از پودر تا سرامیک جامد: روش های شکل دهی و تف جوشی
پودر SiC به تنهایی یک سرامیک قوی و متراکم نیست. برای ایجاد یک جسم جامد، پودر باید شکل داده شود و سپس در فرآیندی به نام تف جوشی با هم ذوب شود. چالش کلیدی این است که SiC دارای پیوندهای کووالانسی قوی است، که تف جوشی را بسیار دشوار می کند. بنابراین، تکنیک های خاصی مورد نیاز است. سه روش اصلی عبارتند از:
1. تف جوشی (Solid-State Sintering)
این رایج ترین روش برای ساخت اجزای پیچیده شکل است.
# اختلاط: پودر SiC با یک کمک تف جوشی، معمولاً مقدار کمی بور (B) و کربن (C) مخلوط می شود. کربن به حذف لایه اکسید روی ذرات SiC کمک می کند و بور باعث انتشار اتمی می شود.
# شکل دهی: مخلوط پودر به شکل یک "جسم سبز" (یک فرم پخته نشده) در می آید. این می تواند توسط:
* پرس خشک: پرس تک محوری یا ایزواستاتیک برای اشکال ساده.
* اکستروژن: برای اشکال طولانی و پیوسته مانند لوله ها یا میله ها.
* قالب گیری تزریقی: برای اشکال بسیار پیچیده و پیچیده.
# تف جوشی: بدن سبز در یک اتمسفر بی اثر (مانند آرگون) در دمای حدود 2000 درجه سانتیگراد - 2100 درجه سانتیگراد (3630 درجه فارنهایت - 3810 درجه فارنهایت) گرم می شود. در این دما، ذرات در نقاط تماس به یکدیگر پخش میشوند و به یکدیگر متصل میشوند و سرامیکی متراکم و جامد با حداقل تخلخل تشکیل میدهند.
نتیجه: کاربید سیلیکون متخلخل (SSiC). دارای خلوص بالا، مقاومت در برابر سایش عالی و استحکام مکانیکی خوب است.
2. پیوند واکنش (یا سیلیکون سازی)
این روش یک قسمت نزدیک به شبکه با کمترین انقباض ایجاد می کند.
# شکل دهی: مخلوطی از پودر SiC و کربن (به عنوان مثال، گرافیت) به یک بدنه سبز متخلخل تبدیل می شود.
# نفوذ: سپس بدنه سبز رنگ در تماس با فلز سیلیکون مذاب (Si) در یک کوره زیر خلاء قرار می گیرد.
# واکنش: سیلیکون مذاب با عمل مویرگی به داخل بدن متخلخل کشیده می شود. سپس با کربن درون بدن واکنش می دهد تا کاربید سیلیکون جدید (Si + C → SiC) را تشکیل دهد که ذرات SiC اصلی را به یکدیگر پیوند می دهد.
# سیلیکون اضافی: هر فضایی که توسط واکنش پر نشده باشد با فلز سیلیکون باقیمانده پر می شود.
نتیجه: سیلیکون کاربید پیوندی با واکنش (RBSC) یا کاربید سیلیکون سیلیکون شده. چگال تر از SSiC است اما حاوی 5-15٪ سیلیکون آزاد است که استحکام در دمای بالا و مقاومت شیمیایی آن را در مقایسه با SSiC کاهش می دهد.
3. فشار دادن داغ
این روش بالاترین چگالی و استحکام را ایجاد می کند اما گرانتر است و محدود به اشکال ساده است.
# فرآیند: پودر SiC (با کمک تف جوشی) در قالبی که معمولاً از گرافیت ساخته شده است قرار می گیرد.
# گرما و فشار همزمان: قالب تا دمای تف جوشی (~1900 درجه سانتیگراد - 2000 درجه سانتیگراد) گرم می شود و همزمان فشار تک محوری بسیار بالایی (ده ها مگاپاسکال) اعمال می شود.
# مزیت: ترکیب گرما و فشار، چگالش را به طور موثرتر و در دمای پایین تر از تف جوشی بدون فشار هدایت می کند.
نتیجه: کاربید سیلیکون فشرده داغ (HPSiC). دارای خواص مکانیکی عالی است اما معمولاً به شکل اشکال ساده مانند صفحات یا بلوک هایی تولید می شود که نیاز به ماشینکاری بعدی با ابزارهای الماس دارد.
مرحله نهایی: ماشینکاری
پس از پخت، جزء نزدیک به شکل نهایی خود است، اما اغلب نیاز به ماشینکاری دقیق دارد. از آنجایی که SiC بسیار سخت است (9.5 در مقیاس Mohs، نزدیک به الماس)، این کار را فقط می توان با استفاده از چرخ ها یا ابزارهای آسیاب آغشته به الماس انجام داد.
به طور خلاصه، ساخت سرامیک کاربید سیلیکون یک فرآیند چند مرحلهای است که ابتدا شامل سنتز پودر فوقالعاده سخت و سپس استفاده از تکنیکهای تخصصی و با دمای بالا برای تراکم آن به یک ماده مهندسی قوی و بادوام است.
ممکن است دوست داشته باشید: سرامیک زیرکونیا، کامپوننت سرامیکی
