ผลกระทบของปริมาณคาร์บอนต่อโครงสร้างจุลภาคของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา

ปริมาณคาร์บอนในชิ้นงานเผาผนึกแต่ละชิ้นมีความแตกต่างกัน โดยในช่วงปริมาณคาร์บอน A-2.5 awt.% จะเกิดเป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นสูงและแทบไม่มีรูพรุน ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคซิลิคอนคาร์ไบด์และซิลิคอนอิสระที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น ปริมาณซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เกิดจากการเผาผนึกจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ขนาดอนุภาคของซิลิคอนคาร์ไบด์จะใหญ่ขึ้น และซิลิคอนคาร์ไบด์จะเชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างคล้ายโครงกระดูก อย่างไรก็ตาม ปริมาณคาร์บอนที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดคาร์บอนตกค้างในชิ้นงานเผาผนึกได้ง่าย เมื่อเพิ่มปริมาณคาร์บอนแบล็กเป็น 3a การเผาผนึกของชิ้นงานจะไม่สมบูรณ์ และจะปรากฏ "ชั้น" สีดำอยู่ภายใน

เมื่อคาร์บอนทำปฏิกิริยากับซิลิคอนหลอมเหลว อัตราการขยายตัวของปริมาตรจะอยู่ที่ 234% ซึ่งทำให้โครงสร้างจุลภาคของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการเผาผนึกมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับปริมาณคาร์บอนในแท่งโลหะ เมื่อปริมาณคาร์บอนในแท่งโลหะมีน้อย ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างซิลิคอนกับคาร์บอนจะไม่เพียงพอที่จะเติมเต็มรูพรุนรอบผงคาร์บอน ส่งผลให้มีซิลิคอนอิสระจำนวนมากในชิ้นงาน เมื่อปริมาณคาร์บอนในแท่งโลหะเพิ่มขึ้น ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการเผาผนึกจะสามารถเติมเต็มรูพรุนรอบผงคาร์บอนได้อย่างเต็มที่และเชื่อมต่อซิลิคอนคาร์ไบด์เดิมเข้าด้วยกัน ในขณะนี้ ปริมาณซิลิคอนอิสระในชิ้นงานจะลดลงและความหนาแน่นของชิ้นงานที่เผาผนึกจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อมีคาร์บอนในแท่งโลหะมากขึ้น ซิลิคอนคาร์ไบด์รองที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนกับซิลิคอนจะล้อมรอบผงหมึกอย่างรวดเร็ว ทำให้ซิลิคอนหลอมเหลวสัมผัสกับผงหมึกได้ยาก ส่งผลให้มีคาร์บอนตกค้างในชิ้นงานที่เผาผนึก

จากผลการวิเคราะห์ XRD พบว่าองค์ประกอบเฟสของ SiC ที่ผ่านกระบวนการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาประกอบด้วย α-SiC, β-SiC และซิลิคอนอิสระ

ในกระบวนการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง อะตอมของคาร์บอนจะเคลื่อนที่ไปยังสถานะเริ่มต้นบนพื้นผิว SiC ในรูป β-SiC โดยการก่อตัวของ α-SiC ในซิลิคอนหลอมเหลว เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างซิลิคอนและคาร์บอนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่มีความร้อนสูง การทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วหลังจากปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงเกิดขึ้นเองในช่วงเวลาสั้นๆ จะเพิ่มความอิ่มตัวของคาร์บอนที่ละลายในซิลิคอนเหลว ทำให้เกิดการตกตะกอนของอนุภาค β-SiC ในรูปของคาร์บอน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุ ดังนั้น การปรับขนาดเกรน β-SiC ให้ละเอียดขึ้นจึงเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงความแข็งแรงดัดงอ ในระบบคอมโพสิต Si-SiC ปริมาณซิลิคอนอิสระในวัสดุจะลดลงเมื่อปริมาณคาร์บอนในวัตถุดิบเพิ่มขึ้น

บทสรุป:

(1) ความหนืดของสารละลายเผาผนึกปฏิกิริยาที่เตรียมไว้จะเพิ่มขึ้นตามปริมาณของผงคาร์บอนแบล็กที่เพิ่มขึ้น ค่า pH เป็นด่างและค่อยๆ เพิ่มขึ้น

(2) เมื่อปริมาณคาร์บอนในตัววัสดุเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นและความแข็งแรงดัดงอของเซรามิกที่เผาผนึกด้วยปฏิกิริยาซึ่งเตรียมโดยวิธีการอัดจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง เมื่อปริมาณคาร์บอนแบล็กเป็น 2.5 เท่าของปริมาณเริ่มต้น ความแข็งแรงดัดงอแบบสามจุดและความหนาแน่นของแท่งดิบหลังการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยาจะสูงมาก ซึ่งอยู่ที่ 227.5 mpa และ 3.093 g/cm³ ตามลำดับ

(3) เมื่อทำการเผาผนึกเนื้อวัสดุที่มีคาร์บอนมากเกินไป จะเกิดรอยแตกและบริเวณ "แซนด์วิช" สีดำขึ้นในเนื้อวัสดุ สาเหตุของการแตกร้าวคือ ก๊าซซิลิคอนออกไซด์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการเผาผนึกแบบปฏิกิริยาไม่สามารถระบายออกได้ง่าย จึงสะสมตัวขึ้นเรื่อยๆ ความดันจึงสูงขึ้น และผลกระทบจากการดันทำให้เกิดการแตกร้าวของแท่งโลหะ ในบริเวณ "แซนด์วิช" สีดำภายในเนื้อวัสดุที่เผาผนึกนั้น มีคาร์บอนจำนวนมากที่ไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา