من المسحوق إلى السيراميك الصلب: طرق التشكيل والتلبيد
مسحوق SiC وحده ليس سيراميكًا قويًا وكثيفًا. لإنشاء جسم صلب، يجب تشكيل المسحوق ثم دمجه معًا في عملية تسمى التلبيد. التحدي الرئيسي هو أن كربيد السيليكون لديه روابط تساهمية قوية، مما يجعل عملية التلبيد صعبة للغاية. ولذلك، هناك حاجة إلى تقنيات خاصة. الطرق الثلاثة الرئيسية هي:
1. تلبيد (تلبد الحالة الصلبة)
هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لصنع مكونات معقدة الشكل.
# الخلط: يتم خلط مسحوق SiC مع مادة مساعدة للتلبيد، وعادة ما تكون كمية صغيرة من البورون (B) والكربون (C). يساعد الكربون على إزالة طبقة الأكسيد الموجودة على جزيئات SiC، ويعزز البورون الانتشار الذري.
# التشكيل: يتم تشكيل خليط المسحوق على شكل "جسم أخضر" (شكل غير متكلس). يمكن القيام بذلك عن طريق:
* الضغط الجاف: الضغط أحادي المحور أو الضغط المتوازن للأشكال البسيطة.
* البثق: للأشكال الطويلة والمستمرة مثل الأنابيب أو القضبان.
* القولبة بالحقن: للأشكال المعقدة والمعقدة للغاية.
# التلبيد: يتم تسخين الجسم الأخضر في جو خامل (مثل الأرجون) عند درجات حرارة تتراوح بين 2000 درجة مئوية - 2100 درجة مئوية (3630 درجة فهرنهايت - 3810 درجة فهرنهايت). عند درجة الحرارة هذه، تنتشر الجزيئات في بعضها البعض عند نقاط التلامس، وتترابط معًا لتشكل سيراميكًا صلبًا وكثيفًا مع الحد الأدنى من المسامية.
النتيجة: كربيد السيليكون الملبد (SSiC). إنه ذو نقاوة عالية، مقاومة تآكل ممتازة، وقوة ميكانيكية جيدة.
2. رابطة التفاعل (أو السيليكون)
تعمل هذه الطريقة على إنشاء جزء شبه شبكي بأقل قدر من الانكماش.
# التشكيل: يتم تشكيل خليط من مسحوق SiC والكربون (على سبيل المثال، الجرافيت) في جسم أخضر مسامي.
# التسلل: يتم بعد ذلك وضع الجسم الأخضر في اتصال مع معدن السيليكون المنصهر (Si) في فرن تحت فراغ.
# رد الفعل: يتم سحب السيليكون المنصهر إلى الجسم المسامي عن طريق العمل الشعري. ثم يتفاعل مع الكربون الموجود داخل الجسم لتكوين كربيد السيليكون الجديد (Si + C → SiC)، الذي يربط جزيئات SiC الأصلية معًا.
#السيليكون الزائد: أي فراغات لا يملأها التفاعل تمتلئ بمعدن السيليكون المتبقي.
النتيجة: كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSC) أو كربيد السيليكون السيليكوني. وهو أكثر كثافة من SSiC ولكنه يحتوي على 5-15% من السيليكون الحر، مما يقلل من قوته في درجات الحرارة العالية ومقاومته الكيميائية مقارنة بـ SSiC.
3. الضغط الساخن
تنتج هذه الطريقة أعلى كثافة وقوة ولكنها أكثر تكلفة وتقتصر على الأشكال البسيطة.
# العملية: يتم وضع مسحوق SiC (مع مساعدات التلبيد) في قالب، عادة ما يكون مصنوعًا من الجرافيت.
# الحرارة والضغط المتزامنين: يتم تسخين القالب إلى درجات حرارة التلبيد (~ 1900 درجة مئوية - 2000 درجة مئوية) مع تطبيق ضغط أحادي المحور عالي جدًا في نفس الوقت (عشرات ميجا باسكال).
# الفائدة: إن الجمع بين الحرارة والضغط يؤدي إلى التكثيف بشكل أكثر فعالية وعند درجة حرارة أقل من التلبيد بدون ضغط.
النتيجة: كربيد السيليكون المضغوط على الساخن (HPSiC). إنه يتمتع بخصائص ميكانيكية فائقة ولكن يتم إنتاجه عادةً كأشكال بسيطة مثل الألواح أو الكتل التي تتطلب معالجة لاحقة باستخدام أدوات الماس.
الخطوة النهائية: التصنيع
بعد التلبيد، يقترب المكون من شكله النهائي ولكنه غالبًا ما يتطلب تصنيعًا دقيقًا. نظرًا لأن SiC شديد الصلابة (9.5 على مقياس موس، قريب من الماس)، فلا يمكن القيام بذلك إلا باستخدام عجلات أو أدوات طحن مشربة بالماس.
باختصار، إن صنع سيراميك كربيد السيليكون هو عملية متعددة الخطوات تتضمن أولاً تصنيع المسحوق شديد الصلابة ثم استخدام تقنيات متخصصة عالية الحرارة لتكثيفه وتحويله إلى مادة هندسية قوية ومتينة.
قد يعجبك: سيراميك الزركونيا، مكون السيراميك
