تقنية "الاستنساخ" في صناعة سيراميك كربيد السيليكون: تحليل خمسة أنواع رئيسية

سيراميك كربيد السيليكون (SiC)أصبحت هذه المواد أساسية في مجال السيراميك الهيكلي عالي الحرارة نظرًا لانخفاض معامل التمدد الحراري، وارتفاع الموصلية الحرارية، والصلابة العالية، والاستقرار الحراري والكيميائي الممتاز. وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات حيوية مثل صناعة الطيران والفضاء، والطاقة النووية، والصناعات العسكرية، وأشباه الموصلات.
مع ذلك، فإن الروابط التساهمية القوية للغاية ومعامل الانتشار المنخفض لكربيد السيليكون (SiC) يجعلان تكثيفه صعبًا. ولذلك، طوّرت الصناعة تقنيات تلبيد متنوعة، وتختلف خزفيات كربيد السيليكون المُحضّرة بتقنيات مختلفة اختلافًا كبيرًا في بنيتها المجهرية وخصائصها وتطبيقاتها. فيما يلي تحليل للخصائص الأساسية لخمسة أنواع رئيسية من خزفيات كربيد السيليكون.
1. سيراميك كربيد السيليكون غير المتلبد بالضغط (S-SiC)
المزايا الرئيسية: مناسبة لعمليات التشكيل المتعددة، منخفضة التكلفة، غير مقيدة بالشكل والحجم، وهي أسهل طريقة تلبيد لتحقيق الإنتاج بكميات كبيرة. بإضافة البورون والكربون إلى β-SiC الذي يحتوي على كميات ضئيلة من الأكسجين وتلبيده في جو خامل عند حوالي 2000 درجة مئوية، يمكن الحصول على جسم مُلبّد بكثافة نظرية تبلغ 98%. هناك عمليتان: الطور الصلب والطور السائل. يتميز الطور الصلب بكثافة ونقاء أعلى، بالإضافة إلى موصلية حرارية عالية وقوة تحمل عالية للحرارة.
الاستخدامات النموذجية: الإنتاج الضخم لحلقات منع التسرب والمحامل الانزلاقية المقاومة للتآكل والصدأ؛ نظرًا لصلابته العالية، وكثافته المنخفضة، وأدائه الباليستي الممتاز، يُستخدم على نطاق واسع كدروع مضادة للرصاص للمركبات والسفن، وكذلك لحماية الخزائن المدنية ومركبات نقل الأموال. تتفوق مقاومته للصدمات المتعددة على سيراميك كربيد السيليكون العادي، ويمكن أن تصل نقطة كسر الدروع الواقية الأسطوانية خفيفة الوزن إلى أكثر من 65 طنًا.
2. سيراميك كربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل (RB SiC)
المزايا الأساسية: أداء ميكانيكي ممتاز، قوة عالية، مقاومة للتآكل والأكسدة؛ درجة حرارة تلبيد منخفضة وتكلفة زهيدة، مع إمكانية تشكيل أحجام قريبة من الحجم النهائي. تتضمن العملية خلط مصدر للكربون مع مسحوق كربيد السيليكون لإنتاج سبيكة. عند درجات حرارة عالية، يتغلغل السيليكون المنصهر في السبيكة ويتفاعل مع الكربون لتكوين β-SiC، الذي يتحد مع α-SiC الأصلي ويملأ المسام. يكون التغير في الحجم أثناء التلبيد طفيفًا، مما يجعله مناسبًا للإنتاج الصناعي للمنتجات ذات الأشكال المعقدة.
التطبيقات النموذجية: معدات الأفران ذات درجات الحرارة العالية، والأنابيب المشعة، والمبادلات الحرارية، وفوهات إزالة الكبريت؛ نظرًا لانخفاض معامل التمدد الحراري، ومعامل المرونة العالي، وخصائص التشكيل القريبة من الصافي، فقد أصبح مادة مثالية للعواكس الفضائية؛ ويمكنه أيضًا أن يحل محل زجاج الكوارتز كدعامة للأنابيب الإلكترونية ومعدات تصنيع رقائق أشباه الموصلات.

3. سيراميك كربيد السيليكون المتلبد بالضغط الساخن (HP SiC)
الميزة الأساسية: التلبيد المتزامن تحت درجات حرارة وضغوط عالية، حيث يكون المسحوق في حالة لدن حراري، مما يُسهّل عملية نقل الكتلة. يُمكن إنتاج منتجات ذات حبيبات دقيقة وكثافة عالية وخصائص ميكانيكية جيدة في درجات حرارة منخفضة وفي وقت أقصر، كما يُمكن تحقيق كثافة كاملة وحالة تلبيد شبه نقية.
الاستخدام النموذجي: في الأصل، كان يستخدم كسترات واقية من الرصاص لأفراد طاقم طائرات الهليكوبتر الأمريكية خلال حرب فيتنام، وقد تم استبدال سوق الدروع بكربيد البورون المضغوط على الساخن؛ في الوقت الحاضر، يتم استخدامه في الغالب في سيناريوهات ذات قيمة مضافة عالية، مثل المجالات ذات المتطلبات العالية للغاية للتحكم في التركيب والنقاء والكثافة، بالإضافة إلى مجالات الصناعات المقاومة للتآكل والصناعات النووية.
4. سيراميك كربيد السيليكون المعاد تبلوره (R-SiC)
الميزة الأساسية: لا حاجة لإضافة مواد مساعدة للتلبيد، فهي طريقة شائعة لتحضير أجهزة كربيد السيليكون (SiC) فائقة النقاء وكبيرة الحجم. تتضمن العملية خلط مساحيق كربيد السيليكون الخشنة والناعمة بنسب محددة، ثم تشكيلها وتلبيدها في جو خامل عند درجة حرارة تتراوح بين 2200 و2450 درجة مئوية. تتبخر الجزيئات الدقيقة وتتكثف عند نقطة تلامسها مع الجزيئات الخشنة لتشكيل سيراميك، يتميز بصلابة لا تقل إلا عن صلابة الماس. يحتفظ كربيد السيليكون بقوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للأكسدة، ومقاومة للصدمات الحرارية.
التطبيقات النموذجية: أثاث الأفران ذات درجات الحرارة العالية، والمبادلات الحرارية، وفوهات الاحتراق؛ في مجالات الطيران والفضاء والمجالات العسكرية، يتم استخدامه لتصنيع المكونات الهيكلية للمركبات الفضائية مثل المحركات، والزعانف الذيلية، وجسم الطائرة، مما يمكن أن يحسن أداء المعدات وعمر الخدمة.
5. سيراميك كربيد السيليكون المشرب بالسيليكون (SiSiC)
المزايا الرئيسية: يُعدّ هذا المنتج الأنسب للإنتاج الصناعي، حيث يتميز بوقت تلبيد قصير، ودرجة حرارة منخفضة، وكثافة عالية، وعدم تشوه، ويتكون من مصفوفة من كربيد السيليكون وطور سيليكون متخلل، وينقسم إلى عمليتين: التخلل السائل والتخلل الغازي. تتميز الأخيرة بتكلفة أعلى، ولكنها توفر كثافة وتجانسًا أفضل للسيليكون الحر.
التطبيقات النموذجية: انخفاض المسامية، وإحكام الإغلاق الجيد، والمقاومة المنخفضة تساعد على التخلص من الكهرباء الساكنة، وهي مناسبة لإنتاج أجزاء كبيرة أو معقدة أو مجوفة، وتستخدم على نطاق واسع في معدات معالجة أشباه الموصلات؛ نظرًا لمعامل المرونة العالي، وخفة الوزن، والقوة العالية، وإحكام الإغلاق الممتاز، فهي المادة المفضلة عالية الأداء في مجال الطيران والفضاء، والتي يمكنها تحمل الأحمال في بيئات الفضاء وضمان دقة وسلامة المعدات.