عملية تحضير سيراميك كربيد السيليكون عن طريق التلبيد التفاعلي والتلبيد بدون ضغط

التلبيد التفاعلي

التلبيد التفاعليسيراميك كربيد السيليكونتتضمن عملية الإنتاج ضغط السيراميك، وضغط عامل تسرب التدفق للتلبيد، وتحضير منتج السيراميك بالتلبيد التفاعلي، وتحضير سيراميك الخشب بكربيد السيليكون، وخطوات أخرى.

فوهة من كربيد السيليكون بتقنية التلبيد التفاعلي

أولاً، 80-90% من مسحوق السيراميك (المكون من مسحوق واحد أو اثنين منمسحوق كربيد السيليكونيتم خلط 3-15% من مسحوق مصدر الكربون (المكون من واحد أو اثنين من أسود الكربون وراتنج الفينول) و5-15% من عامل التشكيل (راتنج الفينول، أو بولي إيثيلين جلايكول، أو هيدروكسي ميثيل السليلوز أو البارافين) بالتساوي باستخدام مطحنة كروية للحصول على مسحوق مختلط، والذي يتم تجفيفه بالرش وتحبيبه، ثم يتم ضغطه في قالب للحصول على قرص خزفي بأشكال محددة مختلفة.
ثانيًا، يتم خلط مسحوق السيليكون بنسبة 60-80%، ومسحوق كربيد السيليكون بنسبة 3-10%، ومسحوق نتريد البورون بنسبة 37-10% بالتساوي، ثم يتم ضغطها في قالب للحصول على مادة مضغوطة من عامل تسرب التدفق للتلبيد.
تُكدّس طبقة السيراميك المضغوطة مع طبقة المادة المتغلغلة، ثم تُرفع درجة الحرارة إلى 1450-1750 درجة مئوية في فرن تفريغ هوائي بضغط لا يقل عن 5×10⁻¹ باسكال، وذلك لمدة تتراوح بين ساعة وثلاث ساعات للتلبيد والحفاظ على الحرارة، للحصول على منتج سيراميكي متلبد. تُزال بقايا المادة المتغلغلة من سطح السيراميك المتلبد بالنقر للحصول على صفيحة سيراميكية كثيفة، مع الحفاظ على الشكل الأصلي للطبقة المضغوطة.
أخيرًا، تُعتمد عملية التلبيد التفاعلي، حيث يتغلغل السيليكون السائل أو سبيكة السيليكون ذات النشاط التفاعلي عند درجة حرارة عالية في قالب السيراميك المسامي المحتوي على الكربون بفعل الخاصية الشعرية، ويتفاعل مع الكربون الموجود فيه لتكوين كربيد السيليكون، الذي يتمدد حجمه، بينما تُملأ المسامات المتبقية بالسيليكون النقي. يمكن أن يكون قالب السيراميك المسامي من الكربون النقي أو من مادة مركبة أساسها كربيد السيليكون/الكربون. يُحضّر النوع الأول عن طريق المعالجة التحفيزية والتحلل الحراري لراتنج عضوي، ومادة مُكوِّنة للمسام، ومذيب. أما النوع الثاني، فيُحضّر عن طريق التحلل الحراري لجزيئات كربيد السيليكون/مواد مركبة أساسها الراتنج للحصول على مواد مركبة أساسها كربيد السيليكون/الكربون، أو باستخدام كربيد السيليكون ألفا ومسحوق الكربون كمواد أولية، ثم استخدام عملية الضغط أو قولبة الحقن للحصول على المادة المركبة.

التلبيد بدون ضغط

يمكن تقسيم عملية التلبيد بدون ضغط لكربيد السيليكون إلى تلبيد الطور الصلب وتلبيد الطور السائل. في السنوات الأخيرة، تركزت الأبحاث علىسيراميك كربيد السيليكونتركز الأبحاث المحلية والدولية بشكل أساسي على التلبيد في الطور السائل. وتتلخص عملية تحضير السيراميك في الخطوات التالية: طحن المواد المختلطة بالكرات ← التحبيب بالرش ← الضغط الجاف ← تصلب الجسم الأخضر ← التلبيد الفراغي.

منتجات كربيد السيليكون المتلبدة بدون ضغط

أضف 96-99 جزءًا من مسحوق كربيد السيليكون فائق النعومة (50-500 نانومتر)، و1-2 جزءًا من مسحوق كربيد البورون فائق النعومة (50-500 نانومتر)، و0.2-1 جزءًا من بوريد التيتانيوم النانوي (30-80 نانومتر)، و10-20 جزءًا من الراتنج الفينولي القابل للذوبان في الماء، و0.1-0.5 جزءًا من المشتت عالي الكفاءة إلى مطحنة الكرات للطحن والخلط لمدة 24 ساعة، ثم ضع الخليط المعلق في برميل الخلط للتحريك لمدة ساعتين لإزالة الفقاعات من الخليط المعلق.
يُرشّ المزيج المذكور أعلاه في برج التحبيب، ويُحصل على مسحوق حبيبي ذي شكل جسيمات جيد، وسيولة جيدة، وتوزيع جسيمات ضيق، ورطوبة معتدلة، وذلك بالتحكم في ضغط الرش، ودرجة حرارة الهواء الداخل، ودرجة حرارة الهواء الخارج، وحجم جسيمات طبقة الرش. تتراوح ترددات الطرد المركزي بين 26 و32، ودرجة حرارة الهواء الداخل بين 250 و280 درجة مئوية، ودرجة حرارة الهواء الخارج بين 100 و120 درجة مئوية، وضغط مدخل الملاط بين 40 و60.
يُوضع مسحوق التحبيب المذكور أعلاه في قالب من كربيد التنجستن للضغط عليه والحصول على جسم أولي. تعتمد طريقة الضغط على الضغط ثنائي الاتجاه، وتتراوح قوة الضغط في آلة الضغط بين 150 و200 طن.
يتم وضع الجسم الأخضر المضغوط في فرن تجفيف للتجفيف والمعالجة للحصول على جسم أخضر ذي قوة جيدة.
يتم وضع الجسم الأخضر المعالج أعلاه فيبوتقة من الجرافيتتُرتب المواد بدقة وعناية، ثم توضع بوتقة الجرافيت مع المادة الخام في فرن تلبيد فراغي عالي الحرارة للتسخين. تتراوح درجة حرارة التسخين بين 2200 و2250 درجة مئوية، ومدة التسخين من ساعة إلى ساعتين. في النهاية، نحصل على خزف كربيد السيليكون عالي الأداء مُلبّد بدون ضغط.

التلبيد في الحالة الصلبة

يمكن تقسيم عملية التلبيد بدون ضغط لكربيد السيليكون إلى تلبيد الطور الصلب وتلبيد الطور السائل. يتطلب تلبيد الطور السائل إضافة مواد مضافة للتلبيد، مثل إضافات Y2O3 الثنائية والثلاثية، لجعل كربيد السيليكون ومواده المركبة يخضع للتلبيد في الطور السائل وتحقيق الكثافة عند درجة حرارة منخفضة. تشمل طريقة تحضير خزف كربيد السيليكون المتلبد بالطور الصلب خلط المواد الخام، والتحبيب بالرش، والقولبة، والتلبيد الفراغي. عملية الإنتاج المحددة هي كما يلي:
يتم وضع 70-90% من كربيد السيليكون ألفا دون الميكرون (200-500 نانومتر)، و0.1-5% من كربيد البورون، و4-20% من الراتنج، و5-20% من المادة الرابطة العضوية في الخلاط، ويضاف إليها الماء النقي للخلط الرطب. بعد 6-48 ساعة، يتم تمرير المعلق المختلط من خلال منخل ذي فتحات 60-120 شبكة؛
يتم تحويل المادة المعلقة المنخولة إلى حبيبات بالرش من خلال برج التحبيب بالرش. تتراوح درجة حرارة مدخل برج التحبيب بالرش بين 180 و260 درجة مئوية، بينما تتراوح درجة حرارة المخرج بين 60 و120 درجة مئوية؛ وتتراوح الكثافة الظاهرية للمادة المحببة بين 0.85 و0.92 جم/سم³، وتتراوح سيولتها بين 8 و11 جم/30 جم؛ ثم يتم غربلة المادة المحببة من خلال منخل ذي فتحات تتراوح بين 60 و120 مش لاستخدامها لاحقًا.
اختر قالبًا وفقًا لشكل المنتج المطلوب، وقم بتحميل المادة المحببة في تجويف القالب، وقم بإجراء عملية التشكيل بالضغط في درجة حرارة الغرفة عند ضغط يتراوح بين 50-200 ميجا باسكال للحصول على جسم أخضر؛ أو ضع الجسم الأخضر بعد التشكيل بالضغط في جهاز ضغط متساوي، وقم بإجراء ضغط متساوي عند ضغط يتراوح بين 200-300 ميجا باسكال، واحصل على جسم أخضر بعد الضغط الثانوي؛
ضع الجسم الأخضر المُجهز في الخطوات السابقة في فرن تلبيد فراغي للتلبيد، والنتيجة النهائية هي سيراميك كربيد السيليكون المقاوم للرصاص. في عملية التلبيد المذكورة، قم أولاً بتفريغ الفرن من الهواء، وعندما يصل مستوى الفراغ إلى 3-5 × 10⁻² باسكال، يُمرر غاز خامل إلى الفرن حتى يصل إلى الضغط الجوي العادي، ثم يُسخن. العلاقة بين درجة حرارة التسخين والمدة هي كالتالي: من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية، من 5 إلى 8 ساعات، مع الحفاظ على الحرارة لمدة نصف ساعة إلى ساعة واحدة؛ من 800 درجة مئوية إلى 2000-2300 درجة مئوية، من 6 إلى 9 ساعات، مع الحفاظ على الحرارة لمدة ساعة إلى ساعتين؛ ثم يُبرد داخل الفرن حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة.

البنية المجهرية وحدود الحبيبات لكربيد السيليكون المتلبد تحت الضغط العادي

باختصار، تتميز الخزفيات المصنعة بتقنية التلبيد بالضغط الساخن بأداء أفضل، ولكن تكلفة إنتاجها مرتفعة للغاية. أما الخزفيات المُحضّرة بتقنية التلبيد بدون ضغط، فتتطلب كميات أكبر من المواد الخام، ودرجة حرارة تلبيد عالية، وتغيرات كبيرة في حجم المنتج، وعملية تصنيع معقدة، وأداءً أقل. في المقابل، تتميز الخزفيات المُنتجة بتقنية التلبيد التفاعلي بكثافة عالية، ومقاومة جيدة للرصاص، وتكلفة تحضير منخفضة نسبيًا. لكل طريقة من طرق تحضير خزفيات كربيد السيليكون بالتلبيد مزاياها وعيوبها، كما تختلف تطبيقاتها. لذا، يُعدّ اختيار طريقة التحضير المناسبة للمنتج هو الخيار الأمثل، لتحقيق التوازن بين التكلفة المنخفضة والأداء العالي.