పోరస్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్ తయారీ విధానం ఏమిటి?

సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) సిరామిక్స్ వాటి అధిక కాఠిన్యం, అధిక బలం, తక్కువ ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం, అధిక ఉష్ణ వాహకత, మంచి రసాయన స్థిరత్వం, అద్భుతమైన ఉష్ణఘాత నిరోధకత మరియు ఆక్సీకరణ నిరోధకత కారణంగా వివిధ అధునాతన తయారీ రంగాలలో చాలా కాలంగా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క పైన పేర్కొన్న లక్షణాలతో పాటు, వాటి ప్రత్యేకమైన సూక్ష్మ రంధ్రాల నిర్మాణం కలిగిన పోరస్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్, లోహశాస్త్రం, రసాయన ఇంజనీరింగ్, పర్యావరణ పరిరక్షణ మరియు శక్తి వంటి రంగాలలో విస్తృత అనువర్తన అవకాశాలను కలిగి ఉన్నాయి, తద్వారా సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క అనువర్తన పరిధిని బాగా విస్తరిస్తున్నాయి.

ప్రత్యేక లక్షణాలురంధ్రాలు గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్ఇవి ప్రధానంగా వాటి విశిష్టమైన సచ్ఛిద్ర నిర్మాణం నుండి ప్రయోజనం పొందుతాయి, ఇందులో సచ్ఛిద్రత, రంధ్రాల పరిమాణం మరియు పంపిణీ, మరియు రంధ్రాల ఆకారం మొదలైనవి ఉంటాయి. అందువల్ల, కావలసిన సచ్ఛిద్ర నిర్మాణాన్ని పొందడానికి, తయారీ పద్ధతి ద్వారా దాని సచ్ఛిద్రత, రంధ్రాల పరిమాణం మరియు పంపిణీతో పాటు రంధ్రాల ఆకారాన్ని కూడా నియంత్రించడం అవసరం. అందువల్ల, దాని తయారీ పద్ధతి ఎల్లప్పుడూ ప్రజల పరిశోధనలకు కేంద్ర బిందువుగా ఉంది. ఈ వ్యాసం ప్రధానంగా ఇటీవలి సంవత్సరాలలో దేశ విదేశాలలో సచ్ఛిద్ర సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ తయారీ పద్ధతులలో జరిగిన పరిశోధన పురోగతిని సమీక్షిస్తుంది.

1. భౌతిక పద్ధతి

భౌతిక పద్ధతి అంటే, రసాయన చర్యలు జరగకుండా లేదా కొత్త పదార్థాలు ఉత్పత్తి కాకుండా, తయారీ ప్రక్రియలో జరిగే అనేక భౌతిక దృగ్విషయాల వల్ల రంధ్రాలు గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌లోని ఖాళీలు ఏర్పడతాయనే వాస్తవాన్ని సూచిస్తుంది. ఘన పదార్థాల ఉష్ణ సంకోచం, ద్రవ దశ యొక్క బాష్పీభవనం, మరియు ఘన దశ యొక్క ప్రత్యక్ష ఉత్పతనం వలన మిగిలిపోయిన ఖాళీలపై ఆధారపడి రంధ్రాల నిర్మాణాన్ని ఏర్పరచడమే దీని ప్రధాన యంత్రాంగం. సాధారణ పద్ధతులలో కణాలను పేర్చే పద్ధతి, ఫ్రీజ్-డ్రైయింగ్ పద్ధతి, సోల్-జెల్ పద్ధతి మొదలైనవి ఉన్నాయి. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో అభివృద్ధి చెందిన 3D ప్రింటింగ్ టెక్నాలజీని ఉపయోగించి కూడా రంధ్రాల నిర్మాణాలను నేరుగా ప్రింట్ చేసి తయారు చేయవచ్చు.

1.1 కణాల పేర్పు పద్ధతి

పోరస్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి పార్టికల్ ప్యాకింగ్ సింటరింగ్ పద్ధతి అత్యంత సరళమైన మార్గం. ఈ పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఏమిటంటే, వివిధ SiC కణాల మధ్య సింటరింగ్ నెక్స్‌ను ఏర్పరచడానికి సిరామిక్ కణాల యొక్క సింటరింగ్ పనితీరును ఉపయోగించుకోవడం, తద్వారా కణాలు ఒకచోట చేరి పోరస్ సిరామిక్స్‌గా ఏర్పడటానికి వీలు కల్పించడం. సింటరింగ్ ఉష్ణోగ్రతను తగ్గించడానికి, సాధారణంగా తక్కువ ద్రవీభవన స్థానం ఉన్న కొంత మొత్తంలో బైండర్‌ను వివిధ SiC కణాల మధ్య అనుసంధానాన్ని ఏర్పరచడానికి కలుపుతారు. పార్టికల్ ప్యాకింగ్ సింటరింగ్ పద్ధతిలో అన్ని రంధ్రాలు SiC కణాల మధ్య ఉండే ప్యాకింగ్ గ్యాప్స్ నుండి ఏర్పడతాయి కాబట్టి, పౌడర్ పరిమాణం, బైండర్ రకం మరియు కలిపే మొత్తం, మరియు సింటరింగ్ పారామితులను మార్చడం ద్వారా తయారైన పోరస్ సిరామిక్స్ యొక్క పోరసిటీ మరియు రంధ్రాల పరిమాణాన్ని నియంత్రించవచ్చు.

కణాలను పేర్చే పద్ధతి ద్వారా రంధ్రాలు గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి అదనపు రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాలను జోడించాల్సిన అవసరం లేదు. ఈ ప్రక్రియ సరళమైనది మరియు నియంత్రించడం కూడా చాలా సులభం. అయితే, ఈ పద్ధతి ద్వారా తయారు చేయబడిన రంధ్రాలు గల సిరామిక్స్‌లో రంధ్రాల సాంద్రత సాధారణంగా తక్కువగా ఉంటుంది. రంధ్రాల ఆకారం, రంధ్ర పరిమాణం మరియు రంధ్రాల సాంద్రత అనేవి ప్రధానంగా ముడి పదార్థ కణాల ఆకారం, కణ పరిమాణం మరియు పంపిణీతో పాటు, సింటరింగ్ స్థాయిపై కూడా ఆధారపడి ఉంటాయి.

1.2 ఫ్రీజ్-డ్రైయింగ్ పద్ధతి

ఫ్రీజ్-డ్రైయింగ్ అనేది ఒక పద్ధతి, దీనిలో సిరామిక్ సముదాయాలను నీరు లేదా సేంద్రీయ ద్రావకాలతో, తగినంత పరిమాణంలో డిస్పర్సెంట్లు లేదా బైండర్ల సమక్షంలో ఏకరీతిగా కలిపి ఒక స్లర్రీని తయారు చేస్తారు. ఆ తర్వాత, బాగా కలిపిన స్లర్రీని ఒక అచ్చులో పోసి, తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద వేగంగా గడ్డకట్టేలా చేస్తారు. దీనివల్ల ద్రవ దశలోని మాతృక త్వరగా ఘనంగా మారుతుంది. తదనంతరం, ఘనీభవించిన ఘన దశను పీడన తగ్గింపు లేదా వాక్యూమ్ డ్రైయింగ్ ప్రక్రియ ద్వారా ఉత్పతనం చేసి తొలగిస్తారు. ఈ పద్ధతిలో స్లర్రీ లోపల దిశానిర్దేశితంగా అమర్చబడిన రంధ్ర నిర్మాణాలు మిగిలి ఉన్న గ్రీన్ బాడీని పొంది, చివరకు దానిని సింటరింగ్ చేసి సచ్ఛిద్ర సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తారు.

1.3 3D ప్రింటింగ్ పద్ధతి

రంధ్రాలు గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారుచేసే 3D ప్రింటింగ్ పద్ధతి, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో అభివృద్ధి చెందిన ఒక కొత్త రకమైన తయారీ ప్రక్రియ. ఈ ప్రక్రియ కంప్యూటర్ సహాయంతో రూపొందించిన త్రిమితీయ డేటా మోడల్‌పై ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్రింటింగ్ హెడ్ ద్వారా, ముడి పదార్థపు పొడిని పొరలు పొరలుగా పేర్చి, త్రిమితీయ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణంలోకి తీసుకురావడానికి బైండర్‌ను స్ప్రే చేస్తారు. 3D ప్రింటింగ్ మరియు రియాక్షన్ సింటరింగ్ ప్రక్రియల కలయికతో, అచ్చు అవసరం లేని తయారీని మరియు సంక్లిష్ట ఆకారాలు గల సిరామిక్స్‌ను దాదాపు ఖచ్చితమైన పరిమాణంలో రూపొందించడాన్ని సాధించవచ్చు.

రంధ్రయుత సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారుచేసే 3D ప్రింటింగ్ పద్ధతి సరళమైన ఆకృతి ప్రక్రియ, అధిక తయారీ మరియు ప్రాసెసింగ్ సామర్థ్యం కలిగి ఉంటుంది మరియు దీనికి అచ్చుల అవసరం లేదు. దీనిని సంక్లిష్ట ఆకారాలు, ఏకరీతి సూక్ష్మ నిర్మాణాలు మరియు మంచి రంధ్రాల అనుసంధానం కలిగిన రంధ్రయుత సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించడమే కాకుండా, ఆ రంధ్రయుత సిరామిక్స్‌లోని రంధ్రాల సాంద్రత మరియు రంధ్రాల పరిమాణాన్ని కూడా నియంత్రించవచ్చు మరియు సర్దుబాటు చేయవచ్చు. అయితే, ఈ పద్ధతి ప్రస్తుతం ఇంకా అన్వేషణాత్మక పరిశోధన దశలోనే ఉంది మరియు దీని ప్రక్రియ పారామితులను ఇంకా మెరుగుపరచవలసి ఉంది. అదనంగా, ఈ పద్ధతి ద్వారా అధిక బలం గల రంధ్రయుత సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను ఒకే దశలో తయారు చేయడం కష్టం. కావలసిన ఉత్పత్తులను తయారు చేయడానికి ఇతర ప్రక్రియల సహాయం అవసరం, దీనివల్ల ఖర్చులు సాపేక్షంగా ఎక్కువగా ఉంటాయి.

1.4 నురుగు

ఫోమింగ్ మోల్డింగ్ పద్ధతిలో, సిరామిక్ గ్రీన్ బాడీ లేదా ప్రికర్సర్‌కు వాయువును లేదా తదుపరి ప్రాసెసింగ్ ద్వారా వాయువును ఉత్పత్తి చేయగల పదార్థాలను జోడించి, ఆపై దానిని సింటరింగ్ చేయడం ద్వారా పోరస్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను పొందుతారు. ఇతర తయారీ పద్ధతులకు భిన్నంగా, క్లోజ్డ్-సెల్ సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి ఫోమింగ్ పద్ధతి ఒక సమర్థవంతమైన ప్రక్రియ.

2. రసాయన పద్ధతి

రసాయన పద్ధతి అంటే, అకర్బన లవణాలు లేదా జోడించిన సేంద్రీయ పదార్థాల విఘటనం లేదా చర్య వలన, అసలు స్థానాలలో ఖాళీలు ఏర్పడి, పోరస్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌లోని సచ్ఛిద్ర నిర్మాణం ఏర్పడుతుంది. పోరస్ సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే సాధారణ రసాయన పద్ధతులలో రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాన్ని జోడించే పద్ధతి, ఆర్గానిక్ ఫోమ్ ఇంప్రెగ్నేషన్ పద్ధతి, మరియు బయోలాజికల్ టెంప్లేట్ పద్ధతి మొదలైనవి ఉన్నాయి.

2.1 ఆర్గానిక్ ఫోమ్ ఇంప్రెగ్నేషన్

ఆర్గానిక్ ఫోమ్ ఇంప్రెగ్నేషన్ పద్ధతిలో, ఆర్గానిక్ ఫోమ్‌ను ఒక టెంప్లేట్‌గా ఉపయోగించి, తయారుచేసిన సిరామిక్ స్లర్రీని టెంప్లేట్‌పై సమానంగా పూయడం లేదా గాలిని తొలగించడానికి టెంప్లేట్‌ను స్లర్రీలో ముంచడం జరుగుతుంది. దీనివల్ల స్లర్రీ ఆర్గానిక్ ఫోమ్ టెంప్లేట్‌కు సమానంగా అంటుకుంటుంది. ఆ తర్వాత, ఎండబెట్టడం మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత సింటరింగ్ ద్వారా ఆర్గానిక్ టెంప్లేట్‌ను తొలగించి, తద్వారా పోరస్ సిరామిక్స్‌ను పొందుతారు.

ఈ పద్ధతి యొక్క అతి ముఖ్యమైన లోపం ఏమిటంటే, ఇది చిన్న రంధ్రాలు గల మూసివున్న సూక్ష్మరంధ్రాల ఉత్పత్తులను తయారు చేయలేకపోవడం. ఆకారం పరిమితంగా ఉంటుంది మరియు ముడి పదార్థాల వల్ల ప్రీఫార్మ్ పనితీరు బాగా ప్రభావితమవుతుంది. తయారు చేయబడిన సూక్ష్మరంధ్రాల సిరామిక్ పదార్థాల సాంద్రత మరియు బలాన్ని నియంత్రించడం కూడా కష్టం.

2.2 రంధ్రాలు ఏర్పరిచే కారకాలను జోడించే పద్ధతి

రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాలను జోడించడం ద్వారా రంధ్రాలు గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారుచేయడంలో, సిలికాన్ కార్బైడ్ పౌడర్ లేదా పూర్వగాములకు ఈ కారకాలను జోడించి, ఆపై తదుపరి ప్రక్రియల ద్వారా వాటిని తొలగించడం జరుగుతుంది. ఫలితంగా, మొదట రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాలు ఉన్న స్థానాలలో రంధ్రాలు ఏర్పడతాయి, ఆ తర్వాత రంధ్రాల సిరామిక్స్‌ను రూపొందించడానికి వేడిచేయడం మరియు సింటరింగ్ ప్రక్రియలు నిర్వహిస్తారు. అందువల్ల, రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాల రకం మరియు మోతాదును మార్చడం ద్వారా, తయారైన రంధ్రాల సిరామిక్స్ యొక్క రంధ్రాల సాంద్రత, రంధ్రాల స్వరూపం, రంధ్రాల పరిమాణం మరియు పంపిణీని సౌకర్యవంతంగా నియంత్రించవచ్చు. రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాల రకాలు చాలా విస్తృతమైనవి, వీటిలో సహజ లేదా సంశ్లేషిత సేంద్రీయ పాలిమర్లు, ద్రవాలు, లవణాలు, సిరామిక్స్ లేదా ఇతర పౌడర్లు మొదలైనవి ఉంటాయి. వివిధ రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాలను తొలగించే ప్రక్రియలు వేర్వేరుగా ఉంటాయి. సేంద్రీయ పాలిమర్ రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాలను సాధారణంగా వేడిచేయడం మరియు వియోగం ద్వారా తొలగిస్తారు, ద్రవ రంధ్రాలను ఏర్పరిచే కారకాలను స్ఫటికీకరణ మరియు ఉత్పతనం ద్వారా తొలగించవచ్చు, లవణాలను నీటి వడపోత ద్వారా తొలగించవచ్చు మరియు సిరామిక్ పౌడర్లను తగిన ద్రావణ వడపోత ద్వారా తొలగించవచ్చు.

2.3 జీవసంబంధ టెంప్లేట్ పద్ధతి

జీవపదార్థాలలోని సూక్ష్మ రంధ్రాల నిర్మాణం కృత్రిమ పదార్థాలలోని దాని కంటే గణనీయంగా భిన్నంగా ఉంటుంది. దాని ప్రత్యేకమైన నిర్మాణం కారణంగా, జీవులను టెంప్లేట్‌లుగా ఉపయోగించి సారూప్య నిర్మాణాలతో కూడిన రంధ్రాల సిరామిక్ పదార్థాల తయారీ విస్తృతమైన దృష్టిని ఆకర్షించింది [10]. జీవ టెంప్లేట్ పద్ధతి మరియు సేంద్రీయ ఫోమ్ ఇంప్రెగ్నేషన్ పద్ధతి సారూప్యతలను పంచుకుంటాయి. సేంద్రీయ ఫోమ్ ఇంప్రెగ్నేషన్ పద్ధతి కృత్రిమ స్పాంజ్‌ను టెంప్లేట్‌గా ఉపయోగిస్తుంది, అయితే జీవ టెంప్లేట్ పద్ధతి సహజ జీవులను టెంప్లేట్‌గా ఉపయోగిస్తుంది.

రంధ్రాల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే జీవ టెంప్లేట్ పద్ధతికి సరళమైన ప్రక్రియ మరియు తక్కువ ఖర్చు వంటి ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి. ఇది సంక్లిష్టమైన ఆకృతులతో సిరామిక్స్‌ను ఉత్పత్తి చేయగలదు మరియు సహజ జీవ పదార్థాల నిర్మాణాన్ని అత్యధిక స్థాయిలో పునఃసృష్టించగలదు. అయితే, అధిక-ఉష్ణోగ్రత కార్బనైజేషన్ ప్రక్రియలో జీవ టెంప్లేట్ పగుళ్లకు గురయ్యే అవకాశం ఉంది, ఇది రంధ్రాల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలపై గణనీయమైన ప్రభావాన్ని చూపుతుంది. అంతేకాకుండా, తయారు చేయబడిన రంధ్రాల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క రంధ్రాల నిర్మాణం ప్రధానంగా జీవ టెంప్లేట్ యొక్క సూక్ష్మ నిర్మాణంపైనే ఆధారపడి ఉంటుంది మరియు దాని రూపకల్పన సామర్థ్యం తక్కువగా ఉంటుంది. దీనికి అదనంగా, ఈ పద్ధతిలో SiC యొక్క సాపేక్షంగా తక్కువ మార్పిడి సామర్థ్యం, ​​SiC చర్య పొర సులభంగా ఊడిపోవడం మరియు సుదీర్ఘ తయారీ చక్రం వంటి కొన్ని ప్రతికూలతలు కూడా ఉన్నాయి.