سيراميك كربيد السيليكون وعمليات تصنيعها المتنوعة

سيراميك كربيد السيليكون (SiC).يتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات الصعبة مثل المحامل الدقيقة، والأختام، ودوارات توربينات الغاز، والمكونات البصرية، والفوهات ذات درجة الحرارة العالية، ومكونات المبادلات الحرارية، ومواد المفاعلات النووية. ينبع هذا الاستخدام الواسع النطاق من خصائصها الاستثنائية، بما في ذلك مقاومة التآكل العالية، والتوصيل الحراري الممتاز، ومقاومة الأكسدة الفائقة، والخصائص الميكانيكية المتميزة لدرجات الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن الترابط التساهمي القوي ومعامل الانتشار المنخفض المتأصل في SiC يمثل تحديًا كبيرًا في تحقيق التكثيف العالي أثناء عملية التلبيد. ونتيجة لذلك، تصبح عملية التلبيد خطوة حاسمة في الحصول على الأداء العاليسيراميك سيك.

تقدم هذه الورقة لمحة شاملة عن تقنيات التصنيع المختلفة المستخدمة لإنتاج كثيفةRBSiC/PSSiC/RSIC السيراميك، مع تسليط الضوء على خصائصه وتطبيقاته الفريدة:

1. رد فعل المستعبدين كربيد السيليكون (RBSiC)

RBSiCيتضمن خلط مسحوق كربيد السيليكون (عادة 1-10 ميكرومتر) مع الكربون، وتشكيل الخليط في جسم أخضر، وتعريضه لدرجات حرارة عالية لتسلل السيليكون. خلال هذه العملية، يتفاعل السيليكون مع الكربون لتكوين SiC، الذي يرتبط بجزيئات SiC الموجودة، ويحقق التكثيف في النهاية. يتم استخدام طريقتين أساسيتين لتسلل السيليكون:

تسلل السيليكون السائل: يتم تسخين السيليكون فوق نقطة انصهاره (1450-1470 درجة مئوية)، مما يسمح للسيليكون المنصهر بالتسلل إلى الجسم الأخضر المسامي من خلال العمل الشعري. يتفاعل السيليكون المنصهر بعد ذلك مع الكربون مكونًا SiC.

تسلل بخار السيليكون: يتم تسخين السيليكون إلى ما هو أبعد من نقطة انصهاره لتوليد بخار السيليكون. يتخلل هذا البخار الجسم الأخضر ويتفاعل بعد ذلك مع الكربون مكونًا SiC.

تدفق العملية: مسحوق SiC + مسحوق C + مادة رابطة ← التشكيل ← التجفيف ← احتراق المادة الرابطة في جو متحكم فيه ← تسلل Si بدرجة حرارة عالية ← مرحلة ما بعد المعالجة

(1) الاعتبارات الرئيسية:

درجة حرارة التشغيلRBSiCيقتصر على محتوى السيليكون الحر المتبقي في المادة. عادة، الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل حوالي 1400 درجة مئوية. وفوق درجة الحرارة هذه، تتدهور قوة المادة بسرعة بسبب ذوبان السيليكون الحر.

يميل تسرب السيليكون السائل إلى ترك محتوى أعلى من السيليكون المتبقي (عادةً 10-15%، وأحيانًا يتجاوز 15%)، مما قد يؤثر سلبًا على خصائص المنتج النهائي. في المقابل، يسمح تسلل بخار السيليكون بالتحكم بشكل أفضل في محتوى السيليكون المتبقي. ومن خلال تقليل المسامية في الجسم الأخضر، يمكن تقليل محتوى السيليكون المتبقي بعد التلبيد إلى أقل من 10%، ومع التحكم الدقيق في العملية، حتى أقل من 8%. يؤدي هذا التخفيض إلى تحسين الأداء العام للمنتج النهائي بشكل ملحوظ.

ومن المهم أن نلاحظ ذلكRBSiC، بغض النظر عن طريقة التسلل، سوف تحتوي حتما على بعض السيليكون المتبقي (تتراوح من 8٪ إلى أكثر من 15٪). لذلك،RBSiCليس سيراميك كربيد السيليكون أحادي الطور ولكنه مركب "سيليكون + كربيد السيليكون". بالتالي،RBSiCيشار إليه أيضًا باسمSiSiC (مركب كربيد السيليكون السيليكون).

(2) المزايا والتطبيقات:

RBSiCيقدم العديد من المزايا، بما في ذلك:

انخفاض درجة حرارة التلبيد: وهذا يقلل من استهلاك الطاقة وتكاليف الإنتاج.

فعالية التكلفة: العملية بسيطة نسبيًا وتستخدم مواد خام متاحة بسهولة، مما يساهم في القدرة على تحمل تكاليفها.

التكثيف العالي:RBSiCيحقق مستويات كثافة عالية، مما يؤدي إلى تحسين الخواص الميكانيكية.

التشكيل القريب من الشبكة: يمكن تشكيل تشكيل كربيد السيليكون والكربون مسبقًا لأشكال معقدة، ويضمن الحد الأدنى من الانكماش أثناء التلبيد (عادةً أقل من 3%) دقة أبعاد ممتازة. وهذا يقلل من الحاجة إلى عمليات تصنيع باهظة الثمن بعد التلبيدRBSiCمناسبة بشكل خاص للمكونات الكبيرة ذات الشكل المعقد.

وبسبب هذه المزايا،RBSiCيتمتع باستخدام واسع النطاق في مختلف التطبيقات الصناعية، وفي المقام الأول للتصنيع:

مكونات الفرن: البطانات والبوتقات والسجارات.

المرايا الفضائية:RBSiCمعامل التمدد الحراري المنخفض ومعامل المرونة العالي يجعلها مادة مثالية للمرايا الفضائية.

المبادلات الحرارية ذات درجة الحرارة العالية: كانت شركات مثل Refel (المملكة المتحدة) رائدة في استخدامRBSiCفي المبادلات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية، مع تطبيقات تتراوح من المعالجة الكيميائية إلى توليد الطاقة. كما اعتمدت شركة Asahi Glass (اليابان) هذه التقنية، حيث أنتجت أنابيب تبادل حراري يتراوح طولها من 0.5 إلى 1 متر.

علاوة على ذلك، فإن الطلب المتزايد على الرقائق الأكبر حجمًا ودرجات حرارة المعالجة المرتفعة في صناعة أشباه الموصلات قد حفز على تطوير رقائق عالية النقاء.RBSiCعناصر. هذه المكونات، المصنعة باستخدام مسحوق SiC عالي النقاء والسيليكون، تحل تدريجيًا محل أجزاء زجاج الكوارتز في أدوات الدعم لأنابيب الإلكترون ومعدات معالجة رقائق أشباه الموصلات.

قارب الويفر Semicorex RBSiC لفرن الانتشار

(3) القيود:

وعلى الرغم من مزاياها،RBSiCيمتلك قيودًا معينة:

السيليكون المتبقي: كما ذكرنا سابقًا، فإنRBSiCتؤدي العملية بطبيعتها إلى وجود السيليكون الحر المتبقي داخل المنتج النهائي. ويؤثر هذا السيليكون المتبقي سلباً على خصائص المادة، بما في ذلك:

انخفاض القوة ومقاومة التآكل مقارنة بغيرهاسيراميك سيك.

مقاومة محدودة للتآكل: السيليكون الحر عرضة للهجوم بواسطة المحاليل القلوية والأحماض القوية مثل حمض الهيدروفلوريك، مما يقيدRBSiCاستخدامها في مثل هذه البيئات.

قوة أقل في درجات الحرارة العالية: إن وجود السيليكون الحر يحد من درجة حرارة التشغيل القصوى إلى حوالي 1350-1400 درجة مئوية.

2. التلبيد بدون ضغط - PSSiC

تلبد بدون ضغط من كربيد السيليكونتحقيق تكثيف العينات بأشكال وأحجام مختلفة عند درجات حرارة تتراوح بين 2000-2150 درجة مئوية تحت جو خامل ودون ممارسة ضغط خارجي، وذلك عن طريق إضافة مساعدات تلبيد مناسبة. لقد نضجت تكنولوجيا التلبيد بدون ضغط لـ SiC، وتكمن مزاياها في انخفاض تكلفة الإنتاج وعدم وجود قيود على شكل وحجم المنتجات. على وجه الخصوص، يتميز سيراميك SiC الملبد ذو الطور الصلب بكثافة عالية، وبنية مجهرية موحدة، وخصائص مواد شاملة ممتازة، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في حلقات الختم المقاومة للتآكل والتآكل، والمحامل المنزلقة، والتطبيقات الأخرى.

يمكن تقسيم عملية التلبيد بدون ضغط لكربيد السيليكون إلى مرحلة صلبةكربيد السيليكون الملبد (SSiC)وكربيد السيليكون الملبد بالطور السائل (LSiC).

البنية المجهرية وحدود الحبوب لكربيد السيليكون الملبد ذو الطور الصلب غير المضغوط

تم اختراع تلبيد الطور الصلب لأول مرة من قبل العالم الأمريكي بروتشازكا في عام 1974. وأضاف كمية صغيرة من البورون والكربون إلى submicron β-SiC، مما أدى إلى تلبيد بدون ضغط لكربيد السيليكون والحصول على جسم متكلس كثيف بكثافة قريبة من 95٪ من القيمة النظرية. بعد ذلك، استخدم W. Btcker وH. Hansner α-SiC كمادة خام وأضافا البورون والكربون لتحقيق تكثيف كربيد السيليكون. أظهرت العديد من الدراسات اللاحقة أن كلاً من مركبات البورون والبورون ومركبات Al وAl يمكن أن تشكل محاليل صلبة مع كربيد السيليكون لتعزيز التلبيد. تعتبر إضافة الكربون مفيدة للتلبيد عن طريق التفاعل مع ثاني أكسيد السيليكون على سطح كربيد السيليكون لزيادة طاقة السطح. يحتوي كربيد السيليكون الملبد ذو الطور الصلب على حدود حبيبية "نظيفة" نسبيًا مع عدم وجود طور سائل، وتنمو الحبوب بسهولة عند درجات حرارة عالية. ولذلك، فإن الكسر هو عبارة عن حبيبات، وقوة وصلابة الكسر ليست عالية بشكل عام. ومع ذلك، نظرًا لحدود الحبوب "النظيفة"، فإن قوة درجة الحرارة المرتفعة لا تتغير مع زيادة درجة الحرارة وتبقى بشكل عام مستقرة حتى 1600 درجة مئوية.

اخترع العالم الأمريكي إم إيه مولا تلبيد الطور السائل لكربيد السيليكون في أوائل التسعينيات. مادة التلبيد الرئيسية هي Y2O3-Al2O3. يتميز تلبيد الطور السائل بميزة انخفاض درجة حرارة التلبيد مقارنة بتلبيد الطور الصلب، وحجم الحبوب أصغر.

تتمثل العيوب الرئيسية للتلبيد في الطور الصلب في درجة حرارة التلبيد العالية المطلوبة (> 2000 درجة مئوية)، ومتطلبات النقاء العالية للمواد الخام، وصلابة الكسر المنخفضة للجسم الملبد، والحساسية القوية لقوة الكسر للشقوق. من الناحية الهيكلية، تكون الحبوب خشنة وغير متساوية، وعادة ما يكون وضع الكسر حبيبيًا. في السنوات الأخيرة، ركزت الأبحاث المتعلقة بمواد سيراميك كربيد السيليكون في الداخل والخارج على تلبيد الطور السائل. يتم تحقيق تلبيد الطور السائل باستخدام كمية معينة من الأكاسيد منخفضة الانصهار متعددة المكونات كمساعدات تلبيد. على سبيل المثال، يمكن للمساعدات الثنائية والثلاثية لـ Y2O3 أن تجعل SiC ومركباته تظهر تلبيدًا في الطور السائل، مما يحقق التكثيف المثالي للمادة عند درجات حرارة منخفضة. في الوقت نفسه، نظرًا لإدخال الطور السائل لحدود الحبوب وضعف قوة ربط الواجهة الفريدة، يتغير وضع الكسر للمواد الخزفية إلى وضع الكسر بين الحبيبات، كما تم تحسين صلابة الكسر للمواد الخزفية بشكل كبير .

3. كربيد السيليكون المعاد بلورته - RSIC

كربيد السيليكون المعاد بلورته (RSiC)هي مادة SiC عالية النقاء مصنوعة من مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء (SiC) مع حجمين مختلفين من الجسيمات، الخشنة والناعمة. ويتم تلبيدها عند درجات حرارة عالية (2200-2450 درجة مئوية) من خلال آلية التبخر والتكثيف دون إضافة مساعدات تلبيد.

ملحوظة: بدون مساعدات التلبيد، يتم تحقيق نمو عنق التلبيد عمومًا من خلال الانتشار السطحي أو نقل كتلة التبخر والتكثيف. وفقًا لنظرية التلبيد الكلاسيكية، لا يمكن لأي من طرق نقل الكتلة هذه تقليل المسافة بين مراكز كتلة الجسيمات المتلامسة، وبالتالي لا تسبب أي انكماش على المستوى العياني، وهي عملية غير تكثيف. لحل هذه المشكلة والحصول على سيراميك كربيد السيليكون عالي الكثافة، اتخذ الناس العديد من التدابير، مثل تطبيق الحرارة، وإضافة مساعدات التلبيد، أو استخدام مزيج من الحرارة والضغط ومساعدات التلبيد.

صورة SEM لسطح الكسر من كربيد السيليكون المعاد بلورته

الخصائص والتطبيقات:

RSICيحتوي على أكثر من 99% من SiC ولا يحتوي بشكل أساسي على شوائب حدودية للحبيبات، مع الاحتفاظ بالعديد من الخصائص الممتازة لـ SiC، مثل قوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات الحرارية. لذلك، يتم استخدامه على نطاق واسع في أثاث الفرن ذو درجة الحرارة العالية، وفوهات الاحتراق، والمحولات الحرارية الشمسية، وأجهزة تنقية غاز عادم مركبات الديزل، وصهر المعادن، والبيئات الأخرى ذات متطلبات الأداء الصعبة للغاية.

بسبب آلية التلبيد بالتبخر والتكثيف، لا يوجد انكماش أثناء عملية الحرق، ولا يتم توليد أي إجهاد متبقي يسبب تشوه أو تشقق المنتج.

RSICيمكن تشكيلها بطرق مختلفة مثل الصب المنزلق، وصب الهلام، والبثق، والضغط. وبما أنه لا يوجد انكماش أثناء عملية الحرق، فمن السهل الحصول على منتجات ذات أشكال وأحجام دقيقة طالما تم التحكم بشكل جيد في أبعاد الجسم الأخضر.

المطلقةمنتج SiC المعاد بلورتهيحتوي على ما يقرب من 10%-20% من المسام المتبقية. تعتمد مسامية المادة إلى حد كبير على مسامية الجسم الأخضر نفسه ولا تتغير بشكل كبير مع درجة حرارة التلبيد، مما يوفر أساسًا للتحكم في المسامية.

في ظل آلية التلبيد هذه، تحتوي المادة على العديد من المسام المترابطة، والتي لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال المواد المسامية. على سبيل المثال، يمكن أن يحل محل المنتجات المسامية التقليدية في مجالات تنقية غاز العادم وتنقية هواء الوقود الأحفوري.

RSICله حدود حبيبية واضحة ونظيفة جداً بدون أطوار زجاجية وشوائب لأن أي شوائب أكسيدية أو معدنية تتطاير عند درجات حرارة عالية تصل إلى 2150-2300 درجة مئوية. يمكن لآلية تلبيد التبخر والتكثيف أيضًا تنقية SiC (محتوى SiC فيRSICأعلى من 99٪)، ويحتفظ بالعديد من الخصائص الممتازة لـ SiC، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات الحرارية، مثل أثاث الفرن عالي الحرارة، وفوهات الاحتراق، والمحولات الحرارية الشمسية، وصهر المعادن. .**