أربع عمليات تلبيد لسيراميك كربيد السيليكون

تتميز سيراميك كربيد السيليكون بقوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة عالية للأكسدة، ومقاومة جيدة للتآكل، وثبات حراري ممتاز، ومعامل تمدد حراري منخفض، وموصلية حرارية عالية، وصلابة عالية، ومقاومة للصدمات الحرارية، ومقاومة للتآكل الكيميائي، وغيرها من الخصائص الممتازة. وقد استُخدمت على نطاق واسع في مجالات السيارات، والميكنة، وحماية البيئة، وتكنولوجيا الفضاء، والإلكترونيات، والطاقة، وغيرها، وأصبحت سيراميكًا هيكليًا لا غنى عنه ذو أداء متميز في العديد من المجالات الصناعية. والآن، دعوني أريكم!

التلبيد بدون ضغط

يُعتبر التلبيد بدون ضغط الطريقة الأكثر فعالية لتلبيد كربيد السيليكون (SiC). وبناءً على آليات التلبيد المختلفة، يُمكن تقسيم التلبيد بدون ضغط إلى تلبيد الطور الصلب وتلبيد الطور السائل. في إحدى التجارب، أُضيفت كمية مناسبة من البورون والكربون (بمحتوى أكسجين أقل من 2%) إلى مسحوق كربيد السيليكون (SiC) باستخدام مسحوق β-SiC فائق النعومة، ثم تم تلبيده للحصول على جسم من كربيد السيليكون بكثافة تزيد عن 98% عند درجة حرارة 2020 درجة مئوية. وفي تجربة أخرى، استخدم أ. مولا وآخرون أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وأكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) كمضافات، وتم تلبيد كربيد السيليكون (β-SiC) بحجم 0.5 ميكرومتر (يحتوي سطح الجسيمات على كمية ضئيلة من ثاني أكسيد السيليكون) عند درجة حرارة 1850-1950 درجة مئوية. وقد بلغت الكثافة النسبية لسيراميك كربيد السيليكون الناتج أكثر من 95% من الكثافة النظرية، وكان حجم الحبيبات صغيرًا، حيث بلغ متوسط ​​حجمها 1.5 ميكرومتر.

التلبيد بالضغط الساخن

لا يمكن تلبيد كربيد السيليكون النقي بشكل متماسك إلا عند درجات حرارة عالية جدًا دون أي إضافات للتلبيد، لذا يلجأ الكثيرون إلى عملية التلبيد بالضغط الساخن. وقد نُشرت العديد من الدراسات حول تلبيد كربيد السيليكون بالضغط الساخن مع إضافة مواد مساعدة للتلبيد. درس أليغرو وزملاؤه تأثير البورون والألومنيوم والنيكل والحديد والكروم وغيرها من الإضافات المعدنية على تكثيف كربيد السيليكون. وأظهرت النتائج أن الألومنيوم والحديد هما أكثر الإضافات فعالية لتعزيز تلبيد كربيد السيليكون بالضغط الساخن. كما درس فلانج تأثير إضافة كميات مختلفة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) على خصائص كربيد السيليكون المُلبّد بالضغط الساخن. ويُعتقد أن تكثيف كربيد السيليكون المُلبّد بالضغط الساخن مرتبط بآلية الذوبان والترسيب. ومع ذلك، فإن عملية التلبيد بالضغط الساخن لا تُنتج إلا أجزاءً من كربيد السيليكون ذات أشكال بسيطة. كما أن كمية المنتجات الناتجة عن عملية التلبيد بالضغط الساخن لمرة واحدة قليلة جدًا، مما لا يُناسب الإنتاج الصناعي.

التلبيد بالضغط المتساوي الساخن

للتغلب على عيوب عملية التلبيد التقليدية، استُخدمت مواد مضافة من النوعين B وC، وتم اعتماد تقنية التلبيد بالضغط المتساوي الساخن. عند درجة حرارة 1900 درجة مئوية، تم الحصول على خزف بلوري دقيق بكثافة تزيد عن 98، وبلغت قوة الانحناء عند درجة حرارة الغرفة 600 ميجا باسكال. على الرغم من أن التلبيد بالضغط المتساوي الساخن يُنتج مواد ذات طور كثيف بأشكال معقدة وخصائص ميكانيكية جيدة، إلا أن عملية التلبيد تتطلب إحكام إغلاقها، مما يصعب تطبيقها في الإنتاج الصناعي.

التلبيد التفاعلي

يشير كربيد السيليكون المُلبّد بالتفاعل، والمعروف أيضًا باسم كربيد السيليكون ذاتي الترابط، إلى عملية تفاعل سبيكة مسامية مع طور غازي أو سائل لتحسين جودتها، وتقليل مساميتها، وتلبيد منتجات نهائية ذات قوة ودقة أبعاد محددة. يتم ذلك بخلط مسحوق α-SiC مع الجرافيت بنسبة معينة وتسخينه إلى حوالي 1650 درجة مئوية لتشكيل سبيكة مربعة. في الوقت نفسه، يتغلغل السيليكون الغازي داخل السبيكة ويتفاعل مع الجرافيت لتكوين β-SiC، متحدًا مع جزيئات α-SiC الموجودة. عند اكتمال تغلغل السيليكون، نحصل على جسم مُلبّد بالتفاعل بكثافة كاملة وحجم ثابت. بالمقارنة مع عمليات التلبيد الأخرى، يكون تغير الحجم في عملية التلبيد بالتفاعل ضئيلاً، مما يسمح بتحضير منتجات ذات حجم دقيق. ومع ذلك، فإن وجود كمية كبيرة من كربيد السيليكون في الجسم المتلبد يجعل خصائص درجات الحرارة العالية لسيراميك كربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل أسوأ.