پیشرفت‌ها در فناوری‌های آماده‌سازی سرامیک کاربید سیلیکون با خلوص بالا

سرامیک‌های کاربید سیلیکون (SiC) با خلوص بالا به دلیل رسانایی حرارتی استثنایی، پایداری شیمیایی و استحکام مکانیکی، به عنوان مواد ایده‌آل برای اجزای حیاتی در صنایع نیمه‌هادی، هوافضا و شیمیایی ظهور کرده‌اند. با افزایش تقاضا برای دستگاه‌های سرامیکی با کارایی بالا و آلودگی کم، توسعه فناوری‌های آماده‌سازی کارآمد و مقیاس‌پذیر برای سرامیک‌های SiC با خلوص بالا به یک تمرکز تحقیقاتی جهانی تبدیل شده است. این مقاله به طور سیستماتیک روش‌های اصلی آماده‌سازی فعلی برای سرامیک‌های SiC با خلوص بالا، از جمله تف‌جوشی تبلور مجدد، تف‌جوشی بدون فشار (PS)، پرس گرم (HP)، تف‌جوشی پلاسما جرقه‌ای (SPS) و تولید افزایشی (AM) را با تأکید بر بحث در مورد مکانیسم‌های تف‌جوشی، پارامترهای کلیدی، خواص مواد و چالش‌های موجود هر فرآیند بررسی می‌کند.

کاربرد سرامیک‌های SiC در حوزه‌های نظامی و مهندسی

در حال حاضر، اجزای سرامیکی SiC با خلوص بالا به طور گسترده در تجهیزات تولید ویفر سیلیکونی مورد استفاده قرار می‌گیرند و در فرآیندهای اصلی مانند اکسیداسیون، لیتوگرافی، اچینگ و کاشت یون شرکت می‌کنند. با پیشرفت فناوری ویفر، افزایش اندازه ویفر به یک روند قابل توجه تبدیل شده است. اندازه فعلی ویفر اصلی 300 میلی‌متر است که به تعادل خوبی بین هزینه و ظرفیت تولید دست می‌یابد. با این حال، طبق قانون مور، تولید انبوه ویفرهای 450 میلی‌متری در دستور کار قرار دارد. ویفرهای بزرگتر معمولاً برای مقاومت در برابر تاب برداشتن و تغییر شکل به استحکام ساختاری بالاتری نیاز دارند و این امر باعث افزایش تقاضا برای اجزای سرامیکی SiC با اندازه بزرگ، استحکام بالا و خلوص بالا می‌شود. در سال‌های اخیر، تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی)، به عنوان یک فناوری نمونه‌سازی سریع که نیازی به قالب ندارد، به دلیل ساختار لایه به لایه و قابلیت‌های طراحی انعطاف‌پذیر، پتانسیل فوق‌العاده‌ای را در ساخت قطعات سرامیکی SiC با ساختار پیچیده نشان داده و توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است.

این مقاله به طور سیستماتیک پنج روش نمونه برای آماده‌سازی سرامیک‌های SiC با خلوص بالا - تف‌جوشی تبلور مجدد، تف‌جوشی بدون فشار، پرس گرم، تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای و تولید افزایشی - را با تمرکز بر مکانیسم‌های تف‌جوشی، استراتژی‌های بهینه‌سازی فرآیند، ویژگی‌های عملکرد مواد و چشم‌انداز کاربردهای صنعتی آنها تجزیه و تحلیل خواهد کرد.

الزامات مواد اولیه کاربید سیلیکون با خلوص بالا

I. تبلور مجدد تف جوشی

کاربید سیلیکون تبلور مجدد یافته (RSiC) یک ماده SiC با خلوص بالا است که بدون کمک‌های تف‌جوشی در دماهای بالای ۲۱۰۰ تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد تهیه می‌شود. از زمانی که فردریکسون برای اولین بار پدیده تبلور مجدد را در اواخر قرن نوزدهم کشف کرد، RSiC به دلیل مرزهای دانه تمیز و عدم وجود فازهای شیشه‌ای و ناخالصی‌ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در دماهای بالا، SiC فشار بخار نسبتاً بالایی را نشان می‌دهد و مکانیسم تف‌جوشی آن در درجه اول شامل یک فرآیند تبخیر-چگالش است: دانه‌های ریز تبخیر می‌شوند و دوباره روی سطوح دانه‌های بزرگتر رسوب می‌کنند و باعث رشد گردن و پیوند مستقیم بین دانه‌ها می‌شوند و در نتیجه استحکام ماده را افزایش می‌دهند.

در سال ۱۹۹۰، کریگسمن با استفاده از ریخته‌گری دوغابی در دمای ۲۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، RSiC را با چگالی نسبی ۷۹.۱٪ تهیه کرد که سطح مقطع آن ریزساختاری متشکل از دانه‌های درشت و منافذ را نشان می‌داد. متعاقباً، یی و همکارانش از ریخته‌گری ژلی برای تهیه بدنه‌های خام استفاده کردند و آنها را در دمای ۲۴۵۰ درجه سانتی‌گراد زینتر کردند و سرامیک‌های RSiC با چگالی حجمی ۲.۵۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب و استحکام خمشی ۵۵.۴ مگاپاسکال به دست آوردند.

سطح شکست RSiC با استفاده از SEM

در مقایسه با SiC متراکم، RSiC چگالی کمتری (تقریباً 2.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب) و حدود 20٪ تخلخل باز دارد که عملکرد آن را در کاربردهای با استحکام بالا محدود می‌کند. بنابراین، بهبود چگالی و خواص مکانیکی RSiC به یک تمرکز تحقیقاتی کلیدی تبدیل شده است. سونگ و همکارانش پیشنهاد کردند که سیلیکون مذاب را به داخل مخلوط‌های فشرده کربن/β-SiC نفوذ دهند و در دمای 2200 درجه سانتیگراد تبلور مجدد کنند و با موفقیت یک ساختار شبکه‌ای متشکل از دانه‌های درشت α-SiC بسازند. RSiC حاصل به چگالی 2.7 گرم بر سانتی‌متر مکعب و استحکام خمشی 134 مگاپاسکال دست یافت و پایداری مکانیکی عالی را در دماهای بالا حفظ کرد.

برای افزایش بیشتر چگالی، گو و همکارانش از فناوری نفوذ و پیرولیز پلیمری (PIP) برای چندین مرحله تصفیه RSiC استفاده کردند. با استفاده از محلول‌های PCS/زایلن و دوغاب‌های SiC/PCS/زایلن به عنوان نفوذکننده، پس از ۳ تا ۶ چرخه PIP، چگالی RSiC به طور قابل توجهی (تا ۲.۹۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب) و همچنین استحکام خمشی آن بهبود یافت. علاوه بر این، آنها یک استراتژی چرخه‌ای را با ترکیب PIP و تبلور مجدد پیشنهاد کردند: پیرولیز در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد و به دنبال آن تبلور مجدد در دمای ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد، که به طور موثر انسداد ذرات را برطرف کرده و تخلخل را کاهش می‌دهد. ماده نهایی RSiC به چگالی ۲.۹۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب و استحکام خمشی ۱۶۲.۳ مگاپاسکال دست یافت که عملکرد جامع برجسته‌ای را نشان می‌دهد.

تصاویر SEM از تکامل ریزساختار RSiC صیقل داده شده پس از اشباع پلیمر و چرخه‌های تبلور مجدد پیرولیز (PIP): RSiC اولیه (A)، پس از اولین چرخه تبلور مجدد PIP (B) و پس از چرخه سوم (C)

دوم. تف‌جوشی بدون فشار

سرامیک‌های کاربید سیلیکون (SiC) تف‌جوشی‌شده بدون فشار معمولاً با استفاده از پودر SiC با خلوص بالا و بسیار ریز به عنوان ماده اولیه، با افزودن مقادیر کمی از کمک‌فعل‌های تف‌جوشی و تف‌جوشی در اتمسفر بی‌اثر یا خلاء در دمای 1800 تا 2150 درجه سانتیگراد تهیه می‌شوند. این روش برای تولید قطعات سرامیکی با اندازه بزرگ و ساختار پیچیده مناسب است. با این حال، از آنجایی که SiC در درجه اول به صورت کووالانسی پیوند خورده است، ضریب نفوذ خود به خودی آن بسیار پایین است و تراکم‌پذیری را بدون کمک‌فعل‌های تف‌جوشی دشوار می‌کند.

بر اساس مکانیزم تف‌جوشی، تف‌جوشی بدون فشار را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: تف‌جوشی فاز مایع بدون فشار (PLS-SiC) و تف‌جوشی حالت جامد بدون فشار (PSS-SiC).

۱.۱ PLS-SiC (تفت‌جوشی فاز مایع)

PLS-SiC معمولاً با افزودن تقریباً 10 درصد وزنی از کمک‌فعل‌های تف‌جوشی یوتکتیک (مانند Al₂O₃، CaO، MgO، TiO₂ و اکسیدهای خاکی کمیاب RE₂O₃) در دمای زیر 2000 درجه سانتیگراد تف‌جوشی می‌شود تا یک فاز مایع تشکیل شود و بازآرایی ذرات و انتقال جرم را برای دستیابی به چگالش ارتقا دهد. این فرآیند برای سرامیک‌های SiC با درجه صنعتی مناسب است، اما هیچ گزارشی از SiC با خلوص بالا که از طریق تف‌جوشی فاز مایع به دست آمده است، وجود ندارد.

۱.۲ PSS-SiC (تفت‌جوشی حالت جامد)

PSS-SiC شامل متراکم‌سازی حالت جامد در دماهای بالاتر از 2000 درجه سانتیگراد با تقریباً 1 درصد وزنی افزودنی‌ها است. این فرآیند عمدتاً بر انتشار اتمی و بازآرایی دانه‌ها که توسط دماهای بالا هدایت می‌شوند، برای کاهش انرژی سطحی و دستیابی به متراکم‌سازی متکی است. سیستم BC (بور-کربن) یک ترکیب افزودنی رایج است که می‌تواند انرژی مرز دانه را کاهش داده و SiO₂ را از سطح SiC حذف کند. با این حال، افزودنی‌های سنتی BC اغلب ناخالصی‌های باقیمانده را ایجاد می‌کنند و خلوص SiC را کاهش می‌دهند.

با کنترل مقدار افزودنی (B برابر با 0.4 درصد وزنی، C برابر با 1.8 درصد وزنی) و تفجوشی در دمای 2150 درجه سانتیگراد به مدت 0.5 ساعت، سرامیک‌های SiC با خلوص بالا با خلوص 99.6 درصد وزنی و چگالی نسبی 98.4 درصد به دست آمدند. ریزساختار، دانه‌های ستونی (طول برخی از آنها بیش از 450 میکرومتر) را نشان داد، با منافذ جزئی در مرز دانه‌ها و ذرات گرافیت در داخل دانه‌ها. این سرامیک‌ها استحکام خمشی 443 ± 27 مگاپاسکال، مدول الاستیک 420 ± 1 گیگاپاسکال و ضریب انبساط حرارتی 3.84 × 10⁻⁶ K⁻⁻⁹ را در محدوده دمای اتاق تا 600 درجه سانتیگراد نشان دادند که عملکرد کلی عالی را نشان می‌دهد.

ریزساختار PSS-SiC: (الف) تصویر SEM پس از پولیش و اچینگ NaOH؛ (BD) تصاویر BSD پس از پولیش و اچینگ

III. تف‌جوشی با پرس گرم

پخت با پرس گرم (HP) یک تکنیک تراکم‌سازی است که همزمان گرما و فشار تک‌محوری را تحت شرایط دما و فشار بالا به مواد پودری اعمال می‌کند. فشار بالا به طور قابل توجهی از تشکیل منافذ جلوگیری کرده و رشد دانه را محدود می‌کند، در حالی که دمای بالا باعث همجوشی دانه‌ها و تشکیل ساختارهای متراکم می‌شود و در نهایت سرامیک‌های SiC با چگالی بالا و خلوص بالا تولید می‌کند. به دلیل ماهیت جهت‌دار پرس، این فرآیند تمایل به القای ناهمسانگردی دانه‌ها دارد که بر خواص مکانیکی و سایشی تأثیر می‌گذارد.

سرامیک‌های SiC خالص بدون افزودنی‌ها به سختی متراکم می‌شوند و نیاز به تف‌جوشی در فشار بسیار بالا دارند. نادو و همکارانش با موفقیت SiC کاملاً متراکم را بدون افزودنی‌ها در دمای 2500 درجه سانتیگراد و 5000 مگاپاسکال تهیه کردند؛ سان و همکارانش مواد توده‌ای β-SiC را با سختی ویکرز تا 41.5 گیگاپاسکال در دمای 25 گیگاپاسکال و 1400 درجه سانتیگراد به دست آوردند. با استفاده از فشار 4 گیگاپاسکال، سرامیک‌های SiC با چگالی نسبی تقریباً 98٪ و 99٪، سختی 35 گیگاپاسکال و مدول الاستیک 450 گیگاپاسکال به ترتیب در دمای 1500 درجه سانتیگراد و 1900 درجه سانتیگراد تهیه شدند. تف‌جوشی پودر SiC با اندازه میکرون در دمای 5 گیگاپاسکال و 1500 درجه سانتیگراد، سرامیک‌هایی با سختی 31.3 گیگاپاسکال و چگالی نسبی 98.4٪ را به دست آورد.

اگرچه این نتایج نشان می‌دهد که فشار فوق بالا می‌تواند به چگالش بدون افزودنی دست یابد، پیچیدگی و هزینه بالای تجهیزات مورد نیاز، کاربردهای صنعتی را محدود می‌کند. بنابراین، در آماده‌سازی عملی، اغلب از افزودنی‌های جزئی یا گرانولاسیون پودر برای افزایش نیروی محرکه تف‌جوشی استفاده می‌شود.

با افزودن 4 درصد وزنی رزین فنولیک به عنوان افزودنی و تف جوشی در دمای 2350 درجه سانتیگراد و فشار 50 مگاپاسکال، سرامیک‌های SiC با نرخ تراکم 92 درصد و خلوص 99.998 درصد به دست آمدند. با استفاده از مقادیر کم افزودنی (اسید بوریک و D-فروکتوز) و تف جوشی در دمای 2050 درجه سانتیگراد و فشار 40 مگاپاسکال، SiC با خلوص بالا با چگالی نسبی >99.5 درصد و محتوای بور باقیمانده تنها 556 ppm تهیه شد. تصاویر SEM نشان داد که در مقایسه با نمونه‌های تف جوشی بدون فشار، نمونه‌های پرس گرم دانه‌های کوچکتر، منافذ کمتر و چگالی بالاتری داشتند. استحکام خمشی 453.7 ± 44.9 مگاپاسکال و مدول الاستیک به 444.3 ± 1.1 گیگاپاسکال رسید.

با افزایش زمان نگهداری در دمای ۱۹۰۰ درجه سانتی‌گراد، اندازه دانه از ۱.۵ میکرومتر به ۱.۸ میکرومتر افزایش یافت و رسانایی حرارتی از ۱۵۵ به ۱۶۷ W·m⁻·K⁻¹ بهبود یافت، در حالی که مقاومت به خوردگی پلاسما نیز افزایش یافت.

تحت شرایط دمای ۱۸۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۳۰ مگاپاسکال، پرس گرم و پرس گرم سریع پودر SiC دانه‌بندی شده و آنیل شده، سرامیک‌های β-SiC کاملاً متراکم بدون هیچ افزودنی، با چگالی ۳.۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب و دمای پخت ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد کمتر از فرآیندهای سنتی، تولید شد. این سرامیک‌ها سختی ۲۷۲۹ گیگاپاسکال، چقرمگی شکست ۵.۲۵ تا ۵.۳۰ مگاپاسکال بر متر مربع و مقاومت خزشی عالی (نرخ خزش ۹.۹ × ۱۰⁻⁰ s⁻¹ و ۳.۸ × ۱۰⁻⁹ s⁻¹ در دمای ۱۴۰۰/۱۴۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱۰۰ مگاپاسکال) از خود نشان دادند.

(الف) تصویر SEM از سطح صیقلی؛ (ب) تصویر SEM از سطح شکست؛ (ج، د) تصویر BSD از سطح صیقلی

در تحقیقات چاپ سه‌بعدی برای سرامیک‌های پیزوالکتریک، دوغاب سرامیکی، به عنوان عامل اصلی مؤثر بر شکل‌دهی و عملکرد، به یک تمرکز کلیدی در داخل و خارج از کشور تبدیل شده است. مطالعات فعلی عموماً نشان می‌دهند که پارامترهایی مانند اندازه ذرات پودر، ویسکوزیته دوغاب و محتوای جامد به طور قابل توجهی بر کیفیت شکل‌دهی و خواص پیزوالکتریک محصول نهایی تأثیر می‌گذارند.

تحقیقات نشان داده است که دوغاب‌های سرامیکی تهیه شده با استفاده از پودرهای تیتانات باریم در اندازه‌های میکرون، زیر میکرون و نانو، تفاوت‌های قابل توجهی در فرآیندهای استریولیتوگرافی (مثلاً LCD-SLA) نشان می‌دهند. با کاهش اندازه ذرات، ویسکوزیته دوغاب به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، به طوری که پودرهای نانو، دوغابی با ویسکوزیته‌هایی تا میلیاردها میلی‌پاسکال بر ثانیه تولید می‌کنند. دوغاب‌هایی با پودرهای میکرونی مستعد لایه لایه شدن و کنده شدن در حین چاپ هستند، در حالی که پودرهای زیر میکرون و نانو رفتار شکل‌دهی پایدارتری نشان می‌دهند. پس از تف‌جوشی در دمای بالا، نمونه‌های سرامیکی حاصل به چگالی 5.44 گرم بر سانتی‌متر مکعب، ضریب پیزوالکتریک (d₃₃) تقریباً 200 pC/N و ضرایب اتلاف کم دست یافتند که خواص پاسخ الکترومکانیکی عالی را نشان می‌دهد.

علاوه بر این، در فرآیندهای میکرواستریولیتوگرافی، تنظیم محتوای جامد دوغاب‌های نوع PZT (مثلاً 75 درصد وزنی) منجر به تولید بدنه‌های تف‌جوشی با چگالی 7.35 گرم بر سانتی‌متر مکعب شد و ثابت پیزوالکتریک تا 600 pC/N تحت میدان‌های الکتریکی قطبی به دست آمد. تحقیقات در مورد جبران تغییر شکل در مقیاس میکرو، دقت شکل‌دهی را به طور قابل توجهی بهبود بخشید و دقت هندسی را تا 80 درصد افزایش داد.

مطالعه دیگری روی سرامیک‌های پیزوالکتریک PMN-PT نشان داد که محتوای جامد به طور قابل توجهی بر ساختار سرامیک و خواص الکتریکی آن تأثیر می‌گذارد. در محتوای جامد ۸۰ درصد وزنی، محصولات جانبی به راحتی در سرامیک‌ها ظاهر می‌شوند؛ با افزایش محتوای جامد به ۸۲ درصد وزنی و بالاتر، محصولات جانبی به تدریج ناپدید می‌شوند و ساختار سرامیک خالص‌تر می‌شود و عملکرد آن به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. در ۸۲ درصد وزنی، سرامیک‌ها خواص الکتریکی بهینه‌ای از خود نشان می‌دهند: ثابت پیزوالکتریک ۷۳۰ pC/N، گذردهی نسبی ۷۲۲۶ و تلفات دی‌الکتریک تنها ۰.۰۷.

به طور خلاصه، اندازه ذرات، محتوای جامد و خواص رئولوژیکی دوغاب‌های سرامیکی نه تنها بر پایداری و دقت فرآیند چاپ تأثیر می‌گذارند، بلکه مستقیماً چگالی و پاسخ پیزوالکتریک اجسام متخلخل را تعیین می‌کنند و آنها را به پارامترهای کلیدی برای دستیابی به سرامیک‌های پیزوالکتریک چاپ سه‌بعدی با عملکرد بالا تبدیل می‌کنند.

فرآیند اصلی چاپ سه بعدی LCD-SLA از نمونه‌های BT/UV

خواص سرامیک‌های PMN-PT با درصد جامد متفاوت

IV. تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای

تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) یک فناوری تف‌جوشی پیشرفته است که از جریان پالسی و فشار مکانیکی که به طور همزمان بر پودرها اعمال می‌شود، برای دستیابی به تراکم سریع استفاده می‌کند. در این فرآیند، جریان مستقیماً قالب و پودر را گرم می‌کند و گرمای ژول و پلاسما تولید می‌کند و امکان تف‌جوشی کارآمد را در مدت زمان کوتاهی (معمولاً ظرف 10 دقیقه) فراهم می‌کند. گرمایش سریع، نفوذ سطحی را افزایش می‌دهد، در حالی که تخلیه جرقه‌ای به حذف گازهای جذب شده و لایه‌های اکسید از سطوح پودر کمک می‌کند و عملکرد تف‌جوشی را بهبود می‌بخشد. اثر مهاجرت الکتریکی ناشی از میدان‌های الکترومغناطیسی، نفوذ اتمی را نیز افزایش می‌دهد.

در مقایسه با پرس گرم سنتی، SPS از گرمایش مستقیم‌تری استفاده می‌کند که امکان متراکم‌سازی در دماهای پایین‌تر را فراهم می‌کند و در عین حال به طور مؤثر از رشد دانه جلوگیری می‌کند تا ریزساختارهای ریز و یکنواختی حاصل شود. به عنوان مثال:

• بدون افزودنی، با استفاده از پودر SiC آسیاب شده به عنوان ماده اولیه، تف جوشی در دمای ۲۱۰۰ درجه سانتیگراد و فشار ۷۰ مگاپاسکال به مدت ۳۰ دقیقه، نمونه‌هایی با چگالی نسبی ۹۸٪ حاصل شد.
• تف‌جوشی در دمای ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۴۰ مگاپاسکال به مدت ۱۰ دقیقه، SiC مکعبی با چگالی ۹۸٪ و اندازه دانه تنها ۳۰ تا ۵۰ نانومتر تولید کرد.
• استفاده از پودر SiC با دانه‌بندی ۸۰ میکرومتر و تف‌جوشی در دمای ۱۸۶۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۵۰ مگاپاسکال به مدت ۵ دقیقه منجر به تولید سرامیک‌های SiC با کارایی بالا با چگالی نسبی ۹۸.۵٪، ریزسختی ویکرز ۲۸.۵ گیگاپاسکال، استحکام خمشی ۳۹۵ مگاپاسکال و چقرمگی شکست ۴.۵ مگاپاسکال بر متر مربع شد.

آنالیز ریزساختاری نشان داد که با افزایش دمای تفجوشی از ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد به ۱۸۶۰ درجه سانتیگراد، تخلخل ماده به طور قابل توجهی کاهش یافته و در دماهای بالا به چگالی کامل نزدیک می‌شود.

ریزساختار سرامیک‌های SiC تف‌جوشی شده در دماهای مختلف: (الف) 1600 درجه سانتیگراد، (ب) 1700 درجه سانتیگراد، (ج) 1790 درجه سانتیگراد و (د) 1860 درجه سانتیگراد

V. تولید افزایشی

تولید افزایشی (AM) اخیراً به دلیل فرآیند ساخت لایه به لایه، پتانسیل فوق‌العاده‌ای در ساخت قطعات سرامیکی پیچیده نشان داده است. برای سرامیک‌های SiC، چندین فناوری AM توسعه یافته‌اند، از جمله جتینگ چسب (BJ)، 3DP، تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS)، نوشتن مستقیم با جوهر (DIW) و استریولیتوگرافی (SL، DLP). با این حال، 3DP و DIW دقت کمتری دارند، در حالی که SLS تمایل به ایجاد تنش حرارتی و ترک دارد. در مقابل، BJ و SL مزایای بیشتری در تولید سرامیک‌های پیچیده با خلوص بالا و دقت بالا ارائه می‌دهند.

1. جتینگ بایندر (BJ)

فناوری BJ شامل پاشش لایه به لایه چسب برای اتصال پودر و به دنبال آن جداسازی چسب و تف جوشی برای به دست آوردن محصول سرامیکی نهایی است. با ترکیب BJ با نفوذ بخار شیمیایی (CVI)، سرامیک‌های SiC با خلوص بالا و کاملاً بلوری با موفقیت تهیه شدند. این فرآیند شامل موارد زیر است:

① تشکیل بدنه‌های سرامیکی سبز SiC با استفاده از BJ.
② متراکم‌سازی از طریق CVI در دمای 1000 درجه سانتیگراد و فشار 200 تور.
③ سرامیک SiC نهایی دارای چگالی 2.95 گرم بر سانتی‌متر مکعب، رسانایی حرارتی 37 وات بر متر مکعب بر کلوین و استحکام خمشی 297 مگاپاسکال بود.

نمودار شماتیک چاپ جت چسب (BJ). (الف) مدل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)، (ب) نمودار شماتیک اصول BJ، (ج) چاپ SiC توسط BJ، (د) متراکم‌سازی SiC توسط نفوذ بخار شیمیایی (CVI)

2. استریولیتوگرافی (SL)

SL یک فناوری شکل‌دهی سرامیک مبتنی بر پخت UV با دقت بسیار بالا و قابلیت ساخت ساختارهای پیچیده است. این روش از دوغاب‌های سرامیکی حساس به نور با محتوای جامد بالا و ویسکوزیته پایین برای تشکیل بدنه‌های سرامیکی سبز سه‌بعدی از طریق فوتوپلیمریزاسیون استفاده می‌کند و به دنبال آن جداسازی اتصال و تف‌جوشی در دمای بالا برای دستیابی به محصول نهایی انجام می‌شود.

با استفاده از دوغاب 35 درصد حجمی SiC، بدنه‌های سبز سه‌بعدی با کیفیت بالا تحت تابش UV با طول موج 405 نانومتر تهیه شدند و از طریق سوزاندن پلیمر در دمای 800 درجه سانتیگراد و عملیات PIP، متراکم‌تر شدند. نتایج نشان داد که نمونه‌های تهیه شده با دوغاب 35 درصد حجمی به چگالی نسبی 84.8 درصد رسیدند که از گروه‌های کنترل 30 درصد و 40 درصد بهتر بود.

با افزودن SiO₂ لیپوفیلیک و رزین اپوکسی فنولیک (PEA) برای اصلاح دوغاب، عملکرد فوتوپلیمریزاسیون به طور مؤثر بهبود یافت. پس از تف‌جوشی در دمای 1600 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت، تبدیل تقریباً کامل به SiC حاصل شد و محتوای اکسیژن نهایی تنها 0.12٪ بود که امکان ساخت تک مرحله‌ای سرامیک‌های SiC با ساختار پیچیده و با خلوص بالا را بدون مراحل پیش‌اکسیداسیون یا پیش‌نفوذ فراهم می‌کند.

تصویرسازی ساختار چاپ و فرآیند پخت آن. ظاهر نمونه پس از خشک شدن در (الف) 25 درجه سانتیگراد، پیرولیز در (ب) 1000 درجه سانتیگراد و پخت در (ج) 1600 درجه سانتیگراد.

با طراحی دوغاب‌های سرامیکی Si3N4 حساس به نور برای چاپ سه‌بعدی استریولیتوگرافی و با استفاده از فرآیندهای جداسازی-پیش‌ذوب و پیرسازی در دمای بالا، سرامیک‌های Si3N4 با چگالی نظری 93.3٪، استحکام کششی 279.8 مگاپاسکال و استحکام خمشی 308.5-333.2 مگاپاسکال تهیه شدند. مطالعات نشان داد که تحت شرایط 45 درصد حجمی محتوای جامد و زمان قرار گرفتن در معرض 10 ثانیه، می‌توان بدنه‌های سبز تک لایه با دقت پخت در سطح IT77 را به دست آورد. یک فرآیند جداسازی در دمای پایین با نرخ گرمایش 0.1 درجه سانتیگراد بر دقیقه به تولید بدنه‌های سبز بدون ترک کمک کرد.

تف‌جوشی یک مرحله کلیدی است که بر عملکرد نهایی در استریولیتوگرافی تأثیر می‌گذارد. تحقیقات نشان می‌دهد که افزودن کمک‌های تف‌جوشی می‌تواند به طور مؤثر چگالی سرامیک و خواص مکانیکی آن را بهبود بخشد. با استفاده از CeO₂ به عنوان کمک تف‌جوشی و فناوری تف‌جوشی به کمک میدان الکتریکی برای تهیه سرامیک‌های Si₃N₄ با چگالی بالا، مشخص شد که CeO₂ در مرز دانه‌ها جدایش می‌یابد و باعث لغزش مرز دانه و تراکم می‌شود. سرامیک‌های حاصل، سختی ویکرز HV10/10 (1347.9 ± 2.4) و چقرمگی شکست (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/² را نشان دادند. با افزودن MgO-Y₂O₃ به عنوان افزودنی، همگنی ریزساختار سرامیک بهبود یافت و عملکرد به طور قابل توجهی افزایش یافت. در سطح آلایش کلی 8 درصد وزنی، استحکام خمشی و رسانایی حرارتی به ترتیب به 915.54 مگاپاسکال و 59.58 W·m⁻¹·K⁻¹ رسید.

ششم. نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، سرامیک‌های کاربید سیلیکون (SiC) با خلوص بالا، به عنوان یک ماده سرامیکی مهندسی برجسته، چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای را در نیمه‌هادی‌ها، هوافضا و تجهیزات با شرایط سخت نشان داده‌اند. این مقاله به طور سیستماتیک پنج مسیر معمول آماده‌سازی برای سرامیک‌های SiC با خلوص بالا - تف‌جوشی تبلور مجدد، تف‌جوشی بدون فشار، پرس گرم، تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای و تولید افزایشی - را با بحث‌های مفصلی در مورد مکانیسم‌های تراکم آنها، بهینه‌سازی پارامترهای کلیدی، عملکرد مواد و مزایا و محدودیت‌های مربوطه تجزیه و تحلیل کرده است.

بدیهی است که فرآیندهای مختلف، هر کدام ویژگی‌های منحصر به فردی از نظر دستیابی به خلوص بالا، چگالی بالا، ساختارهای پیچیده و امکان‌سنجی صنعتی دارند. به طور خاص، فناوری تولید افزایشی، پتانسیل بالایی در ساخت قطعات با شکل پیچیده و سفارشی نشان داده است و با پیشرفت‌هایی در زیرشاخه‌هایی مانند استریولیتوگرافی و جتینگ چسب، به یک جهت توسعه مهم برای تهیه سرامیک SiC با خلوص بالا تبدیل شده است.

تحقیقات آینده در زمینه آماده‌سازی سرامیک SiC با خلوص بالا باید عمیق‌تر بررسی شود و گذار از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای مهندسی بسیار قابل اعتماد در مقیاس بزرگ را ارتقا دهد و از این طریق پشتیبانی مواد حیاتی را برای تولید تجهیزات پیشرفته و فناوری‌های اطلاعات نسل بعدی فراهم کند.

XKH یک شرکت فناوری پیشرفته است که در زمینه تحقیق و تولید مواد سرامیکی با کارایی بالا تخصص دارد. این شرکت به ارائه راه‌حل‌های سفارشی برای مشتریان در قالب سرامیک‌های کاربید سیلیکون (SiC) با خلوص بالا اختصاص دارد. این شرکت دارای فناوری‌های پیشرفته آماده‌سازی مواد و قابلیت‌های پردازش دقیق است. کسب و کار آن شامل تحقیق، تولید، پردازش دقیق و عملیات سطحی سرامیک‌های SiC با خلوص بالا است که الزامات سختگیرانه نیمه‌هادی‌ها، انرژی‌های نو، هوافضا و سایر زمینه‌ها را برای قطعات سرامیکی با کارایی بالا برآورده می‌کند. با بهره‌گیری از فرآیندهای پخت پیشرفته و فناوری‌های تولید افزایشی، می‌توانیم خدمات یکپارچه‌ای را از بهینه‌سازی فرمول مواد، تشکیل ساختار پیچیده تا پردازش دقیق به مشتریان ارائه دهیم و اطمینان حاصل کنیم که محصولات دارای خواص مکانیکی عالی، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی هستند.