เทคนิคการผลิตเซรามิกส์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบ "โคลนนิ่ง": การวิเคราะห์ประเภทหลักห้าประเภท

เซรามิกส์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)เซรามิกทนอุณหภูมิสูงได้กลายเป็นวัสดุหลักในด้านเซรามิกโครงสร้างทนอุณหภูมิสูง เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ค่าการนำความร้อนสูง ความแข็งสูง และเสถียรภาพทางความร้อนและเคมีที่ดีเยี่ยม จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสาขาสำคัญๆ เช่น อวกาศ พลังงานนิวเคลียร์ การทหาร และเซมิคอนดักเตอร์
อย่างไรก็ตาม พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งมากและค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายต่ำของ SiC ทำให้การเพิ่มความหนาแน่นทำได้ยาก ด้วยเหตุนี้ อุตสาหกรรมจึงได้พัฒนาเทคโนโลยีการเผาผนึกต่างๆ และเซรามิก SiC ที่เตรียมโดยเทคโนโลยีที่แตกต่างกันจะมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านโครงสร้างจุลภาค คุณสมบัติ และสถานการณ์การใช้งาน ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์ลักษณะสำคัญของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์หลัก 5 ชนิด
1. เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ไม่ได้ผ่านกระบวนการเผาผนึกด้วยแรงดัน (S-SiC)
ข้อดีหลัก: เหมาะสำหรับกระบวนการขึ้นรูปหลายแบบ ต้นทุนต่ำ ไม่จำกัดรูปทรงและขนาด เป็นวิธีการเผาผนึกที่ง่ายที่สุดสำหรับการผลิตจำนวนมาก โดยการเติมโบรอนและคาร์บอนลงใน β-SiC ที่มีออกซิเจนในปริมาณเล็กน้อย และเผาผนึกภายใต้บรรยากาศเฉื่อยที่อุณหภูมิประมาณ 2000 ℃ จะได้ชิ้นงานเผาผนึกที่มีความหนาแน่นตามทฤษฎี 98% มีสองกระบวนการคือ กระบวนการในเฟสของแข็งและเฟสของเหลว กระบวนการในเฟสของแข็งมีความหนาแน่นและความบริสุทธิ์สูงกว่า รวมถึงมีค่าการนำความร้อนสูงและความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง
การใช้งานทั่วไป: การผลิตแหวนซีลและตลับลูกปืนแบบเลื่อนที่ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนในปริมาณมาก เนื่องจากมีความแข็งสูง ความหนาแน่นต่ำ และประสิทธิภาพการป้องกันกระสุนที่ดี จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเกราะกันกระสุนสำหรับยานพาหนะและเรือ รวมถึงการปกป้องตู้เซฟพลเรือนและยานพาหนะขนส่งเงินสด ความต้านทานต่อการถูกยิงหลายครั้งนั้นเหนือกว่าเซรามิก SiC ทั่วไป และจุดแตกหักของเกราะป้องกันน้ำหนักเบาทรงกระบอกสามารถรับน้ำหนักได้มากกว่า 65 ตัน
2. เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์แบบเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา (RB SiC)
ข้อดีหลัก: ประสิทธิภาพเชิงกลดีเยี่ยม ความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อน และทนต่อการออกซิเดชัน อุณหภูมิการเผาผนึกต่ำและต้นทุนต่ำ สามารถขึ้นรูปได้ใกล้เคียงกับขนาดสุดท้าย กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการผสมแหล่งคาร์บอนกับผง SiC เพื่อผลิตแท่งโลหะ ที่อุณหภูมิสูง ซิลิคอนหลอมเหลวจะแทรกซึมเข้าไปในแท่งโลหะและทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้าง β – SiC ซึ่งจะรวมกับ α – SiC เดิมและเติมเต็มรูพรุน การเปลี่ยนแปลงขนาดระหว่างการเผาผนึกมีน้อย ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์รูปทรงซับซ้อนในระดับอุตสาหกรรม
การใช้งานทั่วไป: อุปกรณ์เตาเผาอุณหภูมิสูง ท่อความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หัวฉีดกำจัดกำมะถัน; เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ โมดูลัสความยืดหยุ่นสูง และคุณสมบัติการขึ้นรูปใกล้เคียงกับรูปทรงสุดท้าย จึงกลายเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับแผ่นสะท้อนแสงในอวกาศ; นอกจากนี้ยังสามารถใช้แทนกระจกควอตซ์เป็นอุปกรณ์รองรับสำหรับท่ออิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์การผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ได้อีกด้วย

3. เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ขึ้นรูปด้วยความร้อนสูง (HP SiC)
ข้อได้เปรียบหลัก: การเผาผนึกแบบพร้อมกันภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันสูง ทำให้ผงอยู่ในสถานะเทอร์โมพลาสติก ซึ่งเอื้อต่อกระบวนการถ่ายเทมวล สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเกรนละเอียด ความหนาแน่นสูง และคุณสมบัติทางกลที่ดีได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าและใช้เวลาน้อยกว่า และสามารถบรรลุความหนาแน่นที่สมบูรณ์และสถานะการเผาผนึกที่เกือบบริสุทธิ์ได้
การใช้งานทั่วไป: เดิมทีใช้เป็นเสื้อเกราะกันกระสุนสำหรับลูกเรือเฮลิคอปเตอร์ของสหรัฐฯ ในช่วงสงครามเวียดนาม ต่อมาตลาดเกราะได้ถูกแทนที่ด้วยโบรอนคาร์ไบด์แบบอัดร้อน ปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ในสถานการณ์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง เช่น ในสาขาที่มีข้อกำหนดสูงมากสำหรับการควบคุมองค์ประกอบ ความบริสุทธิ์ และความหนาแน่น รวมถึงสาขาที่ทนต่อการสึกหรอและอุตสาหกรรมนิวเคลียร์
4. เซรามิกซิลิกอนที่ผ่านกระบวนการตกผลึกใหม่ (R-SiC)
ข้อได้เปรียบหลัก: ไม่จำเป็นต้องเติมสารช่วยในการเผาผนึก เป็นวิธีการทั่วไปในการเตรียมอุปกรณ์ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงมากและมีขนาดใหญ่ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการผสมผง SiC หยาบและละเอียดในสัดส่วนที่เหมาะสม แล้วขึ้นรูปและเผาผนึกในบรรยากาศเฉื่อยที่อุณหภูมิ 2200~2450 ℃ อนุภาคละเอียดจะระเหยและควบแน่นที่จุดสัมผัสระหว่างอนุภาคหยาบเพื่อสร้างเซรามิกที่มีความแข็งเป็นรองเพียงเพชรเท่านั้น SiC ยังคงรักษาความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานการออกซิเดชัน และความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
การใช้งานทั่วไป: อุปกรณ์เตาเผาอุณหภูมิสูง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หัวฉีดเผาไหม้ ในด้านอวกาศและการทหาร ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างของยานอวกาศ เช่น เครื่องยนต์ ครีบหาง และลำตัว ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้
5. เซรามิก SiC ที่แทรกซึมด้วยซิลิคอน (SiSiC)
ข้อดีหลัก: เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ด้วยเวลาการเผาผนึกที่สั้น อุณหภูมิต่ำ มีความหนาแน่นสมบูรณ์และไม่เสียรูปทรง ประกอบด้วยเมทริกซ์ SiC และเฟส Si ที่แทรกซึม แบ่งออกเป็นสองกระบวนการ: การแทรกซึมของของเหลวและการแทรกซึมของก๊าซ กระบวนการหลังมีต้นทุนสูงกว่า แต่มีความหนาแน่นและความสม่ำเสมอของซิลิคอนอิสระที่ดีกว่า
การใช้งานทั่วไป: ความพรุนต่ำ การปิดผนึกที่ดี และความต้านทานต่ำ เอื้อต่อการกำจัดไฟฟ้าสถิต เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ซับซ้อน หรือกลวง และใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากมีโมดูลัสความยืดหยุ่นสูง น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และการปิดผนึกที่ดีเยี่ยม จึงเป็นวัสดุประสิทธิภาพสูงที่ได้รับความนิยมในด้านอวกาศ ซึ่งสามารถทนต่อแรงในสภาพแวดล้อมอวกาศและรับประกันความแม่นยำและความปลอดภัยของอุปกรณ์