مراجعة لـ 9 تقنيات تلبيد لسيراميك كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC)، وهو سيراميك هيكلي بارز، يشتهر بخصائصه الاستثنائية، بما في ذلك القوة في درجات الحرارة العالية، والصلابة، ومعامل المرونة، ومقاومة التآكل، والتوصيل الحراري، ومقاومة التآكل. هذه السمات تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من الاستخدامات الصناعية التقليدية في أثاث الأفران ذات درجة الحرارة العالية، وفوهات الشعلات، والمبادلات الحرارية، وحلقات الختم، والمحامل المنزلقة، إلى التطبيقات المتقدمة مثل الدروع الباليستية، والمرايا الفضائية، وخراطيش رقائق أشباه الموصلات، وتكسية الوقود النووي.

تعتبر عملية التلبيد أمرًا بالغ الأهمية في تحديد الخصائص النهائية للصلبسيراميك سيك. أدت الأبحاث المكثفة إلى تطوير تقنيات التلبيد المختلفة، بدءًا من الأساليب المعمول بها مثل تلبيد التفاعل، والتلبيد بدون ضغط، وتلبد إعادة البلورة، والضغط الساخن، إلى الابتكارات الأكثر حداثة مثل تلبيد البلازما الشرارة، والتلبد بالوميض، والتلبيد بالضغط التذبذبي.

وإليك نظرة فاحصة على تسعة بارزةسيراميك كربيد السيليكونتقنيات التلبيد:

1. الضغط الساخن:

رائدة من قبل Alliegro وآخرون. في شركة Norton، يتضمن الضغط الساخن تطبيق الحرارة والضغط في نفس الوقت على أمسحوق كربيد السيليكونالمدمجة داخل يموت. تتيح هذه الطريقة التكثيف والتشكيل المتزامن. على الرغم من فعاليته، إلا أن الضغط الساخن يتطلب معدات معقدة، وقوالب متخصصة، ومراقبة صارمة للعملية. وتشمل حدودها استهلاك الطاقة العالي، والتعقيد المحدود للشكل، وارتفاع تكاليف الإنتاج.

2. رد الفعل تلبيد:

تم اقتراح تلبيد التفاعل لأول مرة بواسطة P. Popper في الخمسينيات من القرن الماضي، ويتضمن الخلطمسحوق كربيد السيليكونمع مصدر الكربون. الجسم الأخضر، الذي تم تشكيله عن طريق الصب المنزلق، أو الضغط الجاف، أو الضغط المتوازن البارد، يخضع لعملية تسلل السيليكون. يؤدي التسخين فوق 1500 درجة مئوية في فراغ أو جو خامل إلى إذابة السيليكون، الذي يتسلل إلى الجسم المسامي عن طريق العمل الشعري. يتفاعل السيليكون السائل أو الغازي مع الكربون، مكونًا β-SiC في الموقع الذي يرتبط مع جزيئات SiC الموجودة، مما ينتج عنه سيراميك كثيف.

تتميز SiC المرتبطة بالتفاعل بدرجات حرارة تلبيد منخفضة، وفعالية من حيث التكلفة، وكثافة عالية. إن الانكماش الذي لا يُذكر أثناء التلبيد يجعله مناسبًا بشكل خاص للمكونات الكبيرة ذات الشكل المعقد. وتشمل التطبيقات النموذجية أثاث الفرن ذو درجة الحرارة العالية، والأنابيب المشعة، والمبادلات الحرارية، وفوهات إزالة الكبريت.

مسار عملية Semicorex لقارب RBSiC

3. التلبيد بدون ضغط:

التي وضعتها S. Prochazka وآخرون. في شركة جنرال إلكتريك عام 1974، أدى التلبيد بدون ضغط إلى إلغاء الحاجة إلى الضغط الخارجي. يحدث التكثيف عند درجة حرارة 2000-2150 درجة مئوية تحت الضغط الجوي (1.01×105 باسكال) في جو خامل بمساعدة إضافات التلبيد. يمكن تصنيف التلبيد بدون ضغط أيضًا إلى تلبد الحالة الصلبة والتلبيد في الطور السائل.

يحقق التلبيد بدون ضغط في الحالة الصلبة كثافات عالية (3.10-3.15 جم/سم3) بدون أطوار زجاجية بين الحبيبات، مما يؤدي إلى خصائص ميكانيكية استثنائية عند درجات الحرارة العالية، مع درجات حرارة استخدام تصل إلى 1600 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن نمو الحبوب المفرط في درجات حرارة التلبيد العالية يمكن أن يؤثر سلبًا على القوة.

يعمل التلبيد بدون ضغط في الطور السائل على توسيع نطاق تطبيق سيراميك SiC. يعمل الطور السائل، المتكون عن طريق ذوبان مكون واحد أو تفاعل سهل الانصهار لمكونات متعددة، على تعزيز حركية التكثيف من خلال توفير مسار انتشاري عالي، مما يؤدي إلى انخفاض درجات حرارة التلبد مقارنة بتلبد الحالة الصلبة. يعمل حجم الحبوب الدقيقة والمرحلة السائلة الحبيبية المتبقية في SiC الملبد بالطور السائل على تعزيز الانتقال من الكسر الحبيبي إلى الكسر الحبيبي، مما يعزز قوة الانثناء وصلابة الكسر.

يعتبر التلبيد بدون ضغط تقنية ناضجة تتمتع بمزايا مثل فعالية التكلفة وتعدد استخدامات الشكل. توفر SiC الملبدة بالحالة الصلبة، على وجه الخصوص، كثافة عالية وبنية مجهرية موحدة وأداءً عامًا ممتازًا، مما يجعلها مناسبة للمكونات المقاومة للتآكل والتآكل مثل حلقات الختم والمحامل المنزلقة.

درع كربيد السيليكون الملبد بدون ضغط

4. تلبد إعادة البلورة:

في الثمانينات، أظهر كريجسمان تصنيع بطاريات عالية الأداء مُعاد بلورتها.سيراميك سيكعن طريق الصب الانزلاقي ثم التلبيد عند درجة حرارة 2450 درجة مئوية. تم اعتماد هذه التقنية بسرعة للإنتاج على نطاق واسع بواسطة FCT (ألمانيا) وNorton (الولايات المتحدة الأمريكية).

يتضمن SiC المعاد بلورته تلبيد جسم أخضر يتكون من تعبئة جزيئات SiC بأحجام مختلفة. تتبخر الجسيمات الدقيقة، الموزعة بشكل موحد داخل فجوات الجسيمات الخشنة، وتتكثف عند نقاط الاتصال للجسيمات الأكبر حجمًا عند درجات حرارة أعلى من 2100 درجة مئوية تحت جو متحكم فيه. تشكل آلية التبخر والتكثيف هذه حدودًا حبيبية جديدة عند أعناق الجسيمات، مما يؤدي إلى نمو الحبوب وتكوين العنق وجسم متكلس مع مسامية متبقية.

تشمل الميزات الرئيسية لـ SiC المعاد بلورته ما يلي:

الحد الأدنى من الانكماش: يؤدي غياب حدود الحبوب أو انتشار الحجم أثناء التلبيد إلى انكماش لا يذكر.

تشكيل الشبكة القريبة: تظل الكثافة الملبدة مطابقة تقريبًا لكثافة الجسم الأخضر.

حدود الحبوب النظيفة: تعرض SiC المعاد بلورتها حدود حبوب نظيفة خالية من المراحل الزجاجية أو الشوائب.

المسامية المتبقية: عادة ما يحتفظ الجسم الملبد بمسامية تتراوح ما بين 10 إلى 20%.

5. الضغط المتوازن الساخن (HIP):

يستخدم HIP ضغط الغاز الخامل (الأرجون عادة) لتعزيز التكثيف. يتعرض مسحوق SiC المضغوط، المحكم الغلق داخل حاوية زجاجية أو معدنية، لضغط متساوي الضغط داخل الفرن. ومع ارتفاع درجة الحرارة إلى نطاق التلبيد، يحافظ الضاغط على ضغط غاز أولي يصل إلى عدة ميجا باسكال. ويزداد هذا الضغط تدريجيًا أثناء التسخين، ليصل إلى 200 ميجا باسكال، مما يزيل المسام الداخلية بشكل فعال ويحقق كثافة عالية.

6. تلبد شرارة البلازما (SPS):

SPS هي تقنية تعدين المساحيق الجديدة لإنتاج مواد كثيفة، بما في ذلك المعادن والسيراميك والمواد المركبة. يستخدم نبضات كهربائية عالية الطاقة لتوليد تيار كهربائي نابض وإثارة البلازما بين جزيئات المسحوق. يحدث هذا التسخين الموضعي وتوليد البلازما عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا ولفترات قصيرة، مما يتيح التلبيد السريع. تعمل هذه العملية على إزالة الملوثات السطحية بشكل فعال، وتنشيط أسطح الجسيمات، وتعزيز التكثيف السريع. تم استخدام SPS بنجاح لتصنيع سيراميك SiC الكثيف باستخدام Al2O3 وY2O3 كمساعدات تلبيد.

7. تلبيد الميكروويف:

على عكس التسخين التقليدي، فإن تلبيد الميكروويف يزيد من فقدان المواد العازلة داخل المجال الكهرومغناطيسي للميكروويف لتحقيق التسخين الحجمي والتلبيد. توفر هذه الطريقة مزايا مثل انخفاض درجات حرارة التلبيد ومعدلات تسخين أسرع وتحسين التكثيف. كما أن النقل الجماعي المعزز أثناء تلبيد الموجات الدقيقة يعزز أيضًا الهياكل الدقيقة الدقيقة.

8. تلبد الفلاش:

لقد اكتسب التلبيد الوميضي (FS) الاهتمام بسبب استهلاكه المنخفض للطاقة وحركية التلبيد فائقة السرعة. تتضمن العملية تطبيق جهد كهربائي عبر جسم أخضر داخل الفرن. عند الوصول إلى درجة حرارة العتبة، تؤدي الزيادة غير الخطية المفاجئة في التيار إلى توليد تسخين جول سريع، مما يؤدي إلى تكثيف شبه فوري خلال ثوانٍ.

9. تلبيد الضغط التذبذبي (OPS):

يؤدي إدخال الضغط الديناميكي أثناء التلبيد إلى تعطيل تشابك الجسيمات وتكتلها، مما يقلل من حجم المسام وتوزيعها. وينتج عن ذلك هياكل مجهرية عالية الكثافة ودقيقة الحبيبات ومتجانسة، مما ينتج عنه سيراميك عالي القوة وموثوق. يستبدل OPS، الذي ابتكره فريق Xie Zhipeng في جامعة Tsinghua، الضغط الساكن الثابت في التلبيد التقليدي بالضغط التذبذبي الديناميكي.

تقدم OPS العديد من المزايا:

الكثافة الخضراء المحسنة: يعمل الضغط التذبذبي المستمر على تعزيز إعادة ترتيب الجسيمات، مما يزيد بشكل كبير من الكثافة الخضراء للمسحوق المضغوط.

زيادة القوة الدافعة للتلبد: توفر OPS قوة دافعة أكبر للتكثيف، وتعزيز دوران الحبوب، والانزلاق، وتدفق البلاستيك. وهذا مفيد بشكل خاص خلال المراحل اللاحقة من التلبيد، حيث يؤدي تردد التذبذب المتحكم فيه وسعةه إلى القضاء بشكل فعال على المسام المتبقية عند حدود الحبوب.

صورة لمعدات تلبيد الضغط التذبذبي

مقارنة التقنيات الشائعة:

من بين هذه التقنيات، يتم استخدام تلبيد التفاعل، والتلبيد بدون ضغط، وتلبد إعادة البلورة على نطاق واسع لإنتاج SiC الصناعي، ولكل منها مزايا فريدة، مما يؤدي إلى هياكل مجهرية وخصائص وتطبيقات متميزة.

كربيد التفاعل المستعبدين:يوفر درجات حرارة تلبيد منخفضة، وفعالية من حيث التكلفة، وأدنى حد من الانكماش، وكثافة عالية، مما يجعله مناسبًا للمكونات الكبيرة ذات الشكل المعقد. وتشمل التطبيقات النموذجية أثاث الفرن ذو درجة الحرارة العالية، وفوهات الموقد، والمبادلات الحرارية، والعاكسات البصرية.

كربيد السيليكون الملبد بدون ضغط:يوفر فعالية من حيث التكلفة، وتعدد استخدامات الشكل، وكثافة عالية، وبنية مجهرية موحدة، وخصائص عامة ممتازة، مما يجعله مثاليًا للمكونات الدقيقة مثل الأختام، والمحامل المنزلقة، والدروع الباليستية، والعاكسات البصرية، وخراطيش رقائق أشباه الموصلات.

كربيد السيليكون المعاد بلورته:تتميز بمراحل SiC النقية، والنقاء العالي، والمسامية العالية، والتوصيل الحراري الممتاز، ومقاومة الصدمات الحرارية، مما يجعلها مناسبة لأثاث الأفران ذات درجة الحرارة العالية، والمبادلات الحرارية، وفوهات الموقد.**

نحن في Semicorex متخصصون فيسيراميك سيك وغيرهامواد السيراميكالمطبقة في تصنيع أشباه الموصلات، إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال: +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com