กระบวนการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยการเผาผนึกแบบปฏิกิริยาและการเผาผนึกแบบไร้แรงดัน

การเผาผนึกปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาการเผาผนึกเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์กระบวนการผลิตประกอบด้วย การอัดเซรามิก การอัดสารช่วยหลอมละลาย การเผาผนึกแบบปฏิกิริยา การเตรียมผลิตภัณฑ์เซรามิก การเตรียมเซรามิกไม้ซิลิคอนคาร์ไบด์ และขั้นตอนอื่นๆ

หัวฉีดซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเผาผนึกปฏิกิริยา

ประการแรก ผงเซรามิก 80-90% (ประกอบด้วยผงหนึ่งหรือสองชนิด)ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ผงคาร์บอน (ประกอบด้วยผงคาร์บอนแบล็กหรือเรซินฟีนอล) 3-15% และผงโบรอนคาร์ไบด์ 3-15% และสารขึ้นรูป (เรซินฟีนอล โพลีเอทิลีนไกลคอล ไฮดรอกซีเมทิลเซลลูโลส หรือพาราฟิน) 5-15% จะถูกผสมให้เข้ากันโดยใช้เครื่องบดลูกบอลจนได้ผงผสม จากนั้นจึงนำไปอบแห้งแบบสเปรย์และบดเป็นเม็ด แล้วจึงอัดลงในแม่พิมพ์เพื่อให้ได้ชิ้นงานเซรามิกที่มีรูปร่างเฉพาะต่างๆ
ประการที่สอง นำผงซิลิคอน 60-80%, ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ 3-10% และผงโบรอนไนไตรด์ 37-10% มาผสมให้เข้ากัน แล้วอัดลงในแม่พิมพ์เพื่อให้ได้เม็ดตัวแทรกซึมฟลักซ์สำหรับการเผาผนึก
จากนั้น นำชิ้นงานเซรามิกและชิ้นงานอัดขึ้นรูปที่เผาผนึกแล้วมาซ้อนกัน แล้วเพิ่มอุณหภูมิเป็น 1450-1750℃ ในเตาสุญญากาศที่มีระดับสุญญากาศไม่น้อยกว่า 5×10⁻¹ Pa เพื่อทำการเผาผนึกและคงอุณหภูมิไว้เป็นเวลา 1-3 ชั่วโมง เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์เซรามิกที่ผ่านการเผาผนึกแล้ว กำจัดเศษสารแทรกซึมที่ตกค้างบนพื้นผิวของเซรามิกที่เผาผนึกแล้วโดยการเคาะ เพื่อให้ได้แผ่นเซรามิกที่มีความหนาแน่นสูง และคงรูปทรงเดิมของชิ้นงานอัดขึ้นรูปไว้
สุดท้ายนี้ กระบวนการเผาผนึกแบบปฏิกิริยาถูกนำมาใช้ กล่าวคือ ซิลิคอนเหลวหรือโลหะผสมซิลิคอนที่มีปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงจะแทรกซึมเข้าไปในชิ้นงานเซรามิกพรุนที่มีคาร์บอนภายใต้แรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย และทำปฏิกิริยากับคาร์บอนภายในเพื่อสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งจะขยายตัวในเชิงปริมาตร และรูพรุนที่เหลือจะถูกเติมเต็มด้วยซิลิคอนธาตุ ชิ้นงานเซรามิกพรุนอาจเป็นคาร์บอนบริสุทธิ์หรือวัสดุคอมโพสิตซิลิคอนคาร์ไบด์/คาร์บอน โดยแบบแรกได้มาจากการบ่มด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาและการเผาไหม้ของเรซินอินทรีย์ สารก่อรูพรุน และตัวทำละลาย ส่วนแบบหลังได้มาจากการเผาไหม้ของอนุภาคซิลิคอนคาร์ไบด์/วัสดุคอมโพสิตที่ใช้เรซินเป็นฐานเพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตซิลิคอนคาร์ไบด์/คาร์บอน หรือโดยการใช้ α-SiC และผงคาร์บอนเป็นวัสดุเริ่มต้นและใช้กระบวนการอัดหรือฉีดขึ้นรูปเพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิต

การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน

กระบวนการเผาผนึกแบบไร้แรงดันของซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกเป็น การเผาผนึกในเฟสของแข็งและการเผาผนึกในเฟสของเหลว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับเซรามิกส์ซิลิคอนคาร์ไบด์ทั้งในและต่างประเทศ ส่วนใหญ่เน้นไปที่การเผาผนึกในเฟสของเหลว กระบวนการเตรียมเซรามิกมีดังนี้: การบดด้วยลูกบอลของวัสดุผสม -> การพ่นเม็ด -> การอัดแห้ง -> การทำให้แข็งตัวของชิ้นงานดิบ -> การเผาผนึกในสุญญากาศ

ผลิตภัณฑ์ซิลิคอนคาร์ไบด์เผาผนึกแบบไร้แรงดัน

เติมผงซิลิคอนคาร์ไบด์ละเอียดพิเศษ (50-500 นาโนเมตร) 96-99 ส่วน ผงโบรอนคาร์ไบด์ละเอียดพิเศษ (50-500 นาโนเมตร) 1-2 ส่วน นาโนไทเทเนียมโบไรด์ (30-80 นาโนเมตร) 0.2-1 ส่วน เรซินฟีนอลที่ละลายน้ำได้ 10-20 ส่วน และสารช่วยกระจายตัวประสิทธิภาพสูง 0.1-0.5 ส่วน ลงในเครื่องบดลูกบอลเพื่อบดและผสมเป็นเวลา 24 ชั่วโมง จากนั้นเทสารละลายที่ผสมแล้วลงในถังผสมเพื่อกวนเป็นเวลา 2 ชั่วโมงเพื่อกำจัดฟองอากาศในสารละลาย
ส่วนผสมข้างต้นจะถูกฉีดพ่นเข้าไปในหอการขึ้นรูปเม็ด และจะได้ผงเม็ดที่มีรูปร่างอนุภาคที่ดี มีความลื่นไหลดี ช่วงการกระจายตัวของอนุภาคแคบ และมีความชื้นปานกลาง โดยการควบคุมแรงดันการฉีดพ่น อุณหภูมิอากาศขาเข้า อุณหภูมิอากาศขาออก และขนาดอนุภาคของแผ่นฉีดพ่น ความถี่การเหวี่ยงหนีศูนย์กลางอยู่ที่ 26-32 อุณหภูมิอากาศขาเข้าอยู่ที่ 250-280℃ อุณหภูมิอากาศขาออกอยู่ที่ 100-120℃ และแรงดันขาเข้าของสารละลายอยู่ที่ 40-60
ผงเม็ดละเอียดข้างต้นจะถูกใส่ลงในแม่พิมพ์คาร์ไบด์ซีเมนต์เพื่อทำการอัดขึ้นรูปเป็นชิ้นงานดิบ วิธีการอัดขึ้นรูปเป็นการอัดแบบสองทิศทาง และกำลังอัดของเครื่องมือกลอยู่ที่ 150-200 ตัน
ชิ้นงานดิบที่อัดขึ้นรูปแล้วจะถูกนำไปอบแห้งในเตาอบเพื่อให้แห้งและแข็งตัว เพื่อให้ได้ชิ้นงานดิบที่มีความแข็งแรงดี
นำตัวอย่างสีเขียวที่ผ่านการบ่มแล้วข้างต้นไปวางไว้ในเบ้าหลอมกราไฟต์และจัดเรียงให้ชิดกันและเป็นระเบียบ จากนั้นจึงนำเบ้าหลอมกราไฟต์ที่มีชิ้นงานดิบไปวางในเตาเผาสุญญากาศอุณหภูมิสูงเพื่อทำการเผา อุณหภูมิในการเผาอยู่ที่ 2200-2250℃ และระยะเวลาในการคงอุณหภูมิคือ 1-2 ชั่วโมง ในที่สุดก็จะได้ผลเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เผาผนึกแบบไร้แรงดันประสิทธิภาพสูง

การเผาผนึกในเฟสของแข็ง

กระบวนการเผาผนึกแบบไร้แรงดันของซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกเป็น การเผาผนึกในเฟสของแข็งและการเผาผนึกในเฟสของเหลว การเผาผนึกในเฟสของเหลวจำเป็นต้องเติมสารเติมแต่งการเผาผนึก เช่น สารเติมแต่ง Y2O3 แบบไบนารีและเทอร์นารี เพื่อให้ SiC และวัสดุคอมโพสิตของ SiC เกิดการเผาผนึกในเฟสของเหลวและบรรลุความหนาแน่นที่อุณหภูมิต่ำกว่า วิธีการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เผาผนึกในเฟสของแข็งประกอบด้วย การผสมวัตถุดิบ การพ่นเม็ด การขึ้นรูป และการเผาผนึกในสุญญากาศ กระบวนการผลิตโดยละเอียดมีดังต่อไปนี้:
นำซิลิคอนคาร์ไบด์อัลฟาขนาดเล็กกว่าไมครอน (200-500 นาโนเมตร) 70-90%, โบรอนคาร์ไบด์ 0.1-5%, เรซิน 4-20% และสารยึดเกาะอินทรีย์ 5-20% ใส่ลงในเครื่องผสมและเติมน้ำบริสุทธิ์เพื่อทำการผสมแบบเปียก หลังจาก 6-48 ชั่วโมง สารละลายที่ผสมแล้วจะถูกกรองผ่านตะแกรงขนาด 60-120 เมช
สารละลายที่ผ่านการร่อนแล้วจะถูกพ่นเป็นเม็ดผ่านหอพ่นเม็ด อุณหภูมิขาเข้าของหอพ่นเม็ดอยู่ที่ 180-260℃ และอุณหภูมิขาออกอยู่ที่ 60-120℃ ความหนาแน่นของเม็ดอยู่ที่ 0.85-0.92 กรัม/ซม³ ความลื่นไหลอยู่ที่ 8-11 วินาที/30 กรัม เม็ดที่ได้จะถูกร่อนผ่านตะแกรงขนาด 60-120 เมชเพื่อใช้ในภายหลัง
เลือกแม่พิมพ์ตามรูปทรงของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ใส่เม็ดวัสดุลงในช่องแม่พิมพ์ และทำการขึ้นรูปด้วยการอัดที่อุณหภูมิห้องด้วยแรงดัน 50-200 MPa เพื่อให้ได้ชิ้นงานดิบ หรือวางชิ้นงานดิบหลังจากขึ้นรูปด้วยการอัดแล้วลงในเครื่องอัดความดันไอโซสแตติก ทำการอัดความดันไอโซสแตติกด้วยแรงดัน 200-300 MPa เพื่อให้ได้ชิ้นงานดิบหลังจากอัดซ้ำครั้งที่สอง
นำชิ้นงานดิบที่เตรียมไว้ในขั้นตอนข้างต้นใส่ลงในเตาเผาสุญญากาศเพื่อทำการเผาผนึก ชิ้นงานที่ได้มาตรฐานจะเป็นเซรามิกกันกระสุนซิลิคอนคาร์ไบด์สำเร็จรูป ในกระบวนการเผาผนึกข้างต้น ขั้นแรกให้ทำการดูดอากาศออกจากเตาเผาผนึกก่อน และเมื่อระดับสุญญากาศถึง 3-5×10⁻² Pa แล้ว จึงค่อยปล่อยก๊าซเฉื่อยเข้าไปในเตาเผาผนึกจนถึงความดันปกติ จากนั้นจึงทำการให้ความร้อน ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและเวลาในการให้ความร้อนคือ: จากอุณหภูมิห้องถึง 800℃ ใช้เวลา 5-8 ชั่วโมง คงอุณหภูมิไว้ 0.5-1 ชั่วโมง จาก 800℃ ถึง 2000-2300℃ ใช้เวลา 6-9 ชั่วโมง คงอุณหภูมิไว้ 1-2 ชั่วโมง จากนั้นจึงปล่อยให้เย็นลงพร้อมกับเตาเผาจนถึงอุณหภูมิห้อง

โครงสร้างจุลภาคและขอบเกรนของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เผาผนึกภายใต้ความดันปกติ

โดยสรุปแล้ว เซรามิกที่ผลิตโดยกระบวนการเผาผนึกแบบอัดร้อนมีประสิทธิภาพดีกว่า แต่ต้นทุนการผลิตก็สูงขึ้นมากเช่นกัน เซรามิกที่เตรียมโดยการเผาผนึกแบบไร้แรงดันมีความต้องการวัตถุดิบสูง อุณหภูมิการเผาผนึกสูง ขนาดของผลิตภัณฑ์เปลี่ยนแปลงมาก กระบวนการซับซ้อน และประสิทธิภาพต่ำ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์เซรามิกที่ผลิตโดยกระบวนการเผาผนึกแบบปฏิกิริยามีความหนาแน่นสูง ประสิทธิภาพการต้านทานกระสุนที่ดี และต้นทุนการผลิตค่อนข้างต่ำ กระบวนการเตรียมการเผาผนึกเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์แบบต่างๆ มีข้อดีและข้อเสียของตนเอง และสถานการณ์การใช้งานก็แตกต่างกัน นโยบายที่ดีที่สุดคือการเลือกวิธีการเตรียมที่เหมาะสมตามผลิตภัณฑ์และหาจุดสมดุลระหว่างต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพสูง