छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तैयारी विधि क्या है?

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिरेमिक अपनी उच्च कठोरता, उच्च शक्ति, कम तापीय प्रसार गुणांक, उच्च तापीय चालकता, अच्छी रासायनिक स्थिरता, उत्कृष्ट तापीय आघात प्रतिरोध और ऑक्सीकरण प्रतिरोध के कारण लंबे समय से विभिन्न उन्नत विनिर्माण क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते रहे हैं। सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की उपरोक्त विशेषताओं के अतिरिक्त, छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक, अपनी अनूठी सूक्ष्म छिद्र संरचना के साथ, धातु विज्ञान, रासायनिक अभियांत्रिकी, पर्यावरण संरक्षण और ऊर्जा जैसे क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं रखते हैं, जिससे सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के अनुप्रयोग का दायरा काफी बढ़ जाता है।

विशेष गुणछिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकसिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक मुख्य रूप से अपनी अनूठी छिद्रयुक्त संरचना से लाभान्वित होते हैं, जिसमें छिद्रता, छिद्रों का आकार और वितरण, तथा छिद्रों की आकृति आदि शामिल हैं। इसलिए, वांछित छिद्रयुक्त संरचना प्राप्त करने के लिए इसकी छिद्रता, छिद्रों के आकार और वितरण, साथ ही छिद्रों की आकृति को निर्माण विधि के माध्यम से नियंत्रित करना आवश्यक है। अतः, इसकी निर्माण विधि हमेशा से ही अनुसंधान का केंद्र रही है। यह लेख मुख्य रूप से हाल के वर्षों में देश और विदेश में छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की निर्माण विधियों में हुई अनुसंधान प्रगति की समीक्षा करता है।

1. भौतिक विधि

भौतिक विधि से तात्पर्य यह है कि छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक में रिक्त स्थान निर्माण प्रक्रिया के दौरान कई भौतिक घटनाओं के कारण बनते हैं, जिनमें कोई रासायनिक प्रतिक्रिया या नए पदार्थों का निर्माण शामिल नहीं होता है। मुख्य क्रियाविधि ठोस पदार्थों के ऊष्मीय संकुचन, द्रव अवस्था के वाष्पीकरण और ठोस अवस्था के सीधे ऊर्ध्वपातन से उत्पन्न रिक्त स्थानों का उपयोग करके छिद्रयुक्त संरचना का निर्माण करना है। सामान्य विधियों में कण स्टैकिंग विधि, फ्रीज़-ड्राइंग विधि, सोल-जेल विधि आदि शामिल हैं। हाल के वर्षों में विकसित हुई 3डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके भी छिद्रयुक्त संरचनाओं को सीधे प्रिंट और तैयार किया जा सकता है।

1.1 कण स्टैकिंग विधि

कण पैकिंग सिंटरिंग विधि छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तैयार करने का सबसे सरल तरीका है। इस विधि का सिद्धांत सिरेमिक कणों के स्वयं के सिंटरिंग गुणों का उपयोग करके विभिन्न SiC कणों के बीच सिंटरिंग नेक बनाना है, जिससे कणों का संचय होकर छिद्रयुक्त सिरेमिक बनता है। सिंटरिंग तापमान को कम करने के लिए, आमतौर पर कम गलनांक वाले बाइंडर की एक निश्चित मात्रा को विभिन्न SiC कणों के बीच संबंध बनाने के लिए मिलाया जाता है। चूंकि कण पैकिंग सिंटरिंग विधि में सभी छिद्र SiC कणों के बीच के पैकिंग गैप से बनते हैं, इसलिए तैयार छिद्रयुक्त सिरेमिक की सरंध्रता और छिद्र का आकार पाउडर के आकार, बाइंडर के प्रकार और मात्रा, और सिंटरिंग मापदंडों को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है।

कण स्टैकिंग विधि द्वारा छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के निर्माण में अतिरिक्त छिद्र-निर्माण एजेंटों को मिलाने की आवश्यकता नहीं होती है। यह प्रक्रिया सरल और अपेक्षाकृत आसानी से नियंत्रित की जा सकती है। हालांकि, इस विधि से निर्मित छिद्रयुक्त सिरेमिक की सरंध्रता आमतौर पर कम होती है। छिद्रों का आकार, छिद्र का आकार और सरंध्रता मुख्य रूप से कच्चे माल के कणों के आकार, कण आकार और वितरण के साथ-साथ सिंटरिंग की डिग्री द्वारा निर्धारित होती है।

1.2 फ्रीज़-ड्राइंग विधि

फ्रीज़-ड्राइंग एक ऐसी विधि है जिसमें सिरेमिक एग्रीगेट्स को पानी या कार्बनिक विलायकों के साथ उचित मात्रा में डिस्पर्सेन्ट या बाइंडर की उपस्थिति में समान रूप से मिलाकर एक स्लरी बनाई जाती है। फिर, अच्छी तरह से मिश्रित स्लरी को एक सांचे में डाला जाता है और कम तापमान पर तेजी से जमाया जाता है, जिससे तरल अवस्था मैट्रिक्स जल्दी से ठोस में बदल जाता है। इसके बाद, ठोस अवस्था को ऊर्ध्वपातन द्वारा निकाला जाता है और दबाव कम करके या वैक्यूम सुखाने की प्रक्रिया द्वारा अलग किया जाता है। इस विधि से स्लरी के भीतर दिशात्मक रूप से व्यवस्थित छिद्र संरचनाओं वाला एक ग्रीन बॉडी प्राप्त होता है और अंत में इसे सिंटरिंग करके छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक का उत्पादन किया जाता है।

1.3 3डी प्रिंटिंग विधि

छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तैयार करने की 3डी प्रिंटिंग विधि हाल के वर्षों में विकसित हुई एक नई प्रकार की प्रक्रिया है। यह प्रक्रिया कंप्यूटर की सहायता से तैयार किए गए त्रि-आयामी डेटा मॉडल पर आधारित है। प्रिंटिंग हेड के माध्यम से बाइंडर का छिड़काव किया जाता है, जिससे कच्चे माल के पाउडर की परतें एक के ऊपर एक जमा होकर त्रि-आयामी नेटवर्क संरचना बनाती हैं। 3डी प्रिंटिंग और रिएक्शन सिंटरिंग प्रक्रियाओं के संयोजन से मोल्ड-मुक्त निर्माण और जटिल आकार के सिरेमिक का लगभग सटीक निर्माण संभव हो पाता है।

छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तैयार करने की 3D प्रिंटिंग विधि में सरल निर्माण प्रक्रिया, उच्च निर्माण और प्रसंस्करण दक्षता और सांचों की आवश्यकता न होना जैसी विशेषताएं हैं। इसका उपयोग न केवल जटिल आकृतियों, एकसमान सूक्ष्म संरचनाओं और अच्छी छिद्र संसंयोजन वाले छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तैयार करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि छिद्रयुक्त सिरेमिक की सरंध्रता और छिद्र आकार को भी नियंत्रित और समायोजित किया जा सकता है। हालांकि, यह विधि वर्तमान में प्रारंभिक अनुसंधान चरण में है और प्रक्रिया मापदंडों को अभी और अनुकूलित करने की आवश्यकता है। इसके अलावा, इस विधि से उच्च-शक्ति वाले छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक को एक ही चरण में तैयार करना कठिन है। वांछित उत्पाद प्राप्त करने के लिए अन्य प्रक्रियाओं की सहायता की आवश्यकता होती है, जिससे लागत अपेक्षाकृत अधिक हो जाती है।

1.4 झाग बनाना

फोमिंग मोल्डिंग विधि में सिरेमिक ग्रीन बॉडी या प्रीकर्सर में गैस या गैस उत्पन्न करने वाले पदार्थों को मिलाया जाता है, और फिर उसे सिंटरिंग करके छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक प्राप्त किया जाता है। अन्य निर्माण विधियों के विपरीत, फोमिंग विधि बंद-कोशिका सिरेमिक तैयार करने की एक प्रभावी प्रक्रिया है।

2. रासायनिक विधि

रासायनिक विधि से तात्पर्य यह है कि छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक में छिद्रयुक्त संरचना अकार्बनिक लवणों या मिलाए गए कार्बनिक पदार्थों के अपघटन या अभिक्रिया द्वारा निर्मित होती है, जिससे मूल स्थानों पर रिक्त स्थान रह जाते हैं। छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तैयार करने की सामान्य रासायनिक विधियों में छिद्र-निर्माण कारक मिलाने की विधि, कार्बनिक फोम संसेचन विधि और जैविक टेम्पलेट विधि आदि शामिल हैं।

2.1 ऑर्गेनिक फोम इम्प्रग्नेशन

कार्बनिक फोम संसेचन विधि में कार्बनिक फोम को टेम्पलेट के रूप में उपयोग किया जाता है, तैयार सिरेमिक घोल को टेम्पलेट पर समान रूप से लेपित किया जाता है या टेम्पलेट को घोल में डुबोकर हवा निकाल दी जाती है, जिससे घोल कार्बनिक फोम टेम्पलेट पर समान रूप से चिपक जाता है। फिर, सुखाने और उच्च तापमान पर सिंटरिंग के माध्यम से, कार्बनिक टेम्पलेट को हटा दिया जाता है, जिससे छिद्रयुक्त सिरेमिक प्राप्त होते हैं।

इस विधि की सबसे बड़ी खामी यह है कि इससे छोटे छिद्रों वाले बंद छिद्रयुक्त उत्पाद तैयार नहीं किए जा सकते। इसका आकार सीमित है और कच्चे माल से प्रीफॉर्म के प्रदर्शन पर बहुत अधिक प्रभाव पड़ता है। तैयार किए गए छिद्रयुक्त सिरेमिक पदार्थों के घनत्व और मजबूती को नियंत्रित करना भी कठिन है।

2.2 छिद्र निर्माणकारी एजेंटों को जोड़ने की विधि

छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के निर्माण में छिद्र-निर्माणकारी एजेंट मिलाए जाते हैं। इसके बाद सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर या पूर्ववर्ती पदार्थों में छिद्र-निर्माणकारी एजेंट मिलाए जाते हैं और बाद की प्रक्रियाओं द्वारा इन्हें हटा दिया जाता है। परिणामस्वरूप, छिद्र-निर्माणकारी एजेंटों द्वारा मूल रूप से घेरे गए स्थानों पर छिद्र बन जाते हैं, और फिर तापन और सिंटरिंग द्वारा छिद्रयुक्त सिरेमिक का निर्माण किया जाता है। इसलिए, छिद्र-निर्माणकारी एजेंटों के प्रकार और मात्रा में परिवर्तन करके तैयार छिद्रयुक्त सिरेमिक की सरंध्रता, छिद्र आकृति विज्ञान, छिद्र आकार और वितरण को आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है। छिद्र-निर्माणकारी एजेंटों के प्रकार बहुत व्यापक हैं, जिनमें प्राकृतिक या कृत्रिम कार्बनिक पॉलिमर, तरल पदार्थ, लवण, सिरेमिक या अन्य पाउडर आदि शामिल हैं। विभिन्न छिद्र-निर्माणकारी एजेंटों को हटाने की प्रक्रियाएँ भिन्न-भिन्न होती हैं। कार्बनिक पॉलिमर छिद्र-निर्माणकारी एजेंटों को आमतौर पर तापन और अपघटन द्वारा हटाया जाता है, तरल छिद्र-निर्माणकारी एजेंटों को क्रिस्टलीकरण और ऊर्ध्वपातन द्वारा हटाया जा सकता है, लवणों को जल निस्पंदन द्वारा हटाया जा सकता है, और सिरेमिक पाउडर को उपयुक्त विलयन निस्पंदन द्वारा हटाया जा सकता है।

2.3 जैविक टेम्पलेट विधि

जैविक पदार्थों में सूक्ष्म छिद्र संरचना कृत्रिम पदार्थों की तुलना में काफी भिन्न होती है। अपनी अनूठी संरचना के कारण, जीवों को टेम्पलेट के रूप में उपयोग करके समान संरचना वाले छिद्रयुक्त सिरेमिक पदार्थों के निर्माण पर व्यापक ध्यान दिया गया है [10]। जैविक टेम्पलेट विधि और कार्बनिक फोम संसेचन विधि में समानताएं हैं। कार्बनिक फोम संसेचन विधि में कृत्रिम स्पंज को टेम्पलेट के रूप में उपयोग किया जाता है, जबकि जैविक टेम्पलेट विधि में प्राकृतिक जीवों को टेम्पलेट के रूप में उपयोग किया जाता है।

छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तैयार करने की जैविक टेम्पलेट विधि के कई फायदे हैं, जैसे कि सरल प्रक्रिया और कम लागत। यह जटिल आकृतियों वाले सिरेमिक का उत्पादन कर सकती है और प्राकृतिक जैविक पदार्थों की संरचना को अधिकतम सीमा तक दोहरा सकती है। हालांकि, उच्च तापमान कार्बनीकरण प्रक्रिया के दौरान जैविक टेम्पलेट में दरारें पड़ने की संभावना रहती है, जिसका छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के यांत्रिक गुणों पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इसके अलावा, तैयार किए गए छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की छिद्र संरचना मुख्य रूप से जैविक टेम्पलेट की सूक्ष्म संरचना पर निर्भर करती है, और इसकी डिज़ाइन क्षमता सीमित है। साथ ही, इस विधि की कुछ कमियां भी हैं, जैसे कि SiC की अपेक्षाकृत कम रूपांतरण दक्षता, SiC अभिक्रिया परत का आसानी से झड़ जाना और तैयारी चक्र का लंबा समय लगना।