მაღალი სისუფთავის სილიციუმის კარბიდის კერამიკული მომზადების ტექნოლოგიების მიღწევები

მაღალი სისუფთავის სილიციუმის კარბიდის (SiC) კერამიკა იდეალური მასალაა ნახევარგამტარული, აერონავტიკური და ქიმიური მრეწველობის კრიტიკული კომპონენტებისთვის, მათი განსაკუთრებული თბოგამტარობის, ქიმიური სტაბილურობისა და მექანიკური სიმტკიცის გამო. მაღალი ხარისხის, დაბალი დაბინძურების მქონე კერამიკულ მოწყობილობებზე მზარდი მოთხოვნის გათვალისწინებით, მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის ეფექტური და მასშტაბირებადი მომზადების ტექნოლოგიების შემუშავება გლობალური კვლევის ფოკუსად იქცა. ეს ნაშრომი სისტემატურად განიხილავს მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის მომზადების ამჟამინდელ ძირითად მეთოდებს, მათ შორის რეკრისტალიზაციის სინთეზს, წნევის გარეშე სინთეზს (PS), ცხელ დაწნეხვას (HP), ნაპერწკლოვან პლაზმურ სინთეზს (SPS) და დანამატებით წარმოებას (AM), აქცენტით სინთეზირების მექანიზმების, ძირითადი პარამეტრების, მასალის თვისებების და თითოეული პროცესის არსებული გამოწვევების განხილვაზე.

SiC კერამიკის გამოყენება სამხედრო და საინჟინრო სფეროებში

ამჟამად, მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკული კომპონენტები ფართოდ გამოიყენება სილიკონის ვაფლების წარმოების აღჭურვილობაში, რომლებიც მონაწილეობენ ისეთ ძირითად პროცესებში, როგორიცაა დაჟანგვა, ლითოგრაფია, გრავირება და იონური იმპლანტაცია. ვაფლების ტექნოლოგიის განვითარებასთან ერთად, ვაფლების ზომების გაზრდა მნიშვნელოვან ტენდენციად იქცა. ამჟამინდელი ძირითადი ვაფლის ზომა 300 მმ-ია, რაც კარგ ბალანსს აღწევს ფასსა და წარმოების სიმძლავრეს შორის. თუმცა, მურის კანონის მიხედვით, 450 მმ ვაფლების მასობრივი წარმოება უკვე დღის წესრიგშია. უფრო დიდი ვაფლები, როგორც წესი, უფრო მაღალ სტრუქტურულ სიმტკიცეს მოითხოვს დეფორმაციისა და დეფორმაციისადმი წინააღმდეგობის გასაწევად, რაც კიდევ უფრო ზრდის დიდი ზომის, მაღალი სიმტკიცის, მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკულ კომპონენტებზე მზარდ მოთხოვნას. ბოლო წლებში, დანამატურმა წარმოებამ (3D ბეჭდვამ), როგორც სწრაფმა პროტოტიპირების ტექნოლოგიამ, რომელიც არ საჭიროებს ყალიბებს, უზარმაზარი პოტენციალი აჩვენა რთული სტრუქტურის SiC კერამიკული ნაწილების წარმოებაში მისი ფენა-ფენა კონსტრუქციისა და მოქნილი დიზაინის შესაძლებლობების გამო, რამაც ფართო ყურადღება მიიპყრო.

ეს ნაშრომი სისტემატურად გააანალიზებს მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის მომზადების ხუთ წარმომადგენლობით მეთოდს - რეკრისტალიზაციის სინთეზირებას, წნევის გარეშე სინთეზირებას, ცხელ დაწნეხვას, ნაპერწკლოვანი პლაზმური სინთეზირებას და დანამატებით წარმოებას - მათი სინთეზირების მექანიზმებზე, პროცესის ოპტიმიზაციის სტრატეგიებზე, მასალის მუშაობის მახასიათებლებსა და სამრეწველო გამოყენების პერსპექტივებზე ფოკუსირებით.

მაღალი სისუფთავის სილიციუმის კარბიდის ნედლეულის მოთხოვნები

I. რეკრისტალიზაციის სინთეზირება

რეკრისტალიზებული სილიციუმის კარბიდი (RSiC) არის მაღალი სისუფთავის SiC მასალა, რომელიც მზადდება სინთეზირების დამხმარე საშუალებების გარეშე 2100–2500°C მაღალ ტემპერატურაზე. მას შემდეგ, რაც ფრედრიკსონმა პირველად აღმოაჩინა რეკრისტალიზაციის ფენომენი მე-19 საუკუნის ბოლოს, RSiC-მ მნიშვნელოვანი ყურადღება მიიპყრო მისი სუფთა მარცვლების საზღვრების და მინის ფაზებისა და მინარევების არარსებობის გამო. მაღალ ტემპერატურაზე SiC ავლენს შედარებით მაღალ ორთქლის წნევას და მისი სინთეზირების მექანიზმი ძირითადად მოიცავს აორთქლება-კონდენსაციის პროცესს: წვრილი მარცვლები ორთქლდება და ხელახლა ილექება უფრო დიდი მარცვლების ზედაპირებზე, რაც ხელს უწყობს ყელის ზრდას და მარცვლებს შორის პირდაპირ შეკავშირებას, რითაც იზრდება მასალის სიმტკიცე.

1990 წელს კრიგესმანმა 2200°C ტემპერატურაზე ჩამოსხმის მეთოდით მოამზადა RSiC 79.1%-იანი ფარდობითი სიმკვრივით, რომლის განივი კვეთი აჩვენებდა უხეშად დაფქული მარცვლებისა და ფორებისგან შემდგარ მიკროსტრუქტურას. შემდგომში, ი და სხვებმა გამოიყენეს გელის ჩამოსხმა მწვანე სხეულების მოსამზადებლად და შედუღეს ისინი 2450°C ტემპერატურაზე, რის შედეგადაც მიიღეს RSiC კერამიკა 2.53 გ/სმ³ მოცულობითი სიმკვრივით და 55.4 მპა მოხრის სიმტკიცით.

RSiC-ის SEM მოტეხილობის ზედაპირი

მკვრივ SiC-თან შედარებით, RSiC-ს აქვს უფრო დაბალი სიმკვრივე (დაახლოებით 2.5 გ/სმ³) და დაახლოებით 20% ღია ფორიანობა, რაც ზღუდავს მის მუშაობას მაღალი სიმტკიცის აპლიკაციებში. ამიტომ, RSiC-ის სიმკვრივისა და მექანიკური თვისებების გაუმჯობესება კვლევის მთავარ ფოკუსად იქცა. სუნგმა და სხვებმა შემოგვთავაზეს გამდნარი სილიციუმის ინფილტრაცია ნახშირბადის/β-SiC შერეულ კომპაქტურ მასალებში და მისი ხელახლა კრისტალიზაცია 2200°C-ზე, წარმატებით ააშენეს ქსელური სტრუქტურა, რომელიც შედგება α-SiC უხეშად დაფქული მარცვლებისგან. მიღებულმა RSiC-მა მიაღწია 2.7 გ/სმ³ სიმკვრივეს და 134 მპა მოღუნვის სიმტკიცეს, მაღალ ტემპერატურაზე შენარჩუნებით შესანიშნავი მექანიკური სტაბილურობის შენარჩუნებით.

სიმკვრივის შემდგომი გაზრდის მიზნით, გუომ და სხვებმა გამოიყენეს პოლიმერული ინფილტრაციისა და პიროლიზის (PIP) ტექნოლოგია RSiC-ის მრავალჯერადი დამუშავებისთვის. PCS/ქსილენის ხსნარებისა და SiC/PCS/ქსილენის სუსპენზიების ინფილტრანტებად გამოყენებით, 3-6 PIP ციკლის შემდეგ, RSiC-ის სიმკვრივე მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა (2.90 გ/სმ³-მდე), მისი მოხრის სიმტკიცესთან ერთად. გარდა ამისა, მათ შემოგვთავაზეს ციკლური სტრატეგია, რომელიც აერთიანებდა PIP-სა და რეკრისტალიზაციას: პიროლიზი 1400°C-ზე, რასაც მოჰყვებოდა რეკრისტალიზაცია 2400°C-ზე, ეფექტურად აშორებდა ნაწილაკების ბლოკირებებს და ამცირებდა ფორიანობას. საბოლოო RSiC მასალამ მიაღწია 2.99 გ/სმ³ სიმკვრივეს და 162.3 მპა მოხრის სიმტკიცეს, რაც აჩვენებდა შესანიშნავ ყოვლისმომცველ მუშაობას.

პოლიმერული გაჟღენთვისა და პიროლიზის (PIP)-რეკრისტალიზაციის ციკლების შემდეგ გაპრიალებული RSiC-ის მიკროსტრუქტურის ევოლუციის SEM გამოსახულებები: საწყისი RSiC (A), პირველი PIP-რეკრისტალიზაციის ციკლის შემდეგ (B) და მესამე ციკლის შემდეგ (C)

II. წნევის გარეშე სინთეზირება

უწნევო შედუღებული სილიციუმის კარბიდის (SiC) კერამიკა, როგორც წესი, მზადდება მაღალი სისუფთავის, ულტრაწვრილი SiC ფხვნილის გამოყენებით, როგორც ნედლეულის, მცირე რაოდენობით შედუღების დამხმარე საშუალებების დამატებით და შედუღდება ინერტულ ატმოსფეროში ან ვაკუუმში 1800–2150°C ტემპერატურაზე. ეს მეთოდი შესაფერისია დიდი ზომის და რთული სტრუქტურის კერამიკული კომპონენტების წარმოებისთვის. თუმცა, რადგან SiC ძირითადად კოვალენტურად არის დაკავშირებული, მისი თვითდიფუზიის კოეფიციენტი უკიდურესად დაბალია, რაც ართულებს დენსიფიკაციას შედუღების დამხმარე საშუალებების გარეშე.

სინთეზირების მექანიზმის მიხედვით, წნევის გარეშე სინთეზირება შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: წნევის გარეშე თხევად-ფაზური სინთეზირება (PLS-SiC) და წნევის გარეშე მყარი მდგომარეობის სინთეზირება (PSS-SiC).

1.1 PLS-SiC (თხევად-ფაზური სინთეზირება)

PLS-SiC, როგორც წესი, იწვება 2000°C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე, თხევადი ფაზის წარმოსაქმნელად დაახლოებით 10 წონითი%-ის ევტექტიკური შედუღების დამხმარე საშუალებების (როგორიცაა Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ და იშვიათმიწა ოქსიდები RE₂O₃) დამატებით, რაც ხელს უწყობს ნაწილაკების გადალაგებას და მასის გადაცემას დენსიფიკაციის მისაღწევად. ეს პროცესი შესაფერისია სამრეწველო დონის SiC კერამიკისთვის, მაგრამ არ არსებობს ცნობები მაღალი სისუფთავის SiC-ის მიღწევის შესახებ თხევადი ფაზის შედუღებით.

1.2 PSS-SiC (მყარსხეულოვანი სინთეზი)

PSS-SiC გულისხმობს მყარი მდგომარეობის დენსიფიკაციას 2000°C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე, დანამატების დაახლოებით 1 წონითი%-ის გამოყენებით. ეს პროცესი ძირითადად ეფუძნება ატომურ დიფუზიას და მარცვლების გადალაგებას, რაც გამოწვეულია მაღალი ტემპერატურით, ზედაპირული ენერგიის შესამცირებლად და დენსიფიკაციის მისაღწევად. BC (ბორი-ნახშირბადის) სისტემა დანამატების გავრცელებული კომბინაციაა, რომელსაც შეუძლია შეამციროს მარცვლების სასაზღვრო ენერგია და მოაშოროს SiO₂ SiC ზედაპირიდან. თუმცა, ტრადიციული BC დანამატები ხშირად შეჰყავთ ნარჩენი მინარევები, რაც ამცირებს SiC-ის სისუფთავეს.

დანამატის შემცველობის კონტროლით (B 0.4 წონ.%, C 1.8 წონ.%) და 2150°C ტემპერატურაზე 0.5 საათის განმავლობაში შედუღებით, მიღებულ იქნა მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკა 99.6 წონ.% სისუფთავით და 98.4%-იანი ფარდობითი სიმკვრივით. მიკროსტრუქტურამ აჩვენა სვეტისებრი მარცვლები (ზოგიერთი მათგანის სიგრძე 450 µm-ს აღემატებოდა), მარცვლების საზღვრებთან მცირე ფორებით და მარცვლების შიგნით გრაფიტის ნაწილაკებით. კერამიკამ აჩვენა 443 ± 27 მპა მოხრის სიმტკიცე, 420 ± 1 გპა ელასტიურობის მოდული და 3.84 × 10⁻6 K⁻¹ თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ოთახის ტემპერატურისა და 600°C-ის დიაპაზონში, რაც ადასტურებს შესანიშნავ საერთო მახასიათებლებს.

PSS-SiC-ის მიკროსტრუქტურა: (A) SEM გამოსახულება გაპრიალებისა და NaOH გრავირების შემდეგ; (BD) BSD გამოსახულებები გაპრიალებისა და გრავირების შემდეგ

III. ცხელი დაწნეხვით სინთეზირება

ცხელი დაწნეხვის (HP) სინთეზირება არის გამკვრივების ტექნიკა, რომელიც ერთდროულად იყენებს სითბოს და ცალღერძულ წნევას ფხვნილ მასალებზე მაღალი ტემპერატურისა და მაღალი წნევის პირობებში. მაღალი წნევა მნიშვნელოვნად აფერხებს ფორების წარმოქმნას და ზღუდავს მარცვლების ზრდას, ხოლო მაღალი ტემპერატურა ხელს უწყობს მარცვლების შერწყმას და მკვრივი სტრუქტურების ფორმირებას, რაც საბოლოოდ წარმოქმნის მაღალი სიმკვრივის, მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკას. დაწნეხვის მიმართულებითი ბუნების გამო, ეს პროცესი, როგორც წესი, იწვევს მარცვლების ანიზოტროპიას, რაც გავლენას ახდენს მექანიკურ და ცვეთის თვისებებზე.

სუფთა SiC კერამიკის გამკვრივება დანამატების გარეშე რთულია, რაც მოითხოვს ულტრამაღალი წნევის სინთეზს. ნადომ და სხვებმა წარმატებით მოამზადეს სრულად მკვრივი SiC დანამატების გარეშე 2500°C და 5000 MPa ტემპერატურაზე; სანმა და სხვებმა მიიღეს β-SiC მოცულობითი მასალები ვიკერსის სიმტკიცით 41.5 GPa-მდე 25 GPa და 1400°C ტემპერატურაზე. 4 GPa წნევის გამოყენებით, მომზადდა SiC კერამიკა დაახლოებით 98% და 99% ფარდობითი სიმკვრივით, 35 GPa სიმტკიცით და 450 GPa ელასტიურობის მოდულით, შესაბამისად, 1500°C და 1900°C ტემპერატურაზე. მიკრონის ზომის SiC ფხვნილის სინთეზირებით 5 GPa და 1500°C ტემპერატურაზე მივიღეთ კერამიკა 31.3 GPa სიმტკიცით და 98.4% ფარდობითი სიმკვრივით.

მიუხედავად იმისა, რომ ეს შედეგები აჩვენებს, რომ ულტრამაღალი წნევით შესაძლებელია დანამატების გარეშე დენსიფიკაცია, საჭირო აღჭურვილობის სირთულე და მაღალი ღირებულება ზღუდავს სამრეწველო გამოყენებას. ამიტომ, პრაქტიკულ მომზადებაში, მიკროდანამატები ან ფხვნილის გრანულაცია ხშირად გამოიყენება სინთეზირების მამოძრავებელი ძალის გასაძლიერებლად.

დანამატის სახით 4 წონითი % ფენოლური ფისის დამატებით და 2350°C ტემპერატურაზე და 50 MPa-ზე შეწოვით, მიღებულ იქნა SiC კერამიკა 92%-იანი სიმკვრივით და 99.998%-იანი სისუფთავით. დანამატების დაბალი რაოდენობით (ბორის მჟავა და D-ფრუქტოზა) და 2050°C ტემპერატურაზე და 40 MPa-ზე შეწოვით, მომზადდა მაღალი სისუფთავის SiC >99.5%-იანი ფარდობითი სიმკვრივით და მხოლოდ 556 ppm ნარჩენი B შემცველობით. SEM სურათებმა აჩვენა, რომ უწნევო შეწოვილ ნიმუშებთან შედარებით, ცხელად დაწნეხილ ნიმუშებს ჰქონდათ უფრო პატარა მარცვლები, ნაკლები ფორები და უფრო მაღალი სიმკვრივე. მოხრის სიმტკიცე იყო 453.7 ± 44.9 MPa, ხოლო ელასტიურობის მოდული აღწევდა 444.3 ± 1.1 GPa-ს.

1900°C-ზე შეკავების დროის გახანგრძლივებით, მარცვლის ზომა გაიზარდა 1.5 მკმ-დან 1.8 მკმ-მდე და თბოგამტარობა გაუმჯობესდა 155-დან 167 W·m⁻¹·K⁻¹-მდე, ამასთანავე გაიზარდა პლაზმური კოროზიისადმი მდგრადობა.

1850°C-ისა და 30 მპა-ს პირობებში, გრანულირებული და გამოწვის შედეგად მიღებული იქნა სრულად მკვრივი β-SiC კერამიკა ყოველგვარი დანამატების გარეშე, 3.2 გ/სმ³ სიმკვრივით და ტრადიციულ პროცესებთან შედარებით 150–200°C-ით დაბალი შედუღების ტემპერატურით. კერამიკამ აჩვენა 2729 გპა სიმტკიცე, 5.25–5.30 მპა·მ^1/2 მსხვრევისადმი სიმტკიცე და შესანიშნავი ცოცვისადმი მდგრადობა (ცოცვის სიჩქარე 9.9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ და 3.8 × 10⁻⁹ s⁻¹ 1400°C/1450°C-სა და 100 მპა-ზე).

(A) გაპრიალებული ზედაპირის SEM გამოსახულება; (B) მოტეხილობის ზედაპირის SEM გამოსახულება; (C, D) გაპრიალებული ზედაპირის BSD გამოსახულება

პიეზოელექტრული კერამიკის 3D ბეჭდვის კვლევაში, კერამიკული სუსპენზია, როგორც ფორმირებასა და მუშაობაზე მოქმედი ძირითადი ფაქტორი, მთავარ ფოკუსად იქცა როგორც ადგილობრივ, ასევე საერთაშორისო დონეზე. მიმდინარე კვლევები ზოგადად მიუთითებს, რომ ისეთი პარამეტრები, როგორიცაა ფხვნილის ნაწილაკების ზომა, სუსპენზიის სიბლანტე და მყარი ნივთიერებების შემცველობა, მნიშვნელოვნად მოქმედებს საბოლოო პროდუქტის ფორმირების ხარისხსა და პიეზოელექტრულ თვისებებზე.

კვლევამ აჩვენა, რომ მიკრონული, სუბმიკრონული და ნანო ზომის ბარიუმის ტიტანატის ფხვნილების გამოყენებით მომზადებული კერამიკული სუსპენზიები სტერეოლითოგრაფიის (მაგ., LCD-SLA) პროცესებში მნიშვნელოვან განსხვავებებს ავლენენ. ნაწილაკების ზომის შემცირებისას, სუსპენზიის სიბლანტე მნიშვნელოვნად იზრდება, ნანო ზომის ფხვნილები კი მილიარდობით მპა·ს-ს აღწევენ სიბლანტის სუსპენზიებს. მიკრონული ზომის ფხვნილების შემცველი სუსპენზიები ბეჭდვის დროს მიდრეკილია დელამინაციისა და აქერცვლისკენ, ხოლო სუბმიკრონული და ნანო ზომის ფხვნილები უფრო სტაბილურ ფორმირების ქცევას ავლენენ. მაღალტემპერატურულ შედუღების შემდეგ, მიღებულ კერამიკულ ნიმუშებს მიაღწიეს 5.44 გ/სმ³ სიმკვრივეს, დაახლოებით 200 pC/N პიეზოელექტრულ კოეფიციენტს (d₃₃) და დაბალ დანაკარგებს, რაც შესანიშნავ ელექტრომექანიკურ რეაგირების თვისებებს ავლენს.

გარდა ამისა, მიკროსტერეოლითოგრაფიის პროცესებში, PZT ტიპის სუსპენზიების მყარი შემცველობის (მაგ., 75 წონითი%) რეგულირებით, მივიღეთ 7.35 გ/სმ³ სიმკვრივის მქონე შედუღებული სხეულები, რომლებიც პოლარიზებული ელექტრული ველების პირობებში 600 pC/N-მდე პიეზოელექტრულ მუდმივას მიაღწევენ. მიკრომასშტაბის დეფორმაციის კომპენსაციის კვლევამ მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა ფორმირების სიზუსტე, გეომეტრიული სიზუსტე 80%-მდე გაზარდა.

PMN-PT პიეზოელექტრული კერამიკის კიდევ ერთმა კვლევამ აჩვენა, რომ მყარი ნივთიერებების შემცველობა კრიტიკულად მოქმედებს კერამიკულ სტრუქტურასა და ელექტრულ თვისებებზე. მყარი ნივთიერებების 80 წონითი%-ის შემცველობისას, კერამიკაში ადვილად ჩნდებოდა თანმდევი პროდუქტები; როდესაც მყარი ნივთიერებების შემცველობა 82 წონითი%-მდე და მეტამდე იზრდებოდა, თანმდევი პროდუქტები თანდათან ქრებოდა და კერამიკული სტრუქტურა უფრო სუფთა ხდებოდა, მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებული მახასიათებლებით. 82 წონითი%-ის შემცველობისას, კერამიკამ აჩვენა ოპტიმალური ელექტრული თვისებები: პიეზოელექტრული მუდმივა 730 pC/N, ფარდობითი დიელექტრული შეღწევადობა 7226 და დიელექტრული დანაკარგი მხოლოდ 0.07.

შეჯამებისთვის, კერამიკული სუსპენზიების ნაწილაკების ზომა, მყარი ნივთიერებების შემცველობა და რეოლოგიური თვისებები არა მხოლოდ გავლენას ახდენს ბეჭდვის პროცესის სტაბილურობასა და სიზუსტეზე, არამედ პირდაპირ განსაზღვრავს შედუღებული სხეულების სიმკვრივეს და პიეზოელექტრულ რეაქციას, რაც მათ მთავარ პარამეტრებად აქცევს მაღალი ხარისხის 3D ბეჭდვითი პიეზოელექტრული კერამიკის მისაღწევად.

BT/UV ნიმუშების LCD-SLA 3D ბეჭდვის ძირითადი პროცესი

PMN-PT კერამიკის თვისებები სხვადასხვა მყარი შემცველობით

IV. ნაპერწკლოვანი პლაზმური სინთეზირება

ნაპერწკლოვანი პლაზმური სინთეზი (SPS) არის მოწინავე სინთეზის ტექნოლოგია, რომელიც იყენებს პულსირებულ დენსა და მექანიკურ წნევას ფხვნილებზე სწრაფი გამკვრივების მისაღწევად. ამ პროცესში, დენი პირდაპირ აცხელებს ფორმას და ფხვნილს, წარმოქმნის ჯოულის სითბოს და პლაზმას, რაც უზრუნველყოფს ეფექტურ სინთეზს მოკლე დროში (როგორც წესი, 10 წუთში). სწრაფი გათბობა ხელს უწყობს ზედაპირის დიფუზიას, ხოლო ნაპერწკლის განმუხტვა ხელს უწყობს ადსორბირებული გაზებისა და ოქსიდის ფენების მოცილებას ფხვნილის ზედაპირებიდან, რაც აუმჯობესებს სინთეზის მუშაობას. ელექტრომაგნიტური ველებით გამოწვეული ელექტრომიგრაციის ეფექტი ასევე აძლიერებს ატომურ დიფუზიას.

ტრადიციულ ცხელ დაწნეხვასთან შედარებით, SPS იყენებს უფრო პირდაპირ გათბობას, რაც უზრუნველყოფს გამკვრივებას დაბალ ტემპერატურაზე და ამავდროულად ეფექტურად აფერხებს მარცვლების ზრდას წვრილი და ერთგვაროვანი მიკროსტრუქტურების მისაღებად. მაგალითად:

• დანამატების გარეშე, ნედლეულად დაფქული SiC ფხვნილის გამოყენებით, 2100°C ტემპერატურაზე და 70 MPa წნევაზე 30 წუთის განმავლობაში შედუღებით, მიღებულ იქნა 98%-იანი ფარდობითი სიმკვრივის მქონე ნიმუშები.
• 1700°C ტემპერატურაზე და 40 მპა წნევაზე 10 წუთის განმავლობაში შედუღების შედეგად მიღებულ იქნა კუბური SiC 98%-იანი სიმკვრივით და მხოლოდ 30–50 ნმ მარცვლის ზომით.
• 80 µm გრანულირებული SiC ფხვნილის გამოყენებით და 1860°C ტემპერატურაზე და 50 MPa წნევაზე 5 წუთის განმავლობაში შედუღებით, მიღებულ იქნა მაღალი ხარისხის SiC კერამიკა 98.5%-იანი ფარდობითი სიმკვრივით, ვიკერსის მიკროსიმტკიცით 28.5 GPa, მოხრის სიმტკიცით 395 MPa და მოტეხილობისადმი სიმტკიცით 4.5 MPa·m^1/2.

მიკროსტრუქტურულმა ანალიზმა აჩვენა, რომ შედუღების ტემპერატურის 1600°C-დან 1860°C-მდე ზრდასთან ერთად, მასალის ფორიანობა მნიშვნელოვნად შემცირდა და მაღალ ტემპერატურაზე სრულ სიმკვრივეს მიაღწია.

სხვადასხვა ტემპერატურაზე შედუღებული SiC კერამიკის მიკროსტრუქტურა: (A) 1600°C, (B) 1700°C, (C) 1790°C და (D) 1860°C

V. დანამატური წარმოება

დანამატურმა წარმოებამ (AM) ბოლო დროს უდიდესი პოტენციალი აჩვენა რთული კერამიკული კომპონენტების წარმოებაში მისი ფენა-ფენა კონსტრუქციის პროცესის გამო. SiC კერამიკისთვის შემუშავდა მრავალი AM ტექნოლოგია, მათ შორის შემკვრელის ჭავლური დამუშავება (BJ), 3DP, შერჩევითი ლაზერული სინთეზირება (SLS), პირდაპირი მელნით ჩაწერა (DIW) და სტერეოლითოგრაფია (SL, DLP). თუმცა, 3DP-ს და DIW-ს აქვთ უფრო დაბალი სიზუსტე, მაშინ როდესაც SLS-ს აქვს თერმული დაძაბულობის და ბზარების გამოწვევის ტენდენცია. ამის საპირისპიროდ, BJ და SL უფრო მეტ უპირატესობას გვთავაზობენ მაღალი სისუფთავის, მაღალი სიზუსტის რთული კერამიკის წარმოებაში.

1. შემკვრელის ჯეტინგური კონსტრუქცია (BJ)

BJ ტექნოლოგია გულისხმობს შემკვრელის ფენა-ფენა შესხურებას შემაკავშირებელ ფხვნილზე, რასაც მოჰყვება შეერთების მოხსნა და შედუღება საბოლოო კერამიკული პროდუქტის მისაღებად. BJ-ის ქიმიური ორთქლის ინფილტრაციის (CVI) შერწყმით წარმატებით მომზადდა მაღალი სისუფთავის, სრულად კრისტალური SiC კერამიკა. პროცესი მოიცავს:

① SiC კერამიკული მწვანე სხეულების ფორმირება BJ-ის გამოყენებით.
② გამკვრივება CVI-ის მეშვეობით 1000°C-ზე და 200 ტორი წნევაზე.
③ საბოლოო SiC კერამიკას ჰქონდა 2.95 გ/სმ³ სიმკვრივე, 37 W/m·K თბოგამტარობა და 297 MPa მოხრის სიმტკიცე.

წებოვანი ჭავლური (BJ) ბეჭდვის სქემატური დიაგრამა. (A) კომპიუტერული დიზაინის (CAD) მოდელი, (B) BJ პრინციპის სქემატური დიაგრამა, (C) SiC-ის ბეჭდვა BJ-ით, (D) SiC-ის დენსიფიკაცია ქიმიური ორთქლის ინფილტრაციით (CVI)

2. სტერეოლითოგრაფია (SL)

SL არის ულტრაიისფერი გამოსხივების საფუძველზე გამყარების ტექნოლოგია, რომელიც ხასიათდება უკიდურესად მაღალი სიზუსტით და რთული სტრუქტურის დამზადების შესაძლებლობებით. ეს მეთოდი იყენებს ფოტომგრძნობიარე კერამიკულ სუსპენზიებს მაღალი მყარი შემცველობით და დაბალი სიბლანტით, რათა წარმოქმნას 3D კერამიკული მწვანე სხეულები ფოტოპოლიმერიზაციის გზით, რასაც მოჰყვება შეკავშირების და მაღალტემპერატურული შედუღება საბოლოო პროდუქტის მისაღებად.

35 მოცულობითი % SiC სუსპენზიის გამოყენებით, 405 ნმ ულტრაიისფერი დასხივების ქვეშ მომზადდა მაღალი ხარისხის 3D მწვანე სხეულები და შემდგომში გამკვრივდა პოლიმერის გადაწვის გზით 800°C ტემპერატურაზე და PIP დამუშავებით. შედეგებმა აჩვენა, რომ 35 მოცულობითი % სუსპენზიით მომზადებულმა ნიმუშებმა მიაღწია 84.8%-იან ფარდობით სიმკვრივეს, რაც აღემატება 30%-იან და 40%-იან საკონტროლო ჯგუფებს.

ლიპოფილური SiO₂-ისა და ფენოლური ეპოქსიდური ფისის (PEA) შეყვანით სუსპენზიის მოდიფიკაციისთვის, ფოტოპოლიმერიზაციის ეფექტურობა ეფექტურად გაუმჯობესდა. 1600°C-ზე 4 საათის განმავლობაში შედუღების შემდეგ, მიღწეული იქნა თითქმის სრული გარდაქმნა SiC-ად, საბოლოო ჟანგბადის შემცველობით მხოლოდ 0.12%, რამაც შესაძლებელი გახადა მაღალი სისუფთავის, რთული სტრუქტურის SiC კერამიკის ერთსაფეხურიანი დამზადება წინასწარი დაჟანგვის ან წინასწარი ინფილტრაციის ეტაპების გარეშე.

ბეჭდვის სტრუქტურისა და მისი შედუღების პროცესის ილუსტრაცია. ნიმუშის იერსახე (A) 25°C-ზე გაშრობის, (B) 1000°C-ზე პიროლიზის და (C) 1600°C-ზე შედუღების შემდეგ.

სტერეოლითოგრაფიული 3D ბეჭდვისთვის ფოტომგრძნობიარე Si₃N₄ კერამიკული სუსპენზიების შემუშავებით და გაცალკევება-წინასწარი შედუღების და მაღალტემპერატურული დაძველების პროცესების გამოყენებით, მომზადდა Si₃N₄ კერამიკა 93.3%-იანი თეორიული სიმკვრივით, 279.8 მპა დაჭიმვის სიმტკიცით და 308.5–333.2 მპა მოღუნვის სიმტკიცით. კვლევებმა აჩვენა, რომ მყარი ნივთიერებების 45 მოცულობითი % შემცველობისა და 10 წამიანი ექსპოზიციის დროის პირობებში, შესაძლებელი გახდა ერთშრიანი მწვანე სხეულების მიღება IT77 დონის გამყარების სიზუსტით. დაბალტემპერატურულმა გაცალკევების პროცესმა 0.1 °C/წთ გათბობის სიჩქარით ხელი შეუწყო ბზარების გარეშე მწვანე სხეულების მიღებას.

სტერეოლითოგრაფიაში საბოლოო მაჩვენებლებზე მოქმედი ძირითადი ეტაპია სინთეზირება. კვლევები აჩვენებს, რომ სინთეზირების დამხმარე საშუალებების დამატებას შეუძლია ეფექტურად გააუმჯობესოს კერამიკული სიმკვრივე და მექანიკური თვისებები. მაღალი სიმკვრივის Si₃N₄ კერამიკის მოსამზადებლად CeO₂-ის, როგორც სინთეზირების დამხმარე საშუალების და ელექტრული ველის დახმარებით სინთეზირების ტექნოლოგიის გამოყენებით, აღმოჩნდა, რომ CeO₂ სეგრეგირებულია მარცვლების საზღვრებზე, რაც ხელს უწყობს მარცვლების საზღვრების სრიალსა და გამკვრივებას. მიღებულ კერამიკას აჩვენეს ვიკერსის სიმტკიცე HV10/10 (1347.9 ± 2.4) და მსხვრევისადმი სიმტკიცე (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/². დანამატებად MgO–Y₂O₃-ის გამოყენებისას გაუმჯობესდა კერამიკული მიკროსტრუქტურის ერთგვაროვნება, რამაც მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა მაჩვენებლები. 8 წონითი%-ის საერთო შერევის დონეზე, მოხრის სიმტკიცემ და თბოგამტარობამ მიაღწია შესაბამისად 915.54 MPa-ს და 59.58 W·m⁻¹·K⁻¹-ს.

VI. დასკვნა

შეჯამებისთვის, მაღალი სისუფთავის სილიციუმის კარბიდის (SiC) კერამიკა, როგორც გამორჩეული საინჟინრო კერამიკული მასალა, ფართო გამოყენების პერსპექტივებს აჩვენებს ნახევარგამტარებში, აერონავტიკასა და ექსტრემალური პირობების აღჭურვილობაში. ამ ნაშრომში სისტემატურად არის გაანალიზებული მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის მომზადების ხუთი ტიპიური გზა - რეკრისტალიზაციის სინთეზირება, უწნევო სინთეზირება, ცხელი დაწნეხვა, ნაპერწკლოვანი პლაზმური სინთეზირება და დანამატებითი წარმოება - მათი დენსიფიკაციის მექანიზმების, ძირითადი პარამეტრების ოპტიმიზაციის, მასალის მუშაობის და შესაბამისი უპირატესობებისა და შეზღუდვების დეტალური განხილვით.

აშკარაა, რომ სხვადასხვა პროცესს თითოეულს აქვს უნიკალური მახასიათებლები მაღალი სისუფთავის, მაღალი სიმკვრივის, რთული სტრუქტურებისა და სამრეწველო მიზანშეწონილობის მიღწევის თვალსაზრისით. დანამატის წარმოების ტექნოლოგიამ, კერძოდ, აჩვენა ძლიერი პოტენციალი რთული ფორმის და მორგებული კომპონენტების წარმოებაში, ისეთი ქვესფეროების გარღვევით, როგორიცაა სტერეოლითოგრაფია და შემკვრელის ჭავლური ჭრა, რაც მას მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის მომზადების მნიშვნელოვან განვითარების მიმართულებად აქცევს.

მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის მომზადების სამომავლო კვლევა უფრო ღრმა უნდა იყოს, რაც ხელს შეუწყობს ლაბორატორიული მასშტაბიდან ფართომასშტაბიან, მაღალსაიმედო საინჟინრო აპლიკაციებზე გადასვლას, რითაც უზრუნველყოფს კრიტიკულ მატერიალურ მხარდაჭერას მაღალი დონის აღჭურვილობის წარმოებისთვის და ახალი თაობის საინფორმაციო ტექნოლოგიებისთვის.

XKH არის მაღალტექნოლოგიური საწარმო, რომელიც სპეციალიზირებულია მაღალი ხარისხის კერამიკული მასალების კვლევასა და წარმოებაში. მისი მიზანია მომხმარებლებისთვის მორგებული გადაწყვეტილებების მიწოდება მაღალი სისუფთავის სილიციუმის კარბიდის (SiC) კერამიკის სახით. კომპანიას გააჩნია მასალების მომზადების მოწინავე ტექნოლოგიები და ზუსტი დამუშავების შესაძლებლობები. მისი ბიზნესი მოიცავს მაღალი სისუფთავის SiC კერამიკის კვლევას, წარმოებას, ზუსტ დამუშავებას და ზედაპირულ დამუშავებას, რაც აკმაყოფილებს ნახევარგამტარების, ახალი ენერგიის, აერონავტიკის და სხვა სფეროების მკაცრ მოთხოვნებს მაღალი ხარისხის კერამიკული კომპონენტებისთვის. განვითარებული შედუღების პროცესებისა და დანამატების წარმოების ტექნოლოგიების გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია შევთავაზოთ მომხმარებლებს ერთიანი მომსახურება მასალის ფორმულის ოპტიმიზაციისა და რთული სტრუქტურის ფორმირების ზუსტ დამუშავებამდე, რაც უზრუნველყოფს, რომ პროდუქტებს ჰქონდეთ შესანიშნავი მექანიკური თვისებები, თერმული სტაბილურობა და კოროზიისადმი მდგრადობა.