From Powder to Solid Ceramic: The Shaping and Sitering Methods
Η σκόνη SiC από μόνη της δεν είναι ένα ισχυρό, πυκνό κεραμικό. Για να δημιουργηθεί ένα στερεό αντικείμενο, η σκόνη πρέπει να διαμορφωθεί και στη συνέχεια να λιώσει μαζί σε μια διαδικασία που ονομάζεται πυροσυσσωμάτωση. Η βασική πρόκληση είναι ότι το SiC έχει ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολη τη σύντηξη. Επομένως, απαιτούνται ειδικές τεχνικές. Οι τρεις βασικές μέθοδοι είναι:
1. Ποσυσσωμάτωση (Solid-State Sintering)
Αυτή είναι η πιο κοινή μέθοδος για την κατασκευή σύνθετων εξαρτημάτων.
# Ανάμιξη: Η σκόνη SiC αναμιγνύεται με ένα βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης, συνήθως μια μικρή ποσότητα βορίου (Β) και άνθρακα (C). Ο άνθρακας βοηθά στην απομάκρυνση του στρώματος οξειδίου στα σωματίδια SiC και το βόριο προάγει την ατομική διάχυση.
# Μορφοποίηση: Το μείγμα σκόνης διαμορφώνεται σε ένα «πράσινο σώμα» (μια μη πυροσυσσωματωμένη μορφή). Αυτό μπορεί να γίνει με:
* Dry Pressing: Μονοαξονική ή ισοστατική πίεση για απλά σχήματα.
* Εξώθηση: Για μακριά, συνεχή σχήματα όπως σωλήνες ή ράβδοι.
* Injection Molding: Για πολύ περίπλοκα και περίπλοκα σχήματα.
# Πυροσυσσωμάτωση: Το πράσινο σώμα θερμαίνεται σε αδρανή ατμόσφαιρα (όπως αργό) σε θερμοκρασίες περίπου 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F). Σε αυτή τη θερμοκρασία, τα σωματίδια διαχέονται μεταξύ τους στα σημεία επαφής, ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα πυκνό, στερεό κεραμικό με ελάχιστο πορώδες.
Αποτέλεσμα: Συσσωματωμένο καρβίδιο του πυριτίου (SSiC). Έχει υψηλή καθαρότητα, εξαιρετική αντοχή στη φθορά και καλή μηχανική αντοχή.
2. Σύνδεση με αντίδραση (ή σιλικονοποίηση)
Αυτή η μέθοδος δημιουργεί ένα εξάρτημα σε σχήμα σχεδόν διχτυού με ελάχιστη συρρίκνωση.
# Διαμόρφωση: Ένα μείγμα σκόνης SiC και άνθρακα (π.χ. γραφίτης) σχηματίζεται σε ένα πορώδες πράσινο σώμα.
# Διήθηση: Το πράσινο σώμα στη συνέχεια τοποθετείται σε επαφή με τηγμένο μέταλλο πυριτίου (Si) σε κλίβανο υπό κενό.
# Αντίδραση: Το λιωμένο πυρίτιο έλκεται στο πορώδες σώμα με τριχοειδή δράση. Στη συνέχεια, αντιδρά με τον άνθρακα μέσα στο σώμα για να σχηματίσει νέο καρβίδιο του πυριτίου (Si + C → SiC), το οποίο συνδέει τα αρχικά σωματίδια SiC μεταξύ τους.
# Περίσσεια πυριτίου: Τυχόν χώροι που δεν πληρούνται από την αντίδραση γεμίζονται με υπολειμματικό μεταλλικό πυρίτιο.
Αποτέλεσμα: Καρβίδιο του πυριτίου με δεσμό αντίδρασης (RBSC) ή καρβίδιο πυριτίου με σιλικόνη. Είναι πιο πυκνό από το SSiC αλλά περιέχει 5-15% ελεύθερο πυρίτιο, το οποίο μειώνει την αντοχή του σε υψηλή θερμοκρασία και τη χημική του αντοχή σε σύγκριση με το SSiC.
3. Hot Pressing
Αυτή η μέθοδος παράγει την υψηλότερη πυκνότητα και αντοχή, αλλά είναι πιο ακριβή και περιορίζεται σε απλά σχήματα.
# Διαδικασία: Η σκόνη SiC (με βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης) τοποθετείται σε καλούπι, συνήθως κατασκευασμένο από γραφίτη.
# Ταυτόχρονη θέρμανση και πίεση: Η μήτρα θερμαίνεται σε θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης (~1900°C - 2000°C) ενώ ταυτόχρονα εφαρμόζεται πολύ υψηλή μονοαξονική πίεση (δεκάδες MPa).
# Πλεονέκτημα: Ο συνδυασμός θερμότητας και πίεσης οδηγεί την συμπύκνωση πιο αποτελεσματικά και σε χαμηλότερη θερμοκρασία από την πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση.
Αποτέλεσμα: Καρβίδιο του πυριτίου θερμής πίεσης (HPSiC). Έχει ανώτερες μηχανικές ιδιότητες, αλλά συνήθως παράγεται ως απλά σχήματα όπως πλάκες ή μπλοκ που απαιτούν μεταγενέστερη μηχανική κατεργασία με διαμαντένια εργαλεία.
Τελικό βήμα: Μηχανική κατεργασία
Μετά την πυροσυσσωμάτωση, το εξάρτημα είναι κοντά στο τελικό του σχήμα, αλλά συχνά απαιτεί μηχανική κατεργασία ακριβείας. Επειδή το SiC είναι εξαιρετικά σκληρό (9,5 στην κλίμακα Mohs, κοντά στο διαμάντι), αυτό μπορεί να γίνει μόνο χρησιμοποιώντας τροχούς ή εργαλεία λείανσης εμποτισμένους με διαμάντια.
Συνοπτικά, η κατασκευή κεραμικού καρβιδίου του πυριτίου είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων που περιλαμβάνει πρώτα τη σύνθεση της εξαιρετικά σκληρής σκόνης και στη συνέχεια τη χρήση εξειδικευμένων τεχνικών υψηλής θερμοκρασίας για την συμπύκνωση της σε ένα ισχυρό, ανθεκτικό υλικό μηχανικής.
Μπορεί να σας αρέσει: Κεραμικό Zirconia, Κεραμικό Εξάρτημα
