"טכניקת השיבוט" של קרמיקה מסיליקון קרביד: ניתוח של חמישה סוגים עיקריים

קרמיקה מסיליקון קרביד (SiC)הפכו לחומר הליבה בתחום הקרמיקה המבנית בטמפרטורה גבוהה בזכות מקדם ההתפשטות התרמית הנמוך שלהם, מוליכות תרמית גבוהה, קשיות גבוהה ויציבות תרמית וכימית מצוינת. הם נמצאים בשימוש נרחב בתחומים מרכזיים כגון תעופה וחלל, אנרגיה גרעינית, צבא ומוליכים למחצה.
עם זאת, הקשרים הקוולנטיים החזקים במיוחד ומקדם הדיפוזיה הנמוך של SiC מקשים על צפיפותו. לשם כך, התעשייה פיתחה טכנולוגיות סינטור שונות, ולקרמיקה של SiC שהוכנה בטכנולוגיות שונות יש הבדלים משמעותיים במיקרו-מבנה, בתכונות ובתרחישי יישום. להלן ניתוח של המאפיינים המרכזיים של חמש קרמיות סיליקון קרביד מרכזיות.
1. קרמיקה SiC מסונטרת ללא לחץ (S-SiC)
יתרונות מרכזיים: מתאים לתהליכי יציקה מרובים, עלות נמוכה, ללא הגבלה על ידי צורה וגודל, זוהי שיטת הסינטור הקלה ביותר להשגת ייצור המוני. על ידי הוספת בורון ופחמן ל-β-SiC המכיל כמויות זעירות של חמצן וסינטור שלו תחת אטמוספרה אינרטית בטמפרטורה של כ-2000 מעלות צלזיוס, ניתן להשיג גוף מסונטר בעל צפיפות תיאורטית של 98%. ישנם שני תהליכים: פאזה מוצקה ופאזה נוזלית. לראשון צפיפות וטוהר גבוהים יותר, כמו גם מוליכות תרמית גבוהה וחוזק בטמפרטורה גבוהה.
יישומים אופייניים: ייצור המוני של טבעות איטום ומסבי הזזה עמידים בפני שחיקה וקורוזיה; בשל קשיותו הגבוהה, משקלו הסגולי הנמוך וביצועיו הבליסטיים הטובים, הוא נמצא בשימוש נרחב כשריון חסין כדורים לרכבים וספינות, כמו גם להגנה על כספות אזרחיות וכלי רכב להובלת מזומנים. עמידותו בפני פגיעות מרובות עדיפה על קרמיקה SiC רגילה, ונקודת השבר של שריון מגן גלילי קל משקל יכולה להגיע ליותר מ-65 טון.
2. קרמיקה SiC מסונטרת ריאקטיבית (RB SiC)
יתרונות מרכזיים: ביצועים מכניים מצוינים, חוזק גבוה, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני חמצון; טמפרטורת סינטור ועלות נמוכות, מסוגלים ליצור כמעט את גודל הסופי. התהליך כרוך בערבוב של מקור פחמן עם אבקת SiC ליצירת בילט. בטמפרטורות גבוהות, סיליקון מותך חודר לבילט ומגיב עם פחמן ליצירת β-SiC, אשר מתאחד עם α-SiC המקורי וממלא את הנקבוביות. שינוי הגודל במהלך הסינטור קטן, מה שהופך אותו מתאים לייצור תעשייתי של מוצרים בעלי צורה מורכבת.
יישומים אופייניים: ציוד כבשן בטמפרטורה גבוהה, צינורות קורנים, מחליפי חום, חרירי הסרת גופרית; בשל מקדם ההתפשטות התרמית הנמוך שלו, מודול האלסטיות הגבוה ומאפייני היווצרות כמעט נטו, הוא הפך לחומר אידיאלי עבור מחזירי חלל; הוא יכול גם להחליף זכוכית קוורץ כמתקן תומך עבור צינורות אלקטרוניים וציוד לייצור שבבי מוליכים למחצה.

3. קרמיקה SiC מסונטרת בכבישה חמה (HP SiC)
יתרון מרכזי: סינטור סינכרוני בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה, האבקה במצב תרמופלסטי, דבר המסייע לתהליך העברת מסה. ניתן לייצר מוצרים בעלי גרגירים עדינים, צפיפות גבוהה ותכונות מכניות טובות בטמפרטורות נמוכות יותר ובזמן קצר יותר, ויכולים להשיג צפיפות מלאה ומצב סינטור כמעט טהור.
יישום אופייני: במקור שימשו כאפודי מגן עבור אנשי צוות מסוקים אמריקאים במהלך מלחמת וייטנאם, אך שוק השריון הוחלף על ידי בורון קרביד בכבישה חמה; כיום, הוא משמש בעיקר בתרחישים בעלי ערך מוסף גבוה, כגון תחומים עם דרישות גבוהות במיוחד לבקרת הרכב, טוהר וצפיפות, כמו גם בתחומי עמידות בפני שחיקה ותעשייה גרעינית.
4. קרמיקה SiC שעברה התגבשות מחדש (R-SiC)
יתרון מרכזי: אין צורך להוסיף עזרי סינטור, זוהי שיטה נפוצה להכנת התקנים גדולים של SiC בעלי טוהר גבוה במיוחד. התהליך כרוך בערבוב אבקות SiC גסות ועדינות בפרופורציות ויצירתן, סינטורן באווירה אינרטית בטמפרטורה של 2200~2450 מעלות צלזיוס. חלקיקים עדינים מתאדים ומתעבים במגע בין החלקיקים הגסים ליצירת קרמיקה, עם קשיות שנייה רק ​​ליהלום. SiC שומר על חוזק גבוה בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני חמצון ועמידות בפני הלם תרמי.
יישומים אופייניים: ריהוט כבשן בטמפרטורה גבוהה, מחליפי חום, חרירי בעירה; בתחומי התעופה והחלל הצבאי, הוא משמש לייצור רכיבים מבניים של חלליות כגון מנועים, סנפירי זנב וגוף המטוס, מה שיכול לשפר את ביצועי הציוד ואת חיי השירות שלו.
5. קרמיקה SiC מועשרת בסיליקון (SiSiC)
יתרונות מרכזיים: מתאים ביותר לייצור תעשייתי, עם זמן סינטור קצר, טמפרטורה נמוכה, צפוף לחלוטין וללא עיוות, מורכב ממטריצת SiC ופאזה של Si שחדרה, מחולק לשני תהליכים: חדירת נוזלים וחדירת גזים. לתהליך האחרון עלות גבוהה יותר אך צפיפות ואחידות טובים יותר של סיליקון חופשי.
יישומים אופייניים: נקבוביות נמוכה, אטימות טובה ועמידות נמוכה תורמים לביטול חשמל סטטי, מתאים לייצור חלקים גדולים, מורכבים או חלולים, בשימוש נרחב בציוד לעיבוד מוליכים למחצה; בשל מודול האלסטיות הגבוה שלו, משקלו הקל, חוזקו הגבוה ואטימותו המצוינת, זהו החומר בעל הביצועים הגבוהים המועדף בתחום התעופה והחלל, שיכול לעמוד בעומסים בסביבות חלל ולהבטיח דיוק ובטיחות של הציוד.