عملية تحضير سيراميك كربيد السيليكون بالتلبيد التفاعلي والتلبيد بدون ضغط

التلبيد التفاعلي

رد فعل التلبيدسيراميك كربيد السيليكونتتضمن عملية الإنتاج ضغط السيراميك، وضغط عامل تسرب تدفق التلبيد، وإعداد منتج السيراميك للتلبيد التفاعلي، وإعداد سيراميك الخشب من كربيد السيليكون وغيرها من الخطوات.

فوهة كربيد السيليكون للتلبيد 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 الكربون الأسود والراتنج الفينولي) و5-15% من عامل الصب (الراتنج الفينولي، البولي إيثيلين جلايكول، هيدروكسي ميثيل السليلوز أو البارافين) بالتساوي باستخدام مطحنة الكرة للحصول على مسحوق مختلط، والذي يتم تجفيفه بالرش وتحبيبه، ثم يتم ضغطه في قالب للحصول على سيراميك مضغوط بأشكال محددة مختلفة.
ثانياً، يتم خلط 60-80% من مسحوق السيليكون، و3-10% من مسحوق كربيد السيليكون، و37-10% من مسحوق نيتريد البورون بالتساوي، ويتم ضغطها في قالب للحصول على عامل تسلل تدفق التلبيد المضغوط.
يُرصّ بعد ذلك السيراميك المضغوط والسيراميك المضغوط المُسْتَرْشَح المُتَحَمِّل معًا، وتُرفع درجة الحرارة إلى 1450-1750 درجة مئوية في فرن تفريغ بدرجة تفريغ لا تقل عن 5×10-1 باسكال للتلبيد والحفاظ على الحرارة لمدة تتراوح بين ساعة وثلاث ساعات للحصول على منتج سيراميك مُسْتَرْشِد. تُزال بقايا التسرب من سطح السيراميك المُسْتَرْشِح بالطرق للحصول على صفيحة سيراميك كثيفة، مع الحفاظ على الشكل الأصلي للسيراميك المضغوط.
أخيرًا، تُعتمد عملية التلبيد التفاعلي، أي أن السيليكون السائل أو سبيكة السيليكون ذات النشاط التفاعلي عند درجة حرارة عالية تتسرب إلى الفراغ الخزفي المسامي المحتوي على الكربون تحت تأثير القوة الشعرية، وتتفاعل مع الكربون الموجود فيه لتكوين كربيد السيليكون، الذي يتمدد حجمًا، وتُملأ المسام المتبقية بالسيليكون العنصري. يمكن أن يكون الفراغ الخزفي المسامي من الكربون النقي أو من كربيد السيليكون/مادة مركبة قائمة على الكربون. يُحصل على الأول عن طريق المعالجة التحفيزية والتحليل الحراري لراتنج عضوي، وعامل تشكيل مسام، ومذيب. أما الثاني، فيُحصل عليه عن طريق التحليل الحراري لجسيمات كربيد السيليكون/مواد مركبة قائمة على الراتنج للحصول على كربيد السيليكون/مواد مركبة قائمة على الكربون، أو باستخدام α-SiC ومسحوق الكربون كمواد أولية، ثم استخدام عملية الضغط أو القولبة بالحقن للحصول على المادة المركبة.

التلبيد بدون ضغط

يمكن تقسيم عملية التلبيد بدون ضغط لكربيد السيليكون إلى تلبيد في الطور الصلب وتلبيد في الطور السائل. في السنوات الأخيرة، تزايدت الأبحاث حولسيراميك كربيد السيليكونركزت الشركة، محليًا ودوليًا، بشكل رئيسي على التلبيد السائل. وتتم عملية تحضير السيراميك على النحو التالي: طحن كرات المواد المختلطة ← التحبيب بالرش ← الضغط الجاف ← تجميد الجسم الأخضر ← التلبيد بالتفريغ.

منتجات كربيد السيليكون الملبدة بدون ضغط

أضف 96-99 جزءًا من مسحوق كربيد السيليكون فائق الدقة (50-500 نانومتر)، و1-2 جزءًا من مسحوق كربيد البورون فائق الدقة (50-500 نانومتر)، و0.2-1 جزءًا من بوريد النانو تيتانيوم (30-80 نانومتر)، و10-20 جزءًا من راتنج الفينولي القابل للذوبان في الماء، و0.1-0.5 جزءًا من المشتت عالي الكفاءة إلى مطحنة الكرات لطحن الكرات والخلط لمدة 24 ساعة، وضع الملاط المختلط في برميل الخلط للتحريك لمدة ساعتين لإزالة الفقاعات في الملاط.
يُرش الخليط المذكور أعلاه في برج التحبيب، ويتم الحصول على مسحوق تحبيب ذي شكل جسيمات جيد، وسيولة جيدة، ونطاق توزيع جسيمات ضيق، ورطوبة معتدلة، عن طريق التحكم في ضغط الرش، ودرجة حرارة مدخل الهواء ومخرجه، وحجم جسيمات صفيحة الرش. يتراوح تردد تحويل الطرد المركزي بين 26 و32، ودرجة حرارة مدخل الهواء بين 250 و280 درجة مئوية، ودرجة حرارة مخرج الهواء بين 100 و120 درجة مئوية، وضغط مدخل الملاط بين 40 و60.
يُوضع مسحوق التحبيب المذكور أعلاه في قالب كربيد أسمنتي للضغط للحصول على جسم أخضر. تعتمد طريقة الضغط على الضغط ثنائي الاتجاه، وتتراوح حمولة ضغط الآلة بين 150 و200 طن.
يتم وضع الجسم الأخضر المضغوط في فرن التجفيف للتجفيف والتصلب للحصول على جسم أخضر ذو قوة جسم أخضر جيدة.
يتم وضع الجسم الأخضر المعالج أعلاه فيبوتقة الجرافيتبعد ذلك، تُوضع بوتقة الجرافيت ذات الجسم الأخضر في فرن التلبيد الفراغي عالي الحرارة للحرق. تتراوح درجة حرارة الحرق بين 2200 و2250 درجة مئوية، ويستغرق وقت العزل ساعة إلى ساعتين. وأخيرًا، يتم الحصول على سيراميك كربيد السيليكون عالي الأداء والمُلَبَّد بدون ضغط.

التلبيد في الطور الصلب

يمكن تقسيم عملية التلبيد بدون ضغط لكربيد السيليكون إلى تلبيد في الطور الصلب وتلبيد في الطور السائل. يتطلب التلبيد في الطور السائل إضافة إضافات التلبيد، مثل إضافات Y2O3 الثنائية والثلاثية، لجعل كربيد السيليكون ومواده المركبة قابلة للتلبيد في الطور السائل وتحقيق التكثيف عند درجة حرارة منخفضة. تتضمن طريقة تحضير سيراميك كربيد السيليكون المُلبد في الطور الصلب خلط المواد الخام، والتحبيب بالرش، والقولبة، والتلبيد بالتفريغ. وتتم عملية الإنتاج المحددة على النحو التالي:
يُوضع 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 خلاط، ثم يُضاف إليه الماء النقي للخلط الرطب. بعد 6-48 ساعة، يُمرر الخليط عبر منخل شبكي 60-120.
يُرشّ الملاط المنخل بحبيبات الرش عبر برج التحبيب بالرش. تتراوح درجة حرارة مدخل برج التحبيب بالرش بين 180 و260 درجة مئوية، ودرجة حرارة مخرجه بين 60 و120 درجة مئوية؛ وتتراوح الكثافة الظاهرية للمادة المحببة بين 0.85 و0.92 جم/سم3، وتتراوح سيولتها بين 8 و11 ثانية/30 جم؛ وتُنخل المادة المحببة عبر منخل شبكي 60-120 للاستخدام اللاحق.
اختر قالبًا وفقًا لشكل المنتج المطلوب، وحمل المادة الحبيبية في تجويف القالب، وقم بإجراء عملية ضغط في درجة حرارة الغرفة عند ضغط 50-200 ميجا باسكال للحصول على جسم أخضر؛ أو ضع الجسم الأخضر بعد عملية الضغط في جهاز ضغط متساوي القياس، وقم بإجراء ضغط متساوي القياس عند ضغط 200-300 ميجا باسكال، واحصل على جسم أخضر بعد الضغط الثانوي؛
يُوضع الجسم الأخضر المُجهز في الخطوات السابقة في فرن التلبيد الفراغي للتلبيد، ويكون المنتج النهائي هو سيراميك كربيد السيليكون المقاوم للرصاص؛ في عملية التلبيد المذكورة أعلاه، يُفرّغ فرن التلبيد أولًا، وعندما تصل درجة الفراغ إلى 3-5×10-2 باسكال، يُمرّر الغاز الخامل إلى فرن التلبيد إلى الضغط الطبيعي ثم يُسخّن. العلاقة بين درجة حرارة التسخين والوقت هي: درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية، 5-8 ساعات، الحفاظ على الحرارة لمدة 0.5-1 ساعة، من 800 درجة مئوية إلى 2000-2300 درجة مئوية، 6-9 ساعات، الحفاظ على الحرارة لمدة ساعة إلى ساعتين، ثم يُبرّد بالفرن ويُخفض إلى درجة حرارة الغرفة.

البنية الدقيقة وحدود الحبوب لكربيد السيليكون المتصلب عند الضغط العادي

باختصار، تتميز السيراميك المُصنّعة بعملية التلبيد بالضغط الساخن بأداء أفضل، إلا أن تكلفة الإنتاج ترتفع بشكل كبير. تتطلب السيراميك المُحضّرة بالتلبيد بدون ضغط مواد خام أكثر، ودرجة حرارة تلبيد عالية، وتغيرات كبيرة في حجم المنتج، وعملية معقدة، وأداءً منخفضًا. أما السيراميك المُنتج بعملية التلبيد التفاعلي، فيتميز بكثافة عالية، وأداء جيد في مقاومة الرصاص، وتكلفة تحضير منخفضة نسبيًا. تختلف عمليات تحضير التلبيد لسيراميك كربيد السيليكون بمزاياها وعيوبها، وتختلف تطبيقاتها. لذا، يُنصح باختيار طريقة التحضير المناسبة وفقًا للمنتج، وتحقيق التوازن بين التكلفة المنخفضة والأداء العالي.