Ո՞րն է ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստման եղանակը

Սիլիցիումի կարբիդային (SiC) կերամիկան վաղուց լայնորեն օգտագործվել է տարբեր առաջադեմ արտադրական ոլորտներում՝ շնորհիվ իր բարձր կարծրության, բարձր ամրության, ջերմային ընդարձակման փոքր գործակցի, բարձր ջերմահաղորդականության, լավ քիմիական կայունության, ջերմային ցնցումների նկատմամբ գերազանց դիմադրության և օքսիդացման դիմադրության: Սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի վերը նշված բնութագրերից բացի, ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկան, իր յուրահատուկ մանրադիտակային ծակոտկեն կառուցվածքով, լայն կիրառման հեռանկարներ ունի այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են մետալուրգիան, քիմիական ճարտարագիտությունը, շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը և էներգետիկան, զգալիորեն ընդլայնելով սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի կիրառման շրջանակը:

Հատուկ հատկություններըծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկահիմնականում օգտվում են իրենց յուրահատուկ ծակոտկեն կառուցվածքից, որը ներառում է ծակոտկենություն, ծակոտիների չափսերը և բաշխումը, ծակոտիների ձևը և այլն: Հետևաբար, անհրաժեշտ է կարգավորել դրա ծակոտկենությունը, ծակոտիների չափսերը և բաշխումը, ինչպես նաև ծակոտիների ձևը՝ պատրաստման եղանակի միջոցով՝ ցանկալի ծակոտկեն կառուցվածքը ստանալու համար: Հետևաբար, դրա պատրաստման եղանակը միշտ եղել է մարդկանց հետազոտությունների ուշադրության կենտրոնում: Այս հոդվածը հիմնականում ներկայացնում է ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստման մեթոդների հետազոտությունների առաջընթացը ինչպես հայրենիքում, այնպես էլ արտերկրում վերջին տարիներին:

1. Ֆիզիկական մեթոդ

Ֆիզիկական մեթոդը վերաբերում է այն փաստին, որ ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի մեջ առաջացող դատարկությունները առաջանում են պատրաստման գործընթացի ընթացքում տեղի ունեցող մի շարք ֆիզիկական երևույթների հետևանքով՝ առանց քիմիական ռեակցիաների առաջացման կամ նոր նյութերի առաջացման: Հիմնական մեխանիզմը ծակոտկեն կառուցվածքի ձևավորումն է՝ հիմնվելով պինդ նյութերի ջերմային կծկման, հեղուկ փուլի գոլորշիացման և պինդ փուլի ուղղակի սուբլիմացիայի արդյունքում առաջացող դատարկությունների վրա: Տարածված մեթոդներից են մասնիկների կուտակման մեթոդը, սառեցման-չորացման մեթոդը, սոլ-գել մեթոդը և այլն: Վերջին տարիներին ի հայտ եկած 3D տպագրության տեխնոլոգիան կարող է օգտագործվել նաև ծակոտկեն կառուցվածքները ուղղակիորեն տպելու և պատրաստելու համար:

1.1 Մասնիկների կուտակման մեթոդ

Մասնիկների փաթեթավորման սինթերացման մեթոդը ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա պատրաստելու ամենապարզ եղանակն է: Այս մեթոդի սկզբունքն այն է, որ օգտագործվի կերամիկական մասնիկների սինթերացման արդյունավետությունը՝ տարբեր SiC մասնիկների միջև սինթերացման վզիկներ ձևավորելու համար, այդպիսով հնարավորություն տալով մասնիկների կուտակմանը՝ ծակոտկեն կերամիկա ձևավորելու համար: Սինթերացման ջերմաստիճանը իջեցնելու համար սովորաբար ավելացվում է որոշակի քանակությամբ ավելի ցածր հալման կետ ունեցող կապակցանյութ՝ տարբեր SiC մասնիկների միջև կապ ձևավորելու համար: Քանի որ մասնիկների փաթեթավորման սինթերացման մեթոդի բոլոր ծակոտիները վերափոխվում են SiC մասնիկների միջև առկա փաթեթավորման ճեղքերից, պատրաստի ծակոտկեն կերամիկայի ծակոտկենությունը և ծակոտիների չափը կարելի է վերահսկել՝ փոխելով փոշու չափը, կապակցանյութի տեսակը և ավելացված քանակը, ինչպես նաև սինթերացման պարամետրերը:

Մասնիկների կուտակման մեթոդով ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստումը չի պահանջում լրացուցիչ ծակոտիներ առաջացնող նյութերի ավելացում: Գործընթացը պարզ է և համեմատաբար հեշտ է վերահսկել: Այնուամենայնիվ, այս մեթոդով պատրաստված ծակոտկեն կերամիկայի ծակոտկենությունը, ընդհանուր առմամբ, ցածր է: Ծակոտիների ձևը, ծակոտիների չափը և ծակոտիները հիմնականում որոշվում են հումքի մասնիկների ձևով, մասնիկի չափսերով և բաշխմամբ, ինչպես նաև սինտերացման աստիճանով:

1.2 Սառեցման-չորացման մեթոդ

Սառեցնող չորացումը մեթոդ է, որը ներառում է կերամիկական ագրեգատների միատարր խառնումը ջրի կամ օրգանական լուծիչների հետ՝ համապատասխան քանակությամբ դիսպերսանտների կամ կապակցանյութերի առկայության դեպքում՝ խառնուրդ ստանալու համար: Այնուհետև լավ խառնված խառնուրդը լցվում է կաղապարի մեջ և արագ սառեցվում ցածր ջերմաստիճաններում, ինչը թույլ է տալիս հեղուկ փուլի մատրիցին արագորեն պնդանալ՝ վերածվելով պինդ նյութի: Հետագայում պնդացած պինդ փուլը սուբլիմացվում և հեռացվում է ճնշման նվազեցման կամ վակուումային չորացման միջոցով: Խառնուրդի ներսում մնացած ուղղորդված դասավորված ծակոտկեն կառուցվածքներով կանաչ մարմին ստանալու և վերջապես այն սինտերացնելու մեթոդ՝ ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա ստանալու համար:

1.3 3D տպագրության մեթոդ

Ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա պատրաստելու եռաչափ տպագրության մեթոդը վերջին տարիներին մշակված նախապատրաստման գործընթացի նոր տեսակ է: Այս գործընթացը հիմնված է համակարգչային օգնությամբ մշակված եռաչափ տվյալների մոդելի վրա: Տպագրական գլխիկի միջոցով կապակցանյութը ցողվում է՝ հումքի փոշին շերտ առ շերտ դասավորելով եռաչափ ցանցային կառուցվածքի մեջ: 3D տպագրության և ռեակցիայի սինտերացման գործընթացների համադրությունը կարող է ապահովել կաղապարազուրկ արտադրություն և բարդ ձևի կերամիկայի զուտ չափին մոտ ձևավորում:

Ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա պատրաստելու 3D տպագրության մեթոդը առանձնանում է պարզ ձևավորման գործընթացով, բարձր նախապատրաստման և մշակման արդյունավետությամբ և կաղապարների կարիք չունի: Այն կարող է օգտագործվել ոչ միայն բարդ ձևերով, միատարր միկրոկառուցվածքներով և լավ ծակոտիների կապով ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա պատրաստելու համար, այլև ծակոտկեն կերամիկայի ծակոտկենությունը և ծակոտիների չափը կառավարելի և կարգավորելի են: Այնուամենայնիվ, այս մեթոդը դեռևս գտնվում է հետազոտական ​​​​փուլում, և գործընթացի պարամետրերը դեռ պետք է ավելի օպտիմալացվեն: Բացի այդ, այս մեթոդով դժվար է մեկ քայլով պատրաստել բարձր ամրության ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա: Այն պահանջում է այլ գործընթացների օգնություն՝ ցանկալի արտադրանք ստանալու համար, ինչը ենթադրում է համեմատաբար բարձր ծախսեր:

1.4 Փրփրացում

Փրփրացող ձուլման մեթոդը ներառում է կերամիկական կանաչ մարմնին կամ նախորդին հետագա մշակման միջոցով գազ առաջացնող գազի կամ նյութերի ավելացում, ապա դրա սինտերացում՝ ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա ստանալու համար: Ի տարբերություն այլ պատրաստման մեթոդների, փրփրացող մեթոդը փակ բջիջներով կերամիկա պատրաստելու արդյունավետ գործընթաց է:

2. Քիմիական մեթոդ

Քիմիական մեթոդը վերաբերում է այն փաստին, որ ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի ծակոտկեն կառուցվածքը ձևավորվում է անօրգանական աղերի կամ ավելացված օրգանական նյութերի քայքայման կամ ռեակցիայի միջոցով, թողնելով թափուր տեղեր սկզբնական դիրքերում: Ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստման տարածված քիմիական մեթոդներից են ծակոտկեն նյութի ավելացման մեթոդը, օրգանական փրփուրի ներծծման մեթոդը, կենսաբանական ձևանմուշի մեթոդը և այլն:

2.1 Օրգանական փրփուրի ներծծում

Օրգանական փրփուրի ներծծման մեթոդը ներառում է օրգանական փրփուրի օգտագործումը որպես ձևանմուշ, պատրաստված կերամիկական խառնուրդը հավասարաչափ պատելը ձևանմուշի վրա կամ ձևանմուշը խառնուրդի մեջ ընկղմելը օդը դուրս մղելու համար, ապահովելով, որ խառնուրդը հավասարաչափ կպչի օրգանական փրփուրի ձևանմուշին: Այնուհետև, չորացման և բարձր ջերմաստիճանի սինտերացման միջոցով, օրգանական ձևանմուշը հեռացվում է, այդպիսով ստանալով ծակոտկեն կերամիկա:

Այս մեթոդի ամենակարևոր թերությունն այն է, որ այն չի կարող արտադրել փոքր ծակոտիներով փակ ծակոտկենությամբ արտադրանք: Ձևը սահմանափակ է, և նախաձևի աշխատանքը մեծապես կախված է հումքից: Պատրաստված ծակոտկեն կերամիկական նյութերի խտությունն ու ամրությունը նույնպես դժվար է վերահսկել:

2.2 Ծակոտիներ առաջացնող նյութերի ավելացման մեթոդը

Ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստումը ծակոտկեն նյութեր ավելացնելով ներառում է ծակոտկեն նյութեր ավելացնել սիլիցիումի կարբիդի փոշուն կամ նախորդներին, ապա ծակոտկեն նյութերը հեռացնել հետագա գործընթացների միջոցով: Արդյունքում, ծակոտկեն նյութերով սկզբնապես զբաղեցված դիրքերը ձևավորում են ծակոտիներ, ապա կատարվում է տաքացում և սինտերացում՝ ծակոտկեն կերամիկա ձևավորելու համար: Հետևաբար, ծակոտկեն նյութեր առաջացնող նյութերի տեսակի և դեղաչափի փոփոխությունը կարող է հեշտությամբ վերահսկել պատրաստի ծակոտկեն կերամիկայի ծակոտկենությունը, ծակոտիների ձևաբանությունը, ծակոտիների չափը և բաշխումը: Ծակոտկեն նյութեր առաջացնող նյութերի տեսակները շատ լայն են, ներառյալ բնական կամ սինթետիկ օրգանական պոլիմերներ, հեղուկներ, աղեր, կերամիկա կամ այլ փոշիներ և այլն: Տարբեր ծակոտկեն նյութեր առաջացնող նյութերի հեռացման գործընթացները տարբեր են: Օրգանական պոլիմերային ծակոտկեն նյութերը սովորաբար հեռացվում են տաքացման և քայքայման միջոցով, հեղուկ ծակոտկեն նյութերը կարող են հեռացվել բյուրեղացման և սուբլիմացիայի միջոցով, աղերը կարող են հեռացվել ջրային ֆիլտրացիայի միջոցով, իսկ կերամիկական փոշիները կարող են հեռացվել համապատասխան լուծույթային ֆիլտրացիայի միջոցով:

2.3 Կենսաբանական ձևանմուշի մեթոդ

Կենսանյութերի մանրադիտակային ծակոտիների կառուցվածքը զգալիորեն տարբերվում է սինթետիկ նյութերից: Իր յուրահատուկ կառուցվածքի շնորհիվ, նմանատիպ կառուցվածքներով ծակոտկեն կերամիկական նյութերի պատրաստումը, որոնք օգտագործում են օրգանիզմներ որպես ձևանմուշներ, լայն ուշադրության է արժանացել [10]: Կենսաբանական ձևանմուշի մեթոդը և օրգանական փրփուրի ներծծման մեթոդը ունեն նմանություններ: Օրգանական փրփուրի ներծծման մեթոդը որպես ձևանմուշ օգտագործում է արհեստական ​​սպունգ, մինչդեռ կենսաբանական ձևանմուշի մեթոդը որպես ձևանմուշ օգտագործում է բնական օրգանիզմներ:

Ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա պատրաստելու կենսաբանական ձևանմուշի մեթոդն ունի պարզ գործընթացի և ցածր գնի առավելություններ։ Այն կարող է արտադրել բարդ ձևերի կերամիկա և կարող է առավելագույն չափով կրկնօրինակել բնական կենսաբանական նյութերի կառուցվածքը։ Այնուամենայնիվ, կենսաբանական ձևանմուշը հակված է ճաքերի առաջացման բարձր ջերմաստիճանային ածխացման գործընթացի ընթացքում, ինչը էական ազդեցություն ունի ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի մեխանիկական հատկությունների վրա։ Ավելին, պատրաստված ծակոտկեն սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի ծակոտկեն կառուցվածքը հիմնականում կախված է կենսաբանական ձևանմուշի միկրոկառուցվածքից, և դրա նախագծելիությունը վատ է։ Բացի այդ, այս մեթոդն ունի նաև որոշ թերություններ, ինչպիսիք են SiC-ի համեմատաբար ցածր փոխակերպման արդյունավետությունը, SiC ռեակցիայի շերտի հեշտ թափումը և երկար նախապատրաստման ցիկլը։