تأثير محتوى الكربون على البنية المجهرية لكربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل

يختلف محتوى الكربون في كل عينة متلبدة عند كسرها، حيث يبلغ محتوى الكربون في هذه العينة 2.5% وزناً، مما يُشكل مادة كثيفة شبه خالية من المسام، تتكون من جزيئات كربيد السيليكون موزعة بانتظام وسيليكون حر. مع زيادة إضافة الكربون، يزداد محتوى كربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل تدريجياً، ويزداد حجم جزيئات كربيد السيليكون، وتتصل جزيئات كربيد السيليكون ببعضها البعض على شكل هيكل عظمي. مع ذلك، فإن زيادة محتوى الكربون بشكل مفرط قد تؤدي بسهولة إلى وجود كربون متبقٍ في الجسم المتلبد. عند زيادة كمية الكربون الأسود إلى 3a، يكون تلبيد العينة غير مكتمل، وتظهر طبقات سوداء بينية في الداخل.

عند تفاعل الكربون مع السيليكون المنصهر، يبلغ معدل تمدده الحجمي 234%، مما يجعل البنية المجهرية لكربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمحتوى الكربون في الكتلة. عندما يكون محتوى الكربون في الكتلة منخفضًا، لا يكفي كربيد السيليكون الناتج عن تفاعل السيليكون مع الكربون لملء المسام المحيطة بمسحوق الكربون، مما يؤدي إلى وجود كمية كبيرة من السيليكون الحر في العينة. مع زيادة محتوى الكربون في الكتلة، يستطيع كربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل ملء المسام المحيطة بمسحوق الكربون بالكامل وربط جزيئات كربيد السيليكون الأصلية معًا. في هذه الحالة، ينخفض ​​محتوى السيليكون الحر في العينة وتزداد كثافة الجسم المتلبد. مع ذلك، عندما يكون محتوى الكربون في الكتلة أعلى، يُحيط كربيد السيليكون الثانوي الناتج عن تفاعل الكربون مع السيليكون بسرعة بالحبر، مما يُصعّب على السيليكون المنصهر ملامسة الحبر، وينتج عنه وجود كربون متبقٍ في الجسم المتلبد.

وفقًا لنتائج حيود الأشعة السينية، فإن التركيب الطوري لـ sic المتلبد بالتفاعل هو α-SiC و β-SiC والسيليكون الحر.

في عملية التلبيد التفاعلي عند درجات حرارة عالية، تنتقل ذرات الكربون إلى الحالة الأولية على سطح كربيد السيليكون (β-SiC) عبر تكوين السيليكون المنصهر الثانوي (α). ولأن تفاعل السيليكون مع الكربون تفاعل طارد للحرارة، فإن التبريد السريع بعد فترة قصيرة من التفاعل التلقائي عند درجة حرارة عالية يزيد من تشبع الكربون المذاب في السيليكون السائل، مما يؤدي إلى ترسب جزيئات β-SiC على شكل كربون، وبالتالي تحسين الخواص الميكانيكية للمادة. لذلك، يُعدّ تكرير حبيبات β-SiC الثانوي مفيدًا لتحسين مقاومة الانحناء. في نظام السيليكون-كربيد السيليكون المركب، يقل محتوى السيليكون الحر في المادة مع زيادة محتوى الكربون في المادة الخام.

خاتمة:

(1) تزداد لزوجة معجون التلبيد التفاعلي المحضر مع زيادة كمية الكربون الأسود؛ وتكون قيمة الرقم الهيدروجيني قلوية وتزداد تدريجياً.

(2) مع ازدياد محتوى الكربون في المادة، ازدادت كثافة وقوة انحناء السيراميك المُلبّد بالتفاعل والمُحضّر بطريقة الضغط، ثم انخفضت. وعندما بلغت كمية الكربون الأسود 2.5 ضعف الكمية الأولية، كانت قوة الانحناء ثلاثية النقاط والكثافة الكلية للكتلة الخضراء بعد التلبيد بالتفاعل عالية جدًا، حيث بلغت 227.5 ميجا باسكال و3.093 جم/سم³ على التوالي.

(3) عند تلبيد جسم يحتوي على نسبة عالية من الكربون، ستظهر تشققات ومناطق سوداء متداخلة داخله. ويعود سبب التشققات إلى صعوبة تصريف غاز أكسيد السيليكون المتولد أثناء عملية التلبيد، مما يؤدي إلى تراكمه تدريجيًا وارتفاع ضغطه، وبالتالي تشقق المادة. أما في المناطق السوداء المتداخلة داخل الجسم الملبد، فتوجد كمية كبيرة من الكربون غير المتفاعل.