১. কার্বন/কার্বন তাপীয় ক্ষেত্র উপাদানসমূহে সিলিকন কার্বাইড আবরণের প্রয়োগ ও গবেষণার অগ্রগতি
১.১ ক্রুসিবল প্রস্তুতিতে প্রয়োগ ও গবেষণার অগ্রগতি
একক স্ফটিক তাপীয় ক্ষেত্রে,কার্বন/কার্বন ক্রুসিবলপ্রধানত সিলিকন উপাদান বহনকারী পাত্র হিসেবে ব্যবহৃত হয় এবং এর সংস্পর্শে থাকেকোয়ার্টজ ক্রুসিবলযেমনটি চিত্র ২-এ দেখানো হয়েছে। কার্বন/কার্বন ক্রুসিবলের কার্যকরী তাপমাত্রা প্রায় ১৪৫০℃, যেখানে এটি কঠিন সিলিকন (সিলিকন ডাইঅক্সাইড) এবং সিলিকন বাষ্পের দ্বৈত ক্ষয়ের শিকার হয় এবং অবশেষে ক্রুসিবলটি পাতলা হয়ে যায় বা এতে বলয়াকার ফাটল ধরে, যার ফলে ক্রুসিবলটি অকার্যকর হয়ে পড়ে।
রাসায়নিক বাষ্প ভেদ্যতা প্রক্রিয়া এবং ইন-সিটু বিক্রিয়ার মাধ্যমে একটি যৌগিক প্রলেপযুক্ত কার্বন/কার্বন যৌগিক ক্রুসিবল প্রস্তুত করা হয়েছিল। যৌগিক প্রলেপটি সিলিকন কার্বাইড প্রলেপ (১০০~৩০০μm), সিলিকন প্রলেপ (১০~২০μm) এবং সিলিকন নাইট্রাইড প্রলেপ (৫০~১০০μm) দ্বারা গঠিত ছিল, যা কার্বন/কার্বন যৌগিক ক্রুসিবলের অভ্যন্তরীণ পৃষ্ঠে সিলিকন বাষ্পের ক্ষয়কে কার্যকরভাবে প্রতিরোধ করতে পারত। উৎপাদন প্রক্রিয়ায়, যৌগিক প্রলেপযুক্ত কার্বন/কার্বন যৌগিক ক্রুসিবলের ক্ষয় প্রতি চুল্লিতে ০.০৪ মিমি এবং এর কার্যকাল ১৮০ বার পর্যন্ত হতে পারে।
গবেষকরা একটি উচ্চ-তাপমাত্রার সিন্টারিং চুল্লিতে কাঁচামাল হিসেবে সিলিকন ডাইঅক্সাইড এবং সিলিকন ধাতু ব্যবহার করে, নির্দিষ্ট তাপমাত্রার শর্তাধীনে এবং বাহক গ্যাসের সুরক্ষায় কার্বন/কার্বন যৌগিক পাত্রের পৃষ্ঠে একটি অভিন্ন সিলিকন কার্বাইড আবরণ তৈরি করার জন্য একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া পদ্ধতি ব্যবহার করেছেন। ফলাফল থেকে দেখা যায় যে, এই উচ্চ-তাপমাত্রার প্রক্রিয়াকরণ কেবল এসআইসি (SIC) আবরণের বিশুদ্ধতা এবং শক্তিই উন্নত করে না, বরং কার্বন/কার্বন যৌগের পৃষ্ঠের ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতাও ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি করে এবং মনোক্রিস্টাল সিলিকন চুল্লিতে থাকা SiO বাষ্প ও উদ্বায়ী অক্সিজেন পরমাণু দ্বারা পাত্রের পৃষ্ঠের ক্ষয় রোধ করে। এসআইসি (SIC) আবরণবিহীন পাত্রের তুলনায় এই আবরণযুক্ত পাত্রের কার্যকাল ২০% বৃদ্ধি পায়।
১.২ ফ্লো গাইড টিউবের প্রয়োগ ও গবেষণার অগ্রগতি
গাইড সিলিন্ডারটি ক্রুসিবলের উপরে অবস্থিত (চিত্র ১-এ দেখানো হয়েছে)। ক্রিস্টাল টানার প্রক্রিয়ায়, ক্ষেত্রের ভিতরে এবং বাইরে তাপমাত্রার পার্থক্য অনেক বেশি থাকে, বিশেষ করে নিচের পৃষ্ঠটি গলিত সিলিকন পদার্থের সবচেয়ে কাছে থাকায় সেখানকার তাপমাত্রা সর্বোচ্চ থাকে এবং সিলিকন বাষ্প দ্বারা সৃষ্ট ক্ষয় সবচেয়ে গুরুতর হয়।
গবেষকরা গাইড টিউবের অ্যান্টি-অক্সিডেশন কোটিং এবং এর প্রস্তুতি পদ্ধতির জন্য একটি সহজ প্রক্রিয়া ও ভালো জারণ-প্রতিরোধ ক্ষমতা উদ্ভাবন করেছেন। প্রথমে, গাইড টিউবের ম্যাট্রিক্সের উপর ইন-সিটু পদ্ধতিতে সিলিকন কার্বাইড হুইস্কারের একটি স্তর তৈরি করা হয় এবং তারপর একটি ঘন সিলিকন কার্বাইডের বাইরের স্তর প্রস্তুত করা হয়, যার ফলে ম্যাট্রিক্স এবং ঘন সিলিকন কার্বাইডের পৃষ্ঠস্তরের মধ্যে একটি SiCw ট্রানজিশন স্তর গঠিত হয়, যেমনটি চিত্র ৩-এ দেখানো হয়েছে। এর তাপীয় প্রসারণ সহগ ম্যাট্রিক্স এবং সিলিকন কার্বাইডের মাঝামাঝি ছিল। এটি তাপীয় প্রসারণ সহগের অমিলের কারণে সৃষ্ট তাপীয় পীড়ন কার্যকরভাবে কমাতে পারে।
বিশ্লেষণে দেখা যায় যে, SiCw-এর পরিমাণ বৃদ্ধির সাথে সাথে আবরণের ফাটলের আকার ও সংখ্যা হ্রাস পায়। ১১০০ ℃ তাপমাত্রার বাতাসে ১০ ঘণ্টা জারণের পর, আবরণ নমুনার ওজন হ্রাসের হার মাত্র ০.৮৭%~৮.৮৭% হয় এবং সিলিকন কার্বাইড আবরণের জারণ প্রতিরোধ ক্ষমতা ও তাপীয় অভিঘাত প্রতিরোধ ক্ষমতা ব্যাপকভাবে উন্নত হয়। সম্পূর্ণ প্রস্তুতি প্রক্রিয়াটি রাসায়নিক বাষ্প অধঃক্ষেপণ (chemical vapor deposition) দ্বারা অবিচ্ছিন্নভাবে সম্পন্ন হয়, সিলিকন কার্বাইড আবরণের প্রস্তুতি ব্যাপকভাবে সরলীকৃত হয় এবং সম্পূর্ণ নজলের সামগ্রিক কার্যক্ষমতা শক্তিশালী হয়।
গবেষকরা জোহর মনোক্রিস্টাল সিলিকনের জন্য গ্রাফাইট গাইড টিউবের ম্যাট্রিক্স শক্তিশালীকরণ এবং পৃষ্ঠতল আবরণের একটি পদ্ধতি প্রস্তাব করেছেন। প্রাপ্ত সিলিকন কার্বাইড স্লারি ব্রাশ কোটিং বা স্প্রে কোটিং পদ্ধতির মাধ্যমে গ্রাফাইট গাইড টিউবের পৃষ্ঠে ৩০~৫০ μm পুরুত্বের একটি আবরণ দিয়ে সুষমভাবে প্রলেপ দেওয়া হয় এবং তারপর ইন-সিটু বিক্রিয়ার জন্য একটি উচ্চ-তাপমাত্রার চুল্লিতে রাখা হয়। বিক্রিয়ার তাপমাত্রা ছিল ১৮৫০~২৩০০ ℃ এবং তাপ সংরক্ষণ ছিল ২~৬ ঘণ্টা। SiC-এর বাইরের স্তরটি একটি ২৪ ইঞ্চি (৬০.৯৬ সেমি) একক ক্রিস্টাল বৃদ্ধির চুল্লিতে ব্যবহার করা যেতে পারে, যার ব্যবহারের তাপমাত্রা ১৫০০ ℃। দেখা গেছে যে ১৫০০ ঘণ্টা পরেও গ্রাফাইট গাইড সিলিন্ডারের পৃষ্ঠে কোনো ফাটল বা গুঁড়ো ঝরে পড়েনি।
১.৩ ইনসুলেশন সিলিন্ডারের প্রয়োগ ও গবেষণার অগ্রগতি
একক স্ফটিক সিলিকন তাপ ক্ষেত্র সিস্টেমের অন্যতম প্রধান উপাদান হিসেবে, ইনসুলেশন সিলিন্ডারটি মূলত তাপের অপচয় কমাতে এবং তাপ ক্ষেত্রের পরিবেশের তাপমাত্রার তারতম্য নিয়ন্ত্রণ করতে ব্যবহৃত হয়। একক স্ফটিক চুল্লির অভ্যন্তরীণ দেয়ালের ইনসুলেশন স্তরের একটি সহায়ক অংশ হিসেবে, সিলিকন বাষ্পের ক্ষয়ের ফলে স্ল্যাগ ঝরে পড়ে এবং পণ্যে ফাটল ধরে, যা অবশেষে পণ্যের ব্যর্থতার কারণ হয়।
C/C-sic কম্পোজিট ইনসুলেশন টিউবের সিলিকন বাষ্পজনিত ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা আরও বাড়ানোর জন্য, গবেষকরা প্রস্তুতকৃত C/C-sic কম্পোজিট ইনসুলেশন টিউব পণ্যগুলোকে রাসায়নিক বাষ্প বিক্রিয়া চুল্লিতে রাখেন এবং রাসায়নিক বাষ্প অধঃক্ষেপণ প্রক্রিয়ার মাধ্যমে C/C-sic কম্পোজিট ইনসুলেশন টিউব পণ্যগুলোর পৃষ্ঠে একটি ঘন সিলিকন কার্বাইড আবরণ তৈরি করেন। ফলাফল থেকে দেখা যায় যে, এই প্রক্রিয়াটি সিলিকন বাষ্প দ্বারা C/C-sic কম্পোজিটের কোরের কার্বন ফাইবারের ক্ষয়কে কার্যকরভাবে প্রতিরোধ করতে পারে এবং কার্বন/কার্বন কম্পোজিটের তুলনায় সিলিকন বাষ্পের ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা ৫ থেকে ১০ গুণ বৃদ্ধি পায়, যার ফলে ইনসুলেশন সিলিন্ডারের কার্যকাল এবং তাপীয় ক্ষেত্রের পরিবেশের নিরাপত্তা ব্যাপকভাবে উন্নত হয়।
২. উপসংহার ও ভবিষ্যৎ সম্ভাবনা
সিলিকন কার্বাইড আবরণউচ্চ তাপমাত্রায় এর চমৎকার জারণ প্রতিরোধ ক্ষমতার কারণে কার্বন/কার্বন থার্মাল ফিল্ড উপকরণগুলিতে এর ব্যবহার দিন দিন আরও ব্যাপক হচ্ছে। মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন উৎপাদনে ব্যবহৃত কার্বন/কার্বন থার্মাল ফিল্ড উপকরণগুলির আকার বৃদ্ধির সাথে সাথে, থার্মাল ফিল্ড উপকরণগুলির পৃষ্ঠে সিলিকন কার্বাইড আবরণের সমরূপতা কীভাবে উন্নত করা যায় এবং কার্বন/কার্বন থার্মাল ফিল্ড উপকরণগুলির কার্যকাল কীভাবে বাড়ানো যায়, তা একটি জরুরি সমাধানযোগ্য সমস্যা হয়ে দাঁড়িয়েছে।
অন্যদিকে, মনোক্রিস্টালাইন সিলিকন শিল্পের বিকাশের সাথে সাথে উচ্চ-বিশুদ্ধ কার্বন/কার্বন থার্মাল ফিল্ড উপকরণের চাহিদাও বাড়ছে, এবং বিক্রিয়ার সময় অভ্যন্তরীণ কার্বন ফাইবারের উপর SiC ন্যানোফাইবারও জন্মে। পরীক্ষামূলকভাবে প্রস্তুত C/C-ZRC এবং C/C-sic-ZrC কম্পোজিটগুলির ভর অ্যাবলেশন এবং রৈখিক অ্যাবলেশন হার যথাক্রমে -0.32 mg/s এবং 2.57 μm/s। C/C-sic-ZrC কম্পোজিটগুলির ভর এবং রৈখিক অ্যাবলেশন হার যথাক্রমে -0.24 mg/s এবং 1.66 μm/s। SiC ন্যানোফাইবারযুক্ত C/C-ZRC কম্পোজিটগুলির অ্যাবলেটিভ বৈশিষ্ট্য উন্নততর। পরবর্তীতে, SiC ন্যানোফাইবারের বৃদ্ধির উপর বিভিন্ন কার্বন উৎসের প্রভাব এবং C/C-ZRC কম্পোজিটগুলির অ্যাবলেটিভ বৈশিষ্ট্যকে শক্তিশালী করার ক্ষেত্রে SiC ন্যানোফাইবারের কার্যপ্রণালী নিয়ে গবেষণা করা হবে।
রাসায়নিক বাষ্প ভেদ্যতা প্রক্রিয়া এবং ইন-সিটু বিক্রিয়ার মাধ্যমে একটি যৌগিক প্রলেপযুক্ত কার্বন/কার্বন যৌগিক ক্রুসিবল প্রস্তুত করা হয়েছিল। যৌগিক প্রলেপটি সিলিকন কার্বাইড প্রলেপ (১০০~৩০০μm), সিলিকন প্রলেপ (১০~২০μm) এবং সিলিকন নাইট্রাইড প্রলেপ (৫০~১০০μm) দ্বারা গঠিত ছিল, যা কার্বন/কার্বন যৌগিক ক্রুসিবলের অভ্যন্তরীণ পৃষ্ঠে সিলিকন বাষ্পের ক্ষয়কে কার্যকরভাবে প্রতিরোধ করতে পারত। উৎপাদন প্রক্রিয়ায়, যৌগিক প্রলেপযুক্ত কার্বন/কার্বন যৌগিক ক্রুসিবলের ক্ষয় প্রতি চুল্লিতে ০.০৪ মিমি এবং এর কার্যকাল ১৮০ বার পর্যন্ত হতে পারে।
পোস্ট করার সময়: ২২-ফেব্রুয়ারি-২০২৪