口（光学窗口）限制： 石英熔融石英在 1700°C 熔化，合成蓝宝石在 2000°C 熔化，尽管这两个窗口都不能在接近其熔点的地方稳定。蓝宝石只能稳定到 840°C，石英熔融石英在 1000°C 以上存在表面污垢时会重新结晶。因此，通过这样的窗口观察 2300°C 的炉子内部虽然可实现，但具有挑战性。精确瞄准非常困难，可以被认为是成功可重复生产的主要挑战。

发射率： 本质上，高温计通过测量发射率来测量温度，根据 Stefan-Boltzmann 定律，黑体的温度与辐射的总能量相关，发射率作为方程式的比例常数。完美黑体的发射率为 1，但工业炉中没有完美黑体。石墨的发射率约为 0.78，但石墨的发射率不是绝对常数。它受表面形态、纯度、成分和其他未知因素的影响。简而言之，即使两个石墨坩埚具有相同的成分和炉子配置，并且处于相同的温度，它们也不会给高温计提供相同的温度读数。因此，高温计是一个复杂的温度控制系统，存在许多风险因素会影响准确性，通常以难以预测的方式影响。

简而言之，对于 RSSC 的优质生产过程，强烈不建议使用光学高温计。生产运行之间的可重复性将非常成问题。 关键问题是一致性。无论使用哪种温度测量系统，都需要采取一致的方法。过热存在严重的安全风险，加热不足会因产品损失而造成经济损失。过热的危害是显而易见的。加热不足的问题对于外行人来说并不那么明显。反应烧结不仅仅是一个简单的热能问题，它是一个硅液/气体与 RSSC 预成型件之间动态相互作用的过程，如果被中断然后重复，可能会导致缺陷，这些缺陷会导致弹道装甲无法使用。

安全性 不仅仅是关注绊倒、滑倒、空气质量、电气安全等常见的职业危害。超过 2000°C 的炉子温度会带来独特的危害。几乎所有石墨炉，无论是感应加热还是电阻加热，都使用水冷气密室来控制真空或惰性气体炉子气氛。在极端温度下，如果炉子内容物不受控制的挥发导致炉膛壁破裂，并且如果破裂也破坏了冷却水管道或夹套，暴露于这种温度下的水会分解成氢气和氧气，这些气体会猛烈燃烧，甚至爆炸，这是无法用水安全扑灭的火灾。

到 2200°C 时，水大约解离 3%，这意味着在强大的点火源存在下会产生大量氢气和氧气，这是一个致命的组合。在没有意识到或没有接受过安全程序培训的情况下，操作高于 2000°C 的炉子存在危险。

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