"تقنية الاستنساخ" لسيراميك كربيد السيليكون: تحليل خمسة أنواع رئيسية

سيراميك كربيد السيليكون (SiC)أصبحت هذه المواد مادةً أساسيةً في مجال السيراميك الإنشائي عالي الحرارة، بفضل معامل تمددها الحراري المنخفض، وموصليتها الحرارية العالية، وصلابتها العالية، واستقرارها الحراري والكيميائي الممتاز. وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات رئيسية، مثل الفضاء، والطاقة النووية، والقطاع العسكري، وأشباه الموصلات.
ومع ذلك، فإن الروابط التساهمية القوية للغاية ومعامل الانتشار المنخفض لكربيد السيليكون (SiC) يجعلان تكثيفه صعبًا. ولهذا الغرض، طورت الصناعة تقنيات تلبيد متنوعة، وتتميز سيراميكات كربيد السيليكون المُحضرة بتقنيات مختلفة باختلافات كبيرة في البنية الدقيقة والخصائص ومجالات التطبيق. فيما يلي تحليل للخصائص الأساسية لخمسة أنواع رئيسية من سيراميك كربيد السيليكون.
1. سيراميك SiC غير المتصلب تحت الضغط (S-SiC)
المزايا الأساسية: مناسبة لعمليات صب متعددة، منخفضة التكلفة، غير محدودة الشكل والحجم، وهي أسهل طريقة تلبيد لتحقيق الإنتاج الضخم. بإضافة البورون والكربون إلى β-SiC المحتوي على كميات ضئيلة من الأكسجين، وتلبيده في جو خامل عند درجة حرارة حوالي 2000 درجة مئوية، يمكن الحصول على جسم مُلبَّد بكثافة نظرية تبلغ 98%. هناك طريقتان: الطور الصلب والطور السائل. يتميز الطور الصلب بكثافة ونقاء أعلى، بالإضافة إلى موصلية حرارية عالية ومتانة عالية في درجات الحرارة العالية.
التطبيقات النموذجية: الإنتاج الضخم لحلقات الختم والمحامل الانزلاقية المقاومة للتآكل والتآكل؛ بفضل صلابته العالية ووزنه النوعي المنخفض وأدائه البالستي الممتاز، يُستخدم على نطاق واسع كدروع مضادة للرصاص للمركبات والسفن، وكذلك لحماية الخزائن المدنية ومركبات نقل الأموال. تتفوق مقاومته للصدمات المتعددة على سيراميك SiC العادي، ويمكن أن يصل وزن نقطة كسر الدرع الواقي الأسطواني خفيف الوزن إلى أكثر من 65 طنًا.
2. سيراميك SiC المُلبَّد بالتفاعل (RB SiC)
المزايا الأساسية: أداء ميكانيكي ممتاز، قوة عالية، مقاومة للتآكل والأكسدة؛ درجة حرارة وتكلفة تلبيد منخفضة، وقادرة على تشكيل حجم قريب من الحجم الصافي. تتضمن العملية خلط مصدر كربون مع مسحوق كربيد السيليكون لإنتاج سبيكة. عند درجات حرارة عالية، يتسرب السيليكون المنصهر إلى السبيكة ويتفاعل مع الكربون لتكوين كربيد بيتا-سيليكون، الذي يتحد مع كربيد ألفا-سيليكون الأصلي ويملأ المسام. يكون التغير في الحجم أثناء التلبيد ضئيلاً، مما يجعله مناسبًا للإنتاج الصناعي للمنتجات ذات الأشكال المعقدة.
التطبيقات النموذجية: معدات الفرن ذات درجة الحرارة العالية، الأنابيب المشعة، المبادلات الحرارية، فوهات إزالة الكبريت. بسبب معامل التمدد الحراري المنخفض، معامل المرونة العالي، وخصائص تشكيل الشبكة القريبة، فقد أصبح مادة مثالية للعاكسات الفضائية. كما يمكن أن يحل محل زجاج الكوارتز كتركيبة داعمة للأنابيب الإلكترونية ومعدات تصنيع رقائق أشباه الموصلات.

3. سيراميك SiC المتكلس بالضغط الساخن (HP SiC)
الميزة الأساسية: التلبيد المتزامن تحت درجة حرارة وضغط عاليين، يكون المسحوق في حالة لدنة حرارية، مما يُسهّل عملية نقل الكتلة. يُنتج منتجات ذات حبيبات دقيقة وكثافة عالية وخصائص ميكانيكية ممتازة في درجات حرارة منخفضة ووقت أقصر، مما يُحقق كثافة كاملة وحالة تلبيد شبه نقية.
التطبيق النموذجي: تم استخدامه في الأصل كسترات واقية من الرصاص لأفراد طاقم المروحيات الأمريكية خلال حرب فيتنام، وتم استبدال سوق الدروع بكربيد البورون المضغوط الساخن؛ في الوقت الحاضر، يتم استخدامه في الغالب في سيناريوهات ذات قيمة مضافة عالية، مثل المجالات ذات المتطلبات العالية للغاية للتحكم في التركيب والنقاء والتكثيف، بالإضافة إلى مجالات مقاومة التآكل والصناعة النووية.
4. سيراميك SiC المعاد تبلوره (R-SiC)
الميزة الأساسية: لا حاجة لإضافة مواد مساعدة للتلبيد، وهي طريقة شائعة لتحضير أجهزة كربيد السيليكون (SiC) كبيرة الحجم وعالية النقاء. تتضمن العملية خلط مساحيق كربيد السيليكون الخشنة والناعمة بنسب متناسبة، ثم تشكيلها، وتلبيدها في جو خامل عند درجة حرارة تتراوح بين ٢٢٠٠ و٢٤٥٠ درجة مئوية. تتبخر الجسيمات الدقيقة وتتكثف عند تلامسها مع الجسيمات الخشنة لتكوين سيراميك، بصلابة لا تضاهيها صلابة الماس. يتميز كربيد السيليكون (SiC) بقوة تحمل عالية في درجات الحرارة العالية، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للأكسدة، ومقاومة للصدمات الحرارية.
التطبيقات النموذجية: أثاث الفرن عالي الحرارة، والمبادلات الحرارية، وفوهات الاحتراق؛ في المجالات الفضائية والعسكرية، يتم استخدامه لتصنيع المكونات الهيكلية للمركبات الفضائية مثل المحركات، وزعانف الذيل، وجسم الطائرة، مما يمكن أن يحسن أداء المعدات وعمر الخدمة.
5. سيراميك SiC المتسرب بالسيليكون (SiSiC)
المزايا الأساسية: الأنسب للإنتاج الصناعي، يتميز بفترة تلبيد قصيرة، ودرجة حرارة منخفضة، وكثافة كاملة وعدم تشوه، ويتكون من مصفوفة كربيد السيليكون (SiC) وطور سيليكون مُسرَّح. ينقسم إلى عمليتين: تسرب السائل وتسرب الغاز. تتميز العملية الأخيرة بتكلفة أعلى، لكنها تتميز بكثافة وتوحيد أفضل للسيليكون الحر.
التطبيقات النموذجية: المسامية المنخفضة، والإحكام الجيد للهواء، والمقاومة المنخفضة تساعد على التخلص من الكهرباء الساكنة، ومناسبة لإنتاج أجزاء كبيرة أو معقدة أو مجوفة، وتستخدم على نطاق واسع في معدات معالجة أشباه الموصلات؛ نظرًا لمعامل المرونة العالي، وخفة الوزن، والقوة العالية، والإحكام الممتاز للهواء، فهي المادة المفضلة عالية الأداء في مجال الفضاء، والتي يمكنها تحمل الأحمال في البيئات الفضائية وضمان دقة المعدات وسلامتها.