กระบวนการเผาผนึกเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์สี่แบบ

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการสึกหรอที่ดี เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำความร้อนสูง ความแข็งสูง ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และความต้านทานต่อการกัดกร่อนทางเคมี จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ เครื่องจักรกล การรักษาสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีการบินและอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์สารสนเทศ พลังงาน และสาขาอื่นๆ และกลายเป็นเซรามิกโครงสร้างที่ขาดไม่ได้ในหลายอุตสาหกรรม เอาล่ะ มาดูกันเลย!

การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน

การเผาผนึกแบบไร้แรงดันถือเป็นวิธีการที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับการเผาผนึก SiC ตามกลไกการเผาผนึกที่แตกต่างกัน การเผาผนึกแบบไร้แรงดันสามารถแบ่งออกเป็น การเผาผนึกในเฟสของแข็งและการเผาผนึกในเฟสของเหลว มีการเติม B และ C ในปริมาณที่เหมาะสม (ปริมาณออกซิเจนน้อยกว่า 2%) ลงในผง SiC พร้อมกัน และเผาผนึก SiC ที่อุณหภูมิ 2020 ℃ เพื่อให้ได้ชิ้นงานเผาผนึก SiC ที่มีความหนาแน่นสูงกว่า 98% ในขณะที่ A. Mulla และคณะ ใช้ Al2O3 และ Y2O3 เป็นสารเติมแต่ง และเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1850-1950 ℃ เพื่อให้ได้ β-SiC ขนาด 0.5 μm (พื้นผิวอนุภาคมี SiO2 ในปริมาณเล็กน้อย) ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของเซรามิก SiC ที่ได้นั้นมากกว่า 95% ของความหนาแน่นทางทฤษฎี และขนาดเกรนมีขนาดเล็ก โดยมีขนาดเฉลี่ย 1.5 ไมครอน

การเผาผนึกด้วยความร้อนสูง

ซิลิคอนคาร์ไบด์บริสุทธิ์สามารถเผาผนึกได้อย่างแน่นหนาที่อุณหภูมิสูงมากเท่านั้นโดยไม่ต้องใช้สารช่วยเผาผนึก ดังนั้นหลายคนจึงใช้วิธีการเผาผนึกด้วยการอัดร้อนสำหรับซิลิคอนคาร์ไบด์ มีรายงานมากมายเกี่ยวกับการเผาผนึกซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยการอัดร้อนโดยการเติมสารช่วยเผาผนึก Alliegro และคณะได้ศึกษาผลของโบรอน อะลูมิเนียม นิกเกล เหล็ก โครเมียม และโลหะอื่นๆ ต่อการเพิ่มความหนาแน่นของซิลิคอนคาร์ไบด์ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าอะลูมิเนียมและเหล็กเป็นสารเติมแต่งที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการส่งเสริมการเผาผนึกซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยการอัดร้อน FFlange ศึกษาผลของการเติม Al2O3 ในปริมาณที่แตกต่างกันต่อคุณสมบัติของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านการอัดร้อน เชื่อกันว่าการเพิ่มความหนาแน่นของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านการอัดร้อนนั้นเกี่ยวข้องกับกลไกการละลายและการตกตะกอน อย่างไรก็ตาม กระบวนการเผาผนึกด้วยการอัดร้อนสามารถผลิตชิ้นส่วนซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูปร่างเรียบง่ายเท่านั้น ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ผลิตได้จากกระบวนการเผาผนึกด้วยการอัดร้อนครั้งเดียวมีน้อยมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

การเผาผนึกด้วยการอัดไอโซสแตติกความร้อนสูง

เพื่อเอาชนะข้อจำกัดของกระบวนการเผาผนึกแบบดั้งเดิม จึงได้ใช้สารเติมแต่งชนิด B และชนิด C และนำเทคโนโลยีการเผาผนึกด้วยแรงดันสูงแบบไอโซสแตติกมาใช้ ที่อุณหภูมิ 1900 °C สามารถผลิตเซรามิกผลึกละเอียดที่มีความหนาแน่นมากกว่า 98 และความแข็งแรงดัดงอที่อุณหภูมิห้องสามารถสูงถึง 600 MPa แม้ว่าการเผาผนึกด้วยแรงดันสูงแบบไอโซสแตติกจะสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีเฟสหนาแน่น มีรูปร่างซับซ้อน และมีคุณสมบัติทางกลที่ดี แต่การเผาผนึกนั้นต้องมีการปิดผนึก ซึ่งยากต่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

การเผาผนึกปฏิกิริยา

ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา หรือที่เรียกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์แบบยึดติดเอง หมายถึงกระบวนการที่แท่งโลหะพรุนทำปฏิกิริยากับเฟสแก๊สหรือของเหลวเพื่อปรับปรุงคุณภาพของแท่งโลหะ ลดรูพรุน และเผาผนึกผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่มีความแข็งแรงและความแม่นยำของขนาดในระดับหนึ่ง โดยนำผง α-SiC และกราไฟต์มาผสมกันในสัดส่วนที่กำหนด แล้วให้ความร้อนประมาณ 1650 ℃ เพื่อขึ้นรูปเป็นแท่งสี่เหลี่ยม ในขณะเดียวกัน ซิลิคอนในรูปแก๊สจะแทรกซึมเข้าไปในแท่งโลหะและทำปฏิกิริยากับกราไฟต์เพื่อสร้าง β-SiC รวมกับอนุภาค α-SiC ที่มีอยู่ เมื่อซิลิคอนแทรกซึมเข้าไปอย่างสมบูรณ์ จะได้ชิ้นงานเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาที่มีความหนาแน่นสมบูรณ์และขนาดไม่หดตัว เมื่อเทียบกับกระบวนการเผาผนึกอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงขนาดของการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาในกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นนั้นมีน้อย และสามารถเตรียมผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดแม่นยำได้ อย่างไรก็ตาม การมี SiC จำนวนมากในชิ้นงานเผาผนึกทำให้คุณสมบัติที่อุณหภูมิสูงของเซรามิก SiC แบบเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาลดลง