«تکنیک کلون» سرامیک‌های سیلیکون کاربید: تحلیل پنج نوع اصلی

سرامیک‌های سیلیکون کاربید (SiC)به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین، رسانایی حرارتی بالا، سختی بالا و پایداری حرارتی و شیمیایی عالی، به ماده اصلی در زمینه سرامیک‌های ساختاری دما بالا تبدیل شده‌اند. آن‌ها به طور گسترده در زمینه‌های کلیدی مانند هوافضا، انرژی هسته‌ای، نظامی و نیمه‌هادی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با این حال، پیوندهای کووالانسی بسیار قوی و ضریب نفوذ پایین SiC، متراکم‌سازی آن را دشوار می‌کند. برای این منظور، صنعت فناوری‌های مختلف زینترینگ را توسعه داده است و سرامیک‌های SiC تهیه شده با فناوری‌های مختلف، تفاوت‌های قابل توجهی در ریزساختار، خواص و سناریوهای کاربردی دارند. در اینجا تحلیلی از ویژگی‌های اصلی پنج سرامیک کاربید سیلیکون رایج ارائه شده است.
۱. سرامیک‌های SiC تف‌جوشی‌شده بدون فشار (S-SiC)
مزایای اصلی: مناسب برای فرآیندهای قالب‌گیری چندگانه، کم‌هزینه، بدون محدودیت در شکل و اندازه، ساده‌ترین روش زینترینگ برای دستیابی به تولید انبوه است. با افزودن بور و کربن به β-SiC حاوی مقادیر ناچیز اکسیژن و زینترینگ آن در اتمسفر خنثی در دمای حدود 2000 درجه سانتیگراد، می‌توان بدنه زینتر شده با چگالی نظری 98٪ را به دست آورد. دو فرآیند وجود دارد: فاز جامد و فاز مایع. حالت اول چگالی و خلوص بالاتری دارد و همچنین رسانایی حرارتی بالا و استحکام در دمای بالا را ارائه می‌دهد.
کاربردهای معمول: تولید انبوه حلقه‌های آب‌بندی مقاوم در برابر سایش و خوردگی و یاتاقان‌های کشویی؛ به دلیل سختی بالا، وزن مخصوص کم و عملکرد بالستیک خوب، به طور گسترده به عنوان زره ضد گلوله برای وسایل نقلیه و کشتی‌ها و همچنین برای محافظت از گاوصندوق‌های غیرنظامی و وسایل نقلیه حمل پول نقد استفاده می‌شود. مقاومت چند ضربه‌ای آن نسبت به سرامیک‌های SiC معمولی برتر است و نقطه شکست زره محافظ سبک استوانه‌ای می‌تواند به بیش از 65 تن برسد.
۲. سرامیک‌های SiC تف‌جوشی شده واکنشی (RB SiC)
مزایای اصلی: عملکرد مکانیکی عالی، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون؛ دما و هزینه پخت پایین، قابلیت شکل‌دهی نزدیک به اندازه خالص. این فرآیند شامل مخلوط کردن یک منبع کربن با پودر SiC برای تولید بیلت است. در دماهای بالا، سیلیکون مذاب به بیلت نفوذ کرده و با کربن واکنش می‌دهد تا β-SiC تشکیل شود که با α-SiC اصلی ترکیب شده و منافذ را پر می‌کند. تغییر اندازه در طول پخت کم است، که آن را برای تولید صنعتی محصولات با شکل پیچیده مناسب می‌کند.
کاربردهای معمول: تجهیزات کوره‌های دما بالا، لوله‌های تابشی، مبدل‌های حرارتی، نازل‌های گوگردزدایی؛ به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین، مدول الاستیسیته بالا و ویژگی‌های شکل‌پذیری تقریباً خالص، به ماده‌ای ایده‌آل برای بازتابنده‌های فضایی تبدیل شده است؛ همچنین می‌تواند به عنوان نگهدارنده لوله‌های الکترونیکی و تجهیزات تولید تراشه نیمه‌هادی، جایگزین شیشه کوارتز شود.

۳. سرامیک‌های SiC تف‌جوشی شده با پرس گرم (HP SiC)
مزیت اصلی: پخت همزمان تحت دما و فشار بالا، پودر در حالت ترموپلاستیک قرار می‌گیرد که برای فرآیند انتقال جرم مفید است. این روش می‌تواند محصولاتی با دانه‌های ریز، چگالی بالا و خواص مکانیکی خوب را در دماهای پایین‌تر و در زمان کوتاه‌تر تولید کند و می‌تواند به چگالی کامل و حالت پخت تقریباً خالص دست یابد.
کاربرد معمول: در ابتدا به عنوان جلیقه ضد گلوله برای خدمه هلیکوپترهای آمریکایی در طول جنگ ویتنام استفاده می‌شد، اما بازار زره‌پوش‌ها با کاربید بور فشرده گرم جایگزین شد؛ در حال حاضر، بیشتر در سناریوهای با ارزش افزوده بالا، مانند زمینه‌هایی با الزامات بسیار بالا برای کنترل ترکیب، خلوص و تراکم، و همچنین زمینه‌های مقاوم در برابر سایش و صنعت هسته‌ای استفاده می‌شود.
۴. سرامیک‌های SiC تبلور مجدد یافته (R-SiC)
مزیت اصلی: نیازی به افزودن کمک‌فازهای زینترینگ نیست، این یک روش رایج برای تهیه قطعات SiC با خلوص فوق‌العاده بالا و بزرگ است. این فرآیند شامل مخلوط کردن پودرهای SiC درشت و ریز به نسبت مساوی و تشکیل آنها و زینتر کردن آنها در یک اتمسفر خنثی در دمای 2200 تا 2450 درجه سانتیگراد است. ذرات ریز در تماس بین ذرات درشت تبخیر و متراکم می‌شوند و سرامیک‌هایی را تشکیل می‌دهند که سختی آنها تنها از الماس کمتر است. SiC استحکام دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر شوک حرارتی بالایی را حفظ می‌کند.
کاربردهای معمول: مبلمان کوره با دمای بالا، مبدل‌های حرارتی، نازل‌های احتراق؛ در زمینه‌های هوافضا و نظامی، از آن برای ساخت اجزای سازه‌ای فضاپیما مانند موتورها، باله‌های دم و بدنه استفاده می‌شود که می‌تواند عملکرد تجهیزات و عمر مفید را بهبود بخشد.
۵. سرامیک‌های SiC نفوذ یافته با سیلیکون (SiSiC)
مزایای هسته: مناسب‌ترین برای تولید صنعتی، با زمان پخت کوتاه، دمای پایین، کاملاً متراکم و بدون تغییر شکل، متشکل از ماتریس SiC و فاز Si نفوذ یافته، تقسیم به دو فرآیند: نفوذ مایع و نفوذ گاز. دومی هزینه بالاتری دارد اما چگالی و یکنواختی سیلیکون آزاد بهتری دارد.
کاربردهای معمول: تخلخل کم، هوابندی خوب و مقاومت کم که منجر به از بین بردن الکتریسیته ساکن می‌شود، مناسب برای تولید قطعات بزرگ، پیچیده یا توخالی، به طور گسترده در تجهیزات پردازش نیمه‌هادی استفاده می‌شود؛ به دلیل مدول الاستیک بالا، سبکی، استحکام بالا و هوابندی عالی، این ماده با کارایی بالا در زمینه هوافضا ترجیح داده می‌شود که می‌تواند بارها را در محیط‌های فضایی تحمل کند و دقت و ایمنی تجهیزات را تضمین کند.