நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு செராமிக் தயாரிக்கும் முறை என்ன?

சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) பீங்கான்கள், அவற்றின் உயர் கடினத்தன்மை, உயர் வலிமை, குறைந்த வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம், உயர் வெப்பக் கடத்துத்திறன், நல்ல வேதியியல் நிலைத்தன்மை, சிறந்த வெப்ப அதிர்ச்சி எதிர்ப்பு மற்றும் ஆக்சிஜனேற்ற எதிர்ப்பு போன்ற பண்புகளின் காரணமாக, பல்வேறு மேம்பட்ட உற்பத்தித் துறைகளில் நீண்ட காலமாகப் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்பட்டு வருகின்றன. சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களின் மேற்கூறிய பண்புகளுக்குக் கூடுதலாக, நுண்துளைகளுடைய சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்கள், அவற்றின் தனித்துவமான நுண்ணிய நுண்துளை அமைப்புடன், உலோகவியல், வேதியியல் பொறியியல், சுற்றுச்சூழல் பாதுகாப்பு மற்றும் ஆற்றல் போன்ற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. இது சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களின் பயன்பாட்டு எல்லையை வெகுவாக விரிவுபடுத்துகிறது.

சிறப்புப் பண்புகள்நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்முக்கியமாக அவற்றின் தனித்துவமான நுண்துளை அமைப்பிலிருந்து பயனடைகின்றன, இதில் நுண்துளைத்தன்மை, நுண்துளை அளவு மற்றும் பரவல், மற்றும் நுண்துளை வடிவம் போன்றவை அடங்கும். எனவே, விரும்பிய நுண்துளை அமைப்பைப் பெறுவதற்கு, தயாரிப்பு முறையின் மூலம் அதன் நுண்துளைத்தன்மை, நுண்துளை அளவு மற்றும் பரவல், அத்துடன் நுண்துளைகளின் வடிவத்தையும் ஒழுங்குபடுத்துவது அவசியமாகிறது. ஆகையால், அதன் தயாரிப்பு முறை எப்போதுமே மக்களின் ஆராய்ச்சியின் மையமாக இருந்து வருகிறது. இந்தக் கட்டுரை, சமீபத்திய ஆண்டுகளில் உள்நாட்டிலும் வெளிநாட்டிலும் நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களின் தயாரிப்பு முறைகளில் ஏற்பட்டுள்ள ஆராய்ச்சி முன்னேற்றங்களை முக்கியமாக மீள்பார்வை செய்கிறது.

1. இயற்பியல் முறை

இயற்பியல் முறை என்பது, நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களில் உள்ள வெற்றிடங்கள், தயாரிப்புச் செயல்முறையின் போது வேதி வினைகள் நிகழாமலோ அல்லது புதிய பொருட்கள் உருவாகாமலோ, தொடர்ச்சியான இயற்பியல் நிகழ்வுகளால் ஏற்படுகின்றன என்பதைக் குறிக்கிறது. திடப் பொருட்களின் வெப்பச் சுருக்கம், திரவ நிலையின் ஆவியாதல் மற்றும் திட நிலையின் நேரடி பதங்கமாதல் ஆகியவற்றால் விட்டுச்செல்லப்பட்ட வெற்றிடங்களைச் சார்ந்து ஒரு நுண்துளை அமைப்பை உருவாக்குவதே இதன் முக்கிய இயங்குமுறையாகும். பொதுவான முறைகளில் துகள் அடுக்கல் முறை, உறை-உலர்த்தல் முறை, கரைசல்-கூழ் முறை போன்றவை அடங்கும். சமீபத்திய ஆண்டுகளில் தோன்றியுள்ள முப்பரிமாண அச்சிடும் தொழில்நுட்பத்தையும் நுண்துளை அமைப்புகளை நேரடியாக அச்சிட்டுத் தயாரிக்கப் பயன்படுத்தலாம்.

1.1 துகள் அடுக்கல் முறை

நுண்துளைகள் கொண்ட சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கான மிக எளிய வழி துகள் பொதிவு சின்டரிங் முறையாகும். இந்த முறையின் கொள்கை, பீங்கான் துகள்களின் சின்டரிங் செயல்திறனைப் பயன்படுத்தி வெவ்வேறு SiC துகள்களுக்கு இடையில் சின்டரிங் கழுத்துகளை உருவாக்குவதாகும். இதன் மூலம், துகள்கள் குவிந்து நுண்துளைகள் கொண்ட பீங்கான்கள் உருவாகின்றன. சின்டரிங் வெப்பநிலையைக் குறைப்பதற்காக, வெவ்வேறு SiC துகள்களுக்கு இடையில் ஒரு இணைப்பை உருவாக்க, குறைந்த உருகுநிலை கொண்ட ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு பிணைப்பான் பொதுவாகச் சேர்க்கப்படுகிறது. துகள் பொதிவு சின்டரிங் முறையில் உள்ள அனைத்து நுண்துளைகளும் SiC துகள்களுக்கு இடையேயான பொதிவு இடைவெளிகளிலிருந்து உருவாவதால், தூளின் அளவு, பிணைப்பானின் வகை மற்றும் சேர்க்கும் அளவு, மற்றும் சின்டரிங் அளவுருக்கள் ஆகியவற்றை மாற்றுவதன் மூலம், முடிக்கப்பட்ட நுண்துளைகள் கொண்ட பீங்கான்களின் நுண்துளைத்தன்மை மற்றும் நுண்துளை அளவைக் கட்டுப்படுத்த முடியும்.

துகள் அடுக்கல் முறையில் நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கு, கூடுதல் நுண்துளை உருவாக்கும் காரணிகளைச் சேர்க்கத் தேவையில்லை. இந்த செயல்முறை எளிமையானது மற்றும் கட்டுப்படுத்த ஒப்பீட்டளவில் சுலபமானது. இருப்பினும், இந்த முறையில் தயாரிக்கப்படும் நுண்துளை பீங்கான்களின் நுண்துளைத்தன்மை பொதுவாகக் குறைவாகவே இருக்கும். நுண்துளைகளின் வடிவம், அளவு மற்றும் நுண்துளைத்தன்மை ஆகியவை முக்கியமாக மூலப்பொருள் துகள்களின் வடிவம், துகள் அளவு மற்றும் பரவல், அத்துடன் உருகுதல் நிலை ஆகியவற்றைப் பொறுத்தே அமைகின்றன.

1.2 உறைவித்தல்-உலர்த்தும் முறை

உறைவித்தல்-உலர்த்துதல் என்பது, பீங்கான் திரட்டுகளை நீர் அல்லது கரிமக் கரைப்பான்களுடன், பொருத்தமான அளவு பரப்பிகள் அல்லது பிணைப்பிகளின் முன்னிலையில், சீராகக் கலந்து ஒரு கூழ்மத்தை உருவாக்கும் ஒரு முறையாகும். பின்னர், நன்கு கலக்கப்பட்ட அந்தக் கூழ்மம் ஒரு அச்சில் ஊற்றப்பட்டு, குறைந்த வெப்பநிலையில் வேகமாக உறைய வைக்கப்படுகிறது. இது, திரவ நிலை அணியானது விரைவாக ஒரு திடப்பொருளாக இறுகுவதற்கு அனுமதிக்கிறது. அதனைத் தொடர்ந்து, இறுகிய திட நிலையானது பதங்கமாக்கப்பட்டு, அழுத்தக் குறைப்பு அல்லது வெற்றிட உலர்த்தல் சிகிச்சை மூலம் அகற்றப்படுகிறது. கூழ்மத்திற்குள் திசைசார்ந்த முறையில் அமைக்கப்பட்ட துளை அமைப்புகளைக் கொண்ட ஒரு பச்சைப் பொருளைப் பெற்று, இறுதியாக அதை உருக்கிச் சூடாக்கி நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களை உற்பத்தி செய்யும் ஒரு முறை இதுவாகும்.

1.3 முப்பரிமாண அச்சிடும் முறை

நுண்துளைகள் கொண்ட சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கான 3D அச்சிடும் முறை, சமீபத்திய ஆண்டுகளில் வளர்ந்துள்ள ஒரு புதிய வகை தயாரிப்பு செயல்முறையாகும். இந்த செயல்முறை, கணினி உதவியுடன் வடிவமைக்கப்பட்ட ஒரு முப்பரிமாண தரவு மாதிரியைச் சார்ந்துள்ளது. அச்சிடும் தலை வழியாக, பிணைப்பான் தெளிக்கப்பட்டு, மூலப்பொருள் தூள் அடுக்கு அடுக்காக ஒரு முப்பரிமாண வலைப்பின்னல் கட்டமைப்பாக அடுக்கப்படுகிறது. 3D அச்சிடுதல் மற்றும் வினைச் சின்டரிங் செயல்முறைகளின் இந்த ஒருங்கிணைப்பு, அச்சில்லா உற்பத்தியையும், சிக்கலான வடிவ பீங்கான்களின் இறுதி அளவிற்கு அருகாமையிலான உருவாக்கத்தையும் அடைய உதவுகிறது.

நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கான 3D அச்சிடும் முறையானது, எளிமையான உருவாக்கும் செயல்முறை, உயர் தயாரிப்பு மற்றும் செயலாக்கத் திறன், மற்றும் அச்சுகளின் தேவை இல்லாமை போன்ற அம்சங்களைக் கொண்டுள்ளது. சிக்கலான வடிவங்கள், சீரான நுண் கட்டமைப்புகள் மற்றும் நல்ல நுண்துளை இணைப்புத்திறன் கொண்ட நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிக்க இது பயன்படுவது மட்டுமல்லாமல், நுண்துளை பீங்கான்களின் நுண்துளைத்தன்மை மற்றும் நுண்துளை அளவையும் கட்டுப்படுத்தவும் சரிசெய்யவும் முடியும். இருப்பினும், இந்த முறை தற்போது ஆரம்பகட்ட ஆய்வு நிலையில் உள்ளது, மேலும் இதன் செயல்முறை அளவுருக்கள் இன்னும் மேம்படுத்தப்பட வேண்டும். கூடுதலாக, இந்த முறையில் உயர் வலிமை கொண்ட நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களை ஒரே படிநிலையில் தயாரிப்பது கடினம். விரும்பிய தயாரிப்புகளை உற்பத்தி செய்ய மற்ற செயல்முறைகளின் உதவி தேவைப்படுகிறது, இது ஒப்பீட்டளவில் அதிக செலவுகளை ஏற்படுத்துகிறது.

1.4 நுரைத்தல்

நுரை வார்ப்பு முறையில், பீங்கான் பச்சை மூலப்பொருள் அல்லது முன்னோடிப் பொருளுடன் வாயு அல்லது அடுத்தடுத்த செயலாக்கத்தின் மூலம் வாயுவை உருவாக்கக்கூடிய பொருட்கள் சேர்க்கப்பட்டு, பின்னர் நுண்துளைகள் கொண்ட சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைப் பெறுவதற்காக அது சூடாக்கப்படுகிறது. மற்ற தயாரிப்பு முறைகளைப் போலல்லாமல், மூடிய-செல் பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கு நுரை வார்ப்பு முறை ஒரு திறமையான செயல்முறையாகும்.

2. இரசாயன முறை

வேதியியல் முறை என்பது, நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களில் உள்ள நுண்துளை அமைப்பானது, கனிம உப்புகள் அல்லது சேர்க்கப்பட்ட கரிமப் பொருட்களின் சிதைவு அல்லது வினையினால் உருவாகி, அவற்றின் அசல் இடங்களில் வெற்றிடங்களை விட்டுச் செல்வதைக் குறிக்கிறது. நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கான பொதுவான வேதியியல் முறைகளில், நுண்துளை உருவாக்கும் காரணியைச் சேர்க்கும் முறை, கரிம நுரை செறிவூட்டும் முறை, மற்றும் உயிரியல் வார்ப்புரு முறை போன்றவை அடங்கும்.

2.1 கரிம நுரை செறிவூட்டல்

கரிம நுரை செறிவூட்டல் முறையில், கரிம நுரையை ஒரு வார்ப்புருவாகப் பயன்படுத்தி, தயாரிக்கப்பட்ட பீங்கான் கூழ்மத்தை அந்த வார்ப்புருவின் மீது சீராகப் பூசுவது அல்லது காற்றை வெளியேற்றுவதற்காக வார்ப்புருவைக் கூழ்மத்தில் மூழ்க வைப்பது ஆகியவை அடங்கும். இதன் மூலம், கூழ்மம் கரிம நுரை வார்ப்புருவில் சீராக ஒட்டிக்கொள்வது உறுதி செய்யப்படுகிறது. பின்னர், உலர்த்துதல் மற்றும் உயர்-வெப்பநிலை உருகுதல் மூலம், கரிம வார்ப்புரு அகற்றப்பட்டு, நுண்துளைகள் கொண்ட பீங்கான்கள் பெறப்படுகின்றன.

இந்த முறையின் மிக முக்கியமான குறைபாடு என்னவென்றால், இதனால் சிறிய துளைகள் கொண்ட மூடிய நுண்துளைப் பொருட்களை உற்பத்தி செய்ய இயலாது. இதன் வடிவம் கட்டுப்படுத்தப்பட்டுள்ளதுடன், மூலப்பொருட்களால் முன்வடிவத்தின் செயல்திறனும் பெரிதும் பாதிக்கப்படுகிறது. தயாரிக்கப்பட்ட நுண்துளை பீங்கான் பொருட்களின் அடர்த்தி மற்றும் வலிமையைக் கட்டுப்படுத்துவதும் கடினமாக உள்ளது.

2.2 துளை உருவாக்கும் காரணிகளைச் சேர்க்கும் முறை

துளை உருவாக்கும் காரணிகளைச் சேர்ப்பதன் மூலம் நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதில், சிலிக்கான் கார்பைடு தூள் அல்லது முன்னோடிப் பொருட்களுடன் துளை உருவாக்கும் காரணிகளைச் சேர்ப்பதும், பின்னர் அடுத்தடுத்த செயல்முறைகள் மூலம் அக்காரணிகளை அகற்றுவதும் அடங்கும். இதன் விளைவாக, முதலில் துளை உருவாக்கும் காரணிகள் இருந்த இடங்களில் துளைகள் உருவாகின்றன, பின்னர் நுண்துளை பீங்கான்களை உருவாக்க வெப்பமூட்டுதல் மற்றும் உருகுதல் செயல்முறைகள் மேற்கொள்ளப்படுகின்றன. எனவே, துளை உருவாக்கும் காரணிகளின் வகை மற்றும் அளவை மாற்றுவதன் மூலம், முடிக்கப்பட்ட நுண்துளை பீங்கான்களின் நுண்துளைத்தன்மை, துளை உருவவியல், துளை அளவு மற்றும் பரவல் ஆகியவற்றை வசதியாகக் கட்டுப்படுத்த முடியும். துளை உருவாக்கும் காரணிகளின் வகைகள் மிகவும் விரிவானவை; இயற்கை அல்லது செயற்கை கரிம பாலிமர்கள், திரவங்கள், உப்புகள், பீங்கான்கள் அல்லது பிற தூள்கள் போன்றவை இதில் அடங்கும். வெவ்வேறு துளை உருவாக்கும் காரணிகளை அகற்றும் செயல்முறைகள் வேறுபடுகின்றன. கரிம பாலிமர் துளை உருவாக்கும் காரணிகள் பொதுவாக வெப்பமூட்டுதல் மற்றும் சிதைத்தல் மூலம் அகற்றப்படுகின்றன, திரவ துளை உருவாக்கும் காரணிகளைப் படிகமாக்கல் மற்றும் பதங்கமாதல் மூலம் அகற்றலாம், உப்புகளை நீர் வடிகட்டுதல் மூலம் அகற்றலாம், மற்றும் பீங்கான் தூள்களைப் பொருத்தமான கரைசல் வடிகட்டுதல் மூலம் அகற்றலாம்.

2.3 உயிரியல் வார்ப்பு முறை

உயிரிப் பொருட்களில் உள்ள நுண்ணிய துளை அமைப்பு, செயற்கைப் பொருட்களில் உள்ளதை விட கணிசமாக வேறுபட்டது. அதன் தனித்துவமான அமைப்பு காரணமாக, உயிரினங்களை வார்ப்புருக்களாகப் பயன்படுத்தி ஒத்த அமைப்புகளுடன் கூடிய நுண்துளை பீங்கான் பொருட்களைத் தயாரிப்பது பரவலான கவனத்தைப் பெற்றுள்ளது [10]. உயிரியல் வார்ப்புரு முறை மற்றும் கரிம நுரை செறிவூட்டல் முறை ஆகியவை ஒற்றுமைகளைப் பகிர்ந்து கொள்கின்றன. கரிம நுரை செறிவூட்டல் முறை செயற்கை பஞ்சை வார்ப்புருவாகப் பயன்படுத்துகிறது, அதே நேரத்தில் உயிரியல் வார்ப்புரு முறை இயற்கை உயிரினங்களை வார்ப்புருவாகப் பயன்படுத்துகிறது.

நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களைத் தயாரிப்பதற்கான உயிரியல் வார்ப்பு முறையானது, எளிய செயல்முறை மற்றும் குறைந்த செலவு போன்ற நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளது. இது சிக்கலான வடிவங்களைக் கொண்ட பீங்கான்களை உருவாக்க முடியும் மற்றும் இயற்கையான உயிரியல் பொருட்களின் கட்டமைப்பை அதிகபட்ச அளவிற்குப் பிரதிபலிக்க முடியும். இருப்பினும், உயர்-வெப்பநிலை கார்பனாக்கல் செயல்முறையின் போது உயிரியல் வார்ப்பு விரிசல்களுக்கு உள்ளாகிறது, இது நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களின் இயந்திரவியல் பண்புகளில் குறிப்பிடத்தக்க தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது. மேலும், தயாரிக்கப்பட்ட நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பைடு பீங்கான்களின் துளை அமைப்பானது முக்கியமாக உயிரியல் வார்ப்பின் நுண் கட்டமைப்பையே சார்ந்துள்ளது, மேலும் அதன் வடிவமைக்கும் திறன் குறைவாக உள்ளது. கூடுதலாக, இந்த முறையில் சிலிக்கான் கார்பைடின் (SiC) ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த மாற்றத் திறன், சிலிக்கான் கார்பைடு வினை அடுக்கு எளிதில் உதிர்தல் மற்றும் நீண்ட தயாரிப்புச் சுழற்சி போன்ற சில குறைபாடுகளும் உள்ளன.