التطورات في تقنيات تحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء

برزت سيراميكات كربيد السيليكون (SiC) عالية النقاء كمواد مثالية للمكونات الأساسية في صناعات أشباه الموصلات والفضاء والصناعات الكيميائية، وذلك بفضل موصليتها الحرارية الاستثنائية، واستقرارها الكيميائي، ومتانتها الميكانيكية. ومع تزايد الطلب على الأجهزة الخزفية عالية الأداء ومنخفضة التلوث، أصبح تطوير تقنيات تحضير فعّالة وقابلة للتطوير لسيراميكات كربيد السيليكون عالية النقاء محورًا بحثيًا عالميًا. تستعرض هذه الورقة البحثية بشكل منهجي أهم طرق التحضير الحالية لسيراميكات كربيد السيليكون عالية النقاء، بما في ذلك التلبيد بإعادة التبلور، والتلبيد بدون ضغط (PS)، والضغط الساخن (HP)، والتلبيد بالبلازما الشرارية (SPS)، والتصنيع الإضافي (AM)، مع التركيز على مناقشة آليات التلبيد، والمعلمات الرئيسية، وخصائص المواد، والتحديات الحالية لكل عملية.

تطبيق سيراميك SiC في المجالات العسكرية والهندسية

تُستخدم حاليًا مكونات سيراميك SiC عالية النقاء على نطاق واسع في معدات تصنيع رقائق السيليكون، حيث تشارك في عمليات أساسية مثل الأكسدة والطباعة الحجرية والحفر وزرع الأيونات. مع تقدم تكنولوجيا الرقائق، أصبح زيادة أحجام الرقائق اتجاهًا مهمًا. يبلغ حجم الرقاقة السائد حاليًا 300 مم، مما يحقق توازنًا جيدًا بين التكلفة والقدرة الإنتاجية. ومع ذلك، ومدفوعًا بقانون مور، فإن الإنتاج الضخم لرقائق 450 مم مدرج بالفعل على جدول الأعمال. تتطلب الرقائق الأكبر عادةً قوة هيكلية أعلى لمقاومة الانحناء والتشوه، مما يزيد من الطلب المتزايد على مكونات سيراميك SiC كبيرة الحجم وعالية القوة وعالية النقاء. في السنوات الأخيرة، أظهرت الطباعة ثلاثية الأبعاد، كتقنية نماذج أولية سريعة لا تتطلب قوالب، إمكانات هائلة في تصنيع أجزاء سيراميك SiC ذات الهياكل المعقدة نظرًا لبنيتها طبقة تلو الأخرى وقدراتها التصميمية المرنة، مما جذب اهتمامًا واسع النطاق.

ستقوم هذه الورقة بتحليل خمس طرق تحضير نموذجية لسيراميك SiC عالي النقاء بشكل منهجي - التلبيد بالتبلور، التلبيد بدون ضغط، الضغط الساخن، التلبيد بالبلازما الشرارية، والتصنيع الإضافي - مع التركيز على آليات التلبيد، واستراتيجيات تحسين العملية، وخصائص أداء المواد، وآفاق التطبيق الصناعي.

متطلبات المواد الخام لكربيد السيليكون عالي النقاء

I. إعادة التبلور والتلبيد

كربيد السيليكون المُعاد تبلوره (RSiC) هو مادة SiC عالية النقاء، تُحضّر دون استخدام مُساعدات التلبيد عند درجات حرارة عالية تتراوح بين 2100 و2500 درجة مئوية. منذ أن اكتشف فريدريكسون ظاهرة إعادة التبلور في أواخر القرن التاسع عشر، حظي كربيد السيليكون المُعاد تبلوره باهتمام كبير نظرًا لنقاء حدود حبيباته وخلوه من الأطوار الزجاجية والشوائب. عند درجات الحرارة العالية، يُظهر كربيد السيليكون ضغط بخار مرتفعًا نسبيًا، وتعتمد آلية تلبيده بشكل أساسي على عملية تبخر وتكثيف: تتبخر الحبيبات الدقيقة وتترسب مجددًا على أسطح الحبيبات الأكبر، مما يُعزز نمو العنق والترابط المباشر بين الحبيبات، مما يُعزز قوة المادة.

في عام ١٩٩٠، حضّر كريغسمان كربيد السيليكون عالي الكثافة (RSiC) بكثافة نسبية ٧٩.١٪ باستخدام الصب الانزلاقي عند ٢٢٠٠ درجة مئوية، حيث أظهر المقطع العرضي بنية مجهرية مكونة من حبيبات خشنة ومسام. بعد ذلك، استخدم يي وزملاؤه الصب الهلامي لتحضير أجسام خضراء، وتلبدها عند ٢٤٥٠ درجة مئوية، وحصلوا على سيراميك كربيد السيليكون عالي الكثافة (RSiC) بكثافة إجمالية ٢.٥٣ جم/سم³ وقوة انثناء ٥٥.٤ ميجا باسكال.

سطح كسر المجهر الإلكتروني الماسح لـ RSiC

مقارنةً بـ SiC الكثيف، يتميز RSiC بكثافة أقل (حوالي 2.5 غ/سم³) ومسامية مفتوحة تبلغ حوالي 20%، مما يحد من أدائه في التطبيقات عالية القوة. لذلك، أصبح تحسين كثافة RSiC وخواصه الميكانيكية محورًا بحثيًا رئيسيًا. اقترح سونغ وآخرون ترشيح السيليكون المنصهر في مواد مضغوطة مختلطة من الكربون/β-SiC وإعادة تبلورها عند درجة حرارة 2200 درجة مئوية، مما أدى إلى بناء بنية شبكية مكونة من حبيبات α-SiC الخشنة بنجاح. حقق RSiC الناتج كثافة 2.7 غ/سم³ وقوة انثناء 134 ميجا باسكال، محافظًا على استقرار ميكانيكي ممتاز في درجات الحرارة العالية.

لتعزيز الكثافة بشكل أكبر، استخدم غو وآخرون تقنية تسلل البوليمر والتحلل الحراري (PIP) في معالجات متعددة لـ RSiC. باستخدام محاليل PCS/زيلين وخلطات SiC/PCS/زيلين كمواد متسللة، وبعد 3-6 دورات من PIP، تحسنت كثافة RSiC بشكل ملحوظ (حتى 2.90 جم/سم³)، بالإضافة إلى قوة انثناءه. كما اقترحوا استراتيجية دورية تجمع بين PIP وإعادة التبلور: التحلل الحراري عند 1400 درجة مئوية، يليه إعادة التبلور عند 2400 درجة مئوية، مما أدى إلى إزالة انسدادات الجسيمات وتقليل المسامية بفعالية. حققت مادة RSiC النهائية كثافة 2.99 جم/سم³ وقوة انثناء 162.3 ميجا باسكال، مما يدل على أداء شامل متميز.

صور المجهر الإلكتروني الماسح لتطور البنية الدقيقة لـ RSiC المصقول بعد دورات تشريب البوليمر والتحلل الحراري (PIP): RSiC الأولي (أ)، بعد دورة تشريب البوليمر والتحلل الحراري الأولى (ب)، وبعد الدورة الثالثة (ج)

II. التلبيد بدون ضغط

عادةً ما تُحضَّر سيراميكات كربيد السيليكون (SiC) المُلبَّدة بدون ضغط باستخدام مسحوق كربيد السيليكون فائق النعومة عالي النقاء كمادة خام، مع إضافة كميات صغيرة من مُساعدات التلبيد، وتُلبَّد في جو خامل أو فراغ عند درجة حرارة تتراوح بين 1800 و2150 درجة مئوية. تُناسب هذه الطريقة إنتاج مكونات سيراميكية كبيرة الحجم ومعقدة البنية. ومع ذلك، نظرًا لأن كربيد السيليكون مُرتبط بشكل أساسي بروابط تساهمية، فإن معامل انتشاره الذاتي منخفض للغاية، مما يُصعِّب عملية التكثيف بدون مُساعدات التلبيد.

بناءً على آلية التلبيد، يمكن تقسيم التلبيد الخالي من الضغط إلى فئتين: التلبيد في الطور السائل الخالي من الضغط (PLS-SiC) والتلبيد في الحالة الصلبة الخالي من الضغط (PSS-SiC).

1.1 PLS-SiC (التلبيد في الطور السائل)

عادةً ما يُلبَّد كربيد السيليكون متعدد السبائك (PLS-SiC) عند درجة حرارة أقل من 2000 درجة مئوية بإضافة حوالي 10% وزناً من مواد مساعدة في التلبيد الأيوتكتيكي (مثل Al₂O₃، وCaO، وMgO، وTiO₂، وأكاسيد العناصر الأرضية النادرة RE₂O₃) لتكوين طور سائل، مما يُعزز إعادة ترتيب الجسيمات ونقل الكتلة لتحقيق التكثيف. تُناسب هذه العملية سيراميك كربيد السيليكون الصناعي، ولكن لم تُسجل أي تقارير عن تحقيق كربيد سيليكون عالي النقاء من خلال التلبيد في الطور السائل.

1.2 PSS-SiC (التلبيد بالحالة الصلبة)

تتضمن عملية PSS-SiC تكثيفًا في الحالة الصلبة عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية باستخدام ما يقارب 1% وزنًا من المواد المضافة. تعتمد هذه العملية بشكل أساسي على الانتشار الذري وإعادة ترتيب الحبيبات بفعل درجات الحرارة العالية لتقليل طاقة السطح وتحقيق التكثيف. يُعد نظام البورون والكربون (BC) مزيجًا شائعًا من المواد المضافة، حيث يمكنه خفض طاقة حدود الحبيبات وإزالة ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) من سطح SiC. ومع ذلك، غالبًا ما تُنتج مواد التكثيف التقليدية شوائب متبقية، مما يُقلل من نقاء SiC.

بالتحكم في محتوى المواد المضافة (B 0.4% وزنيًا، C 1.8% وزنيًا) والتلبيد عند درجة حرارة 2150 درجة مئوية لمدة نصف ساعة، تم الحصول على سيراميك SiC عالي النقاء بنقاء 99.6% وزنيًا وكثافة نسبية 98.4%. أظهر التركيب المجهري حبيبات عمودية (بعضها يتجاوز طوله 450 ميكرومترًا)، مع مسام صغيرة عند حدود الحبيبات وجزيئات جرافيت داخلها. أظهر السيراميك قوة انثناء تبلغ 443 ± 27 ميجا باسكال، ومعامل مرونة يبلغ 420 ± 1 جيجا باسكال، ومعامل تمدد حراري يبلغ 3.84 × 10⁻⁶ K⁻¹ في نطاق درجة حرارة الغرفة إلى 600 درجة مئوية، مما يدل على أداء عام ممتاز.

البنية الدقيقة لـ PSS-SiC: (أ) صورة المجهر الإلكتروني الماسح بعد التلميع وحفر NaOH؛ (BD) صور BSD بعد التلميع والحفر

ثالثًا: التلبيد بالضغط الساخن

التلبيد بالضغط الساخن (HP) هو تقنية تكثيف تُطبّق الحرارة والضغط أحادي المحور على مواد المسحوق في آنٍ واحد تحت ظروف درجات حرارة وضغط عاليين. يُثبّط الضغط العالي بشكل كبير تكوّن المسام ويحد من نمو الحبيبات، بينما تُعزّز درجة الحرارة العالية اندماج الحبيبات وتكوين هياكل كثيفة، مما يُنتج في النهاية سيراميك SiC عالي الكثافة والنقاء. ونظرًا لطبيعة عملية الضغط الاتجاهية، تميل هذه العملية إلى تحفيز تباين الحبيبات، مما يؤثر على الخواص الميكانيكية وخصائص التآكل.

يصعب تكثيف سيراميك كربيد السيليكون النقي بدون إضافات، مما يتطلب تلبيدًا تحت ضغط فائق. نجح نادو وآخرون في تحضير كربيد السيليكون كامل الكثافة بدون إضافات عند درجتي حرارة 2500 درجة مئوية و5000 ميجا باسكال؛ وحصل صن وآخرون على مواد سائبة من كربيد السيليكون بيتا بصلابة فيكرز تصل إلى 41.5 جيجا باسكال عند درجتي حرارة 25 جيجا باسكال و1400 درجة مئوية. باستخدام ضغط 4 جيجا باسكال، تم تحضير سيراميك كربيد السيليكون بكثافات نسبية تقارب 98% و99%، وصلابة 35 جيجا باسكال، ومعامل مرونة 450 جيجا باسكال عند درجتي حرارة 1500 درجة مئوية و1900 درجة مئوية على التوالي. نتج عن تلبيد مسحوق كربيد السيليكون بحجم ميكرون عند درجتي حرارة 5 جيجا باسكال و1500 درجة مئوية سيراميك بصلابة 31.3 جيجا باسكال وكثافة نسبية 98.4%.

على الرغم من أن هذه النتائج تُثبت أن الضغط الفائق يُمكن أن يُحقق تكثيفًا خاليًا من المواد المضافة، إلا أن تعقيد المعدات اللازمة وتكلفتها العالية يحدّان من استخدامها في التطبيقات الصناعية. لذلك، غالبًا ما تُستخدم الإضافات النزرة أو تحبيب المساحيق في التحضير العملي لتعزيز قوة دفع التلبيد.

بإضافة راتنج فينولي بنسبة 4% وزناً كمادة مضافة، والتلبيد عند درجة حرارة 2350 درجة مئوية وضغط 50 ميجا باسكال، تم الحصول على سيراميك كربيد السيليكون (SiC) بمعدل تكثيف 92% ونقاء 99.998%. باستخدام كميات قليلة من المواد المضافة (حمض البوريك وD-فركتوز) والتلبيد عند درجة حرارة 2050 درجة مئوية وضغط 40 ميجا باسكال، تم تحضير كربيد سيليكون عالي النقاء بكثافة نسبية تزيد عن 99.5% ومحتوى بورون متبقي لا يتجاوز 556 جزء في المليون. أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أنه مقارنةً بالعينات الملبدة بدون ضغط، فإن العينات المكبوسة بالحرارة تتميز بحبيبات أصغر ومسام أقل وكثافة أعلى. بلغت قوة الانحناء 453.7 ± 44.9 ميجا باسكال، وبلغ معامل المرونة 444.3 ± 1.1 جيجا باسكال.

من خلال تمديد وقت الاحتفاظ عند 1900 درجة مئوية، زاد حجم الحبيبات من 1.5 ميكرومتر إلى 1.8 ميكرومتر، وتحسنت الموصلية الحرارية من 155 إلى 167 واط·متر⁻¹·ك⁻¹، مع تعزيز مقاومة التآكل البلازمي أيضًا.

تحت ظروف 1850 درجة مئوية وضغط 30 ميجا باسكال، أنتج الضغط الساخن والضغط الساخن السريع لمسحوق كربيد السيليكون الحبيبي والمُلَدَّن سيراميك β-SiC كامل الكثافة بدون أي إضافات، بكثافة 3.2 جم/سم³ ودرجة حرارة تلبيد أقل من العمليات التقليدية بمقدار 150-200 درجة مئوية. أظهر السيراميك صلابة 2729 جيجا باسكال، ومتانة كسر 5.25-5.30 ميجا باسكال/م²، ومقاومة ممتازة للزحف (معدلات زحف 9.9 × 10⁻⁹⁰ ثانية⁻¹ و3.8 × 10⁻⁹ ثانية⁻¹ عند 1400 درجة مئوية/1450 درجة مئوية وضغط 100 ميجا باسكال).

(أ) صورة مجهر مسح إلكتروني للسطح المصقول؛ (ب) صورة مجهر مسح إلكتروني لسطح الكسر؛ (ج، د) صورة مجهر مسح إلكتروني للسطح المصقول

في أبحاث الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك الكهرضغطي، أصبح ملاط السيراميك، باعتباره العامل الأساسي المؤثر على التشكيل والأداء، محورًا رئيسيًا محليًا ودوليًا. تشير الدراسات الحالية عمومًا إلى أن معايير مثل حجم جزيئات المسحوق، ولزوجة الملاط، ومحتوى المواد الصلبة تؤثر بشكل كبير على جودة التشكيل والخصائص الكهرضغطية للمنتج النهائي.

أظهرت الأبحاث أن الملاط الخزفي المُحضر باستخدام مساحيق تيتانات الباريوم بأحجام ميكرون، ودون ميكرون، ونانو، يُظهر اختلافات كبيرة في عمليات الطباعة الحجرية المجسمة (مثل LCD-SLA). مع تناقص حجم الجسيمات، تزداد لزوجة الملاط بشكل ملحوظ، حيث تُنتج المساحيق النانوية ملاطًا بلزوجة تصل إلى مليارات ملي باسكال. الملاطات ذات المساحيق الميكرونية معرضة للتقشير والتقشر أثناء الطباعة، بينما تُظهر المساحيق النانوية ودون الميكرون سلوك تشكيل أكثر استقرارًا. بعد التلبيد عالي الحرارة، حققت عينات السيراميك الناتجة كثافة 5.44 غ/سم³، ومعامل كهرضغطية (d₃₃) يقارب 200 بيكو كربون/نيوتن، وعوامل فقدان منخفضة، مما يُظهر خصائص استجابة كهروميكانيكية ممتازة.

بالإضافة إلى ذلك، في عمليات الطباعة الحجرية المجهرية، أدى تعديل محتوى المواد الصلبة في ملاط PZT (مثلاً، 75% وزناً) إلى إنتاج أجسام ملبدة بكثافة 7.35 غ/سم³، محققاً بذلك ثابتاً كهرضغطياً يصل إلى 600 بيكو كربون/نيوتن تحت تأثير المجالات الكهربائية الاستقطابية. وقد حسّنت الأبحاث المتعلقة بتعويض التشوه على نطاق صغير دقة التشكيل بشكل ملحوظ، مما عزز الدقة الهندسية بنسبة تصل إلى 80%.

كشفت دراسة أخرى على سيراميك PMN-PT الكهرضغطي أن المحتوى الصلب يؤثر بشكل حاسم على بنية السيراميك وخصائصه الكهربائية. عند نسبة 80% من المحتوى الصلب، ظهرت النواتج الثانوية بسهولة في السيراميك؛ ومع زيادة نسبة المواد الصلبة إلى 82% فأكثر، اختفت النواتج الثانوية تدريجيًا، وأصبح الهيكل السيراميكي أنقى، مع تحسن ملحوظ في الأداء. عند نسبة 82%، أظهر السيراميك خصائص كهربائية مثالية: ثابت كهرضغطي 730 بيكو كربون/نيوتن، ونفاذية نسبية 7226، وفقد عازل 0.07 فقط.

باختصار، لا يؤثر حجم الجسيمات ومحتوى المواد الصلبة والخصائص الرومولوجية للمواد الخزفية على استقرار ودقة عملية الطباعة فحسب، بل تحدد أيضًا بشكل مباشر كثافة واستجابة الكهرضغطية للأجسام الملبدة، مما يجعلها معلمات رئيسية لتحقيق أداء عالي من السيراميك الكهرضغطي المطبوع ثلاثي الأبعاد.

العملية الرئيسية للطباعة ثلاثية الأبعاد LCD-SLA لعينات BT/UV

خصائص سيراميك PMN-PT بمحتويات صلبة مختلفة

رابعًا: التلبيد بالبلازما الشرارية

التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS) هي تقنية تلبيد متقدمة تستخدم تيارًا نبضيًا وضغطًا ميكانيكيًا يُطبّقان في آنٍ واحد على المساحيق لتحقيق تكثيف سريع. في هذه العملية، يُسخّن التيار القالب والمسحوق مباشرةً، مُولّدًا حرارة جول وبلازما، مما يُتيح التلبيد بكفاءة في وقت قصير (عادةً خلال 10 دقائق). يُعزز التسخين السريع انتشار السطح، بينما يُساعد التفريغ الشراري على إزالة الغازات الممتصة وطبقات الأكسيد من أسطح المساحيق، مما يُحسّن أداء التلبيد. كما يُعزز تأثير الهجرة الكهربائية الناتج عن المجالات الكهرومغناطيسية انتشار الذرات.

مقارنةً بالضغط الساخن التقليدي، يعتمد SPS على تسخين مباشر أكثر، مما يُمكّن من التكثيف في درجات حرارة منخفضة مع تثبيط نمو الحبوب بفعالية للحصول على هياكل دقيقة ومتجانسة. على سبيل المثال:

• بدون إضافات، باستخدام مسحوق SiC المطحون كمادة خام، والتلبيد عند 2100 درجة مئوية و70 ميجا باسكال لمدة 30 دقيقة، أنتجت عينات بكثافة نسبية 98%.
• أدى التلبيد عند 1700 درجة مئوية و40 ميجا باسكال لمدة 10 دقائق إلى إنتاج SiC مكعب بكثافة 98٪ وحجم حبيبات يتراوح بين 30 إلى 50 نانومتر فقط.
• أدى استخدام مسحوق SiC الحبيبي بحجم 80 ميكرومتر والتلبيد عند 1860 درجة مئوية و50 ميجا باسكال لمدة 5 دقائق إلى إنتاج سيراميك SiC عالي الأداء بكثافة نسبية 98.5٪، وصلابة فيكرز تبلغ 28.5 جيجا باسكال، وقوة انثناء تبلغ 395 ميجا باسكال، وصلابة الكسر 4.5 ميجا باسكال·م^1/2.

وأظهر التحليل المجهري أن زيادة درجة حرارة التلبيد من 1600 درجة مئوية إلى 1860 درجة مئوية، أدى إلى انخفاض مسامية المادة بشكل كبير، واقتربت من الكثافة الكاملة عند درجات الحرارة العالية.

البنية الدقيقة لسيراميك SiC المتصلب عند درجات حرارة مختلفة: (أ) 1600 درجة مئوية، (ب) 1700 درجة مئوية، (ج) 1790 درجة مئوية و(د) 1860 درجة مئوية

الخامس. التصنيع الإضافي

أظهرت تقنية التصنيع الإضافي (AM) مؤخرًا إمكانات هائلة في تصنيع مكونات سيراميكية معقدة بفضل عملية بنائها طبقة تلو الأخرى. وقد طُوّرت تقنيات تصنيع إضافية متعددة لسيراميك SiC، بما في ذلك نفث المادة الرابطة (BJ)، والطباعة ثلاثية الأبعاد (3DP)، والتلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، والكتابة المباشرة بالحبر (DIW)، والطباعة المجسمة (SL، DLP). إلا أن دقتي 3DP وDIW أقل، بينما تميل SLS إلى إحداث إجهاد حراري وتشققات. في المقابل، توفر هاتان التقنيتان مزايا أكبر في إنتاج سيراميك معقد عالي النقاء والدقة.

1. نفث المجلد (BJ)

تتضمن تقنية BJ رشّ مسحوق الرابطة طبقةً تلو الأخرى، يليه إزالة الرابطة والتلبيد للحصول على المنتج الخزفي النهائي. بدمج BJ مع تقنية تسلل البخار الكيميائي (CVI)، تم بنجاح تحضير سيراميك SiC عالي النقاء ومتبلور بالكامل. تشمل العملية:

① تشكيل أجسام سيراميكية خضراء من SiC باستخدام BJ.
② التكثيف عبر CVI عند 1000 درجة مئوية و200 تور.
③ كان للسيراميك SiC النهائي كثافة 2.95 جم / سم³، وموصلية حرارية 37 واط / م · ك، وقوة انحناء 297 ميجا باسكال.

مخطط تخطيطي لطباعة نفث اللاصق (BJ). (أ) نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، (ب) مخطط تخطيطي لمبدأ BJ، (ج) طباعة كربيد السيليكون بواسطة BJ، (د) تكثيف كربيد السيليكون عن طريق تسرب البخار الكيميائي (CVI)

2. الطباعة المجسمة (SL)

SL هي تقنية تشكيل سيراميك تعتمد على المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، وتتميز بدقة عالية وقدرة على تصنيع هياكل معقدة. تستخدم هذه الطريقة ملاطًا سيراميكيًا حساسًا للضوء، عالي المحتوى الصلب، ومنخفض اللزوجة، لتشكيل أجسام سيراميكية خضراء ثلاثية الأبعاد من خلال البلمرة الضوئية، يليها إزالة الروابط والتلبيد في درجات حرارة عالية للحصول على المنتج النهائي.

باستخدام ملاط SiC بتركيز 35% حجمًا، تم تحضير أجسام خضراء ثلاثية الأبعاد عالية الجودة تحت أشعة فوق بنفسجية بطول موجة 405 نانومتر، ثم تم تكثيفها عن طريق احتراق البوليمر عند درجة حرارة 800 درجة مئوية ومعالجة PIP. أظهرت النتائج أن العينات المحضرة باستخدام ملاط بتركيز 35% حجمًا حققت كثافة نسبية بلغت 84.8%، متفوقةً بذلك على مجموعتي التحكم اللتين بلغتا 30% و40%.

بفضل إدخال ثاني أكسيد السيليكون المحب للدهون وراتنج الإيبوكسي الفينول (PEA) لتعديل الملاط، تحسّن أداء البلمرة الضوئية بشكل ملحوظ. بعد التلبيد عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية لمدة 4 ساعات، تحقق تحويل شبه كامل إلى كربيد السيليكون، مع نسبة أكسجين نهائية بلغت 0.12% فقط، مما أتاح تصنيع سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء ومعقد البنية في خطوة واحدة دون الحاجة إلى خطوات أكسدة أو ترشيح مسبق.

رسم توضيحي لهيكل الطباعة وعملية التلبيد. مظهر العينة بعد التجفيف عند (أ) ٢٥ درجة مئوية، والتحلل الحراري عند (ب) ١٠٠٠ درجة مئوية، والتلبيد عند (ج) ١٦٠٠ درجة مئوية.

بتصميم معاجين سيراميك Si₃N₄ حساسة للضوء للطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية التصوير الضوئي، وباستخدام عمليات إزالة الروابط والتلبيد المسبق والتعتيق في درجات حرارة عالية، تم تحضير سيراميك Si₃N₄ بكثافة نظرية 93.3%، وقوة شد تتراوح بين 279.8 ميجا باسكال، وقوة انثناء تتراوح بين 308.5 و333.2 ميجا باسكال. أظهرت الدراسات أنه في ظل ظروف محتوى صلب بنسبة 45% حجميًا ومدة تعرض 10 ثوانٍ، يمكن الحصول على أجسام خضراء أحادية الطبقة بدقة معالجة تصل إلى مستوى IT77. ساعدت عملية إزالة الروابط في درجات حرارة منخفضة بمعدل تسخين 0.1 درجة مئوية/دقيقة على إنتاج أجسام خضراء خالية من التشققات.

يُعدّ التلبيد خطوةً أساسيةً تؤثر على الأداء النهائي في الطباعة الحجرية المجسمة. تُظهر الأبحاث أن إضافة مُساعدات التلبيد يُمكن أن تُحسّن بفعالية كثافة السيراميك وخواصه الميكانيكية. باستخدام ثاني أكسيد السيريوم (CeO₂) كعامل مساعد في التلبيد وتقنية التلبيد بمساعدة المجال الكهربائي لتحضير سيراميك Si₃N₄ عالي الكثافة، وُجد أن ثاني أكسيد السيريوم (CeO₂) ينفصل عند حدود الحبيبات، مما يُعزز انزلاقها وتكثيفها. أظهرت السيراميك الناتجة صلابة فيكرز HV10/10 (1347.9 ± 2.4) ومتانة كسر (6.57 ± 0.07) ميجا باسكال·م². مع إضافة MgO–Y₂O₃، تحسّن تجانس البنية الدقيقة للسيراميك، مما حسّن الأداء بشكل ملحوظ. عند مستوى تشويب إجمالي قدره 8٪ وزنيًا، وصلت قوة الانحناء والتوصيل الحراري إلى 915.54 ميجا باسكال و 59.58 واط·م⁻¹·ك⁻¹، على التوالي.

السادس. الخاتمة

باختصار، أظهرت سيراميكات كربيد السيليكون (SiC) عالية النقاء، باعتبارها مادة سيراميكية هندسية متميزة، آفاقًا واسعة للتطبيق في أشباه الموصلات، وصناعة الطيران، ومعدات الظروف القاسية. وقد حللت هذه الورقة البحثية بشكل منهجي خمسة طرق تحضير نموذجية لسيراميكات كربيد السيليكون عالية النقاء - التلبيد بإعادة التبلور، والتلبيد بدون ضغط، والضغط الساخن، والتلبيد بالبلازما الشرارية، والتصنيع الإضافي - مع مناقشات مفصلة لآليات التكثيف، وتحسين المعاملات الرئيسية، وأداء المواد، ومزاياها وعيوبها.

من الواضح أن لكل عملية خصائص فريدة من حيث تحقيق نقاء وكثافة عالية وهياكل معقدة وجدوى صناعية. وقد أظهرت تقنية التصنيع الإضافي، على وجه الخصوص، إمكانات قوية في تصنيع مكونات معقدة الأشكال ومخصصة، مع تحقيق إنجازات في مجالات فرعية مثل الطباعة الضوئية المجسمة ونفث المواد الرابطة، مما يجعلها اتجاهًا تطويريًا مهمًا لتحضير سيراميك SiC عالي النقاء.

إن الأبحاث المستقبلية حول تحضير سيراميك SiC عالي النقاء تحتاج إلى التعمق أكثر، وتعزيز الانتقال من التطبيقات المختبرية إلى التطبيقات الهندسية واسعة النطاق ذات الموثوقية العالية، وبالتالي توفير الدعم المادي الحاسم لتصنيع المعدات المتطورة وتقنيات المعلومات من الجيل التالي.

XKH شركةٌ عالية التقنية متخصصة في أبحاث وإنتاج مواد سيراميكية عالية الأداء. تُكرّس الشركة جهودها لتوفير حلول مُخصصة لعملائها من سيراميك كربيد السيليكون (SiC) عالي النقاء. تمتلك الشركة تقنياتٍ مُتقدمة في تحضير المواد وقدراتٍ دقيقة في المعالجة. يشمل عملها البحث والإنتاج والمعالجة الدقيقة والمعالجة السطحية لسيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء، مُلبيةً بذلك المتطلبات الصارمة لمجالات أشباه الموصلات، والطاقة الجديدة، والفضاء، وغيرها من المجالات لمكونات السيراميك عالية الأداء. باستخدام عمليات التلبيد المُتطورة وتقنيات التصنيع الإضافي، يُمكننا أن نُقدم لعملائنا خدمةً شاملةً، بدءًا من تحسين تركيبة المواد، وتكوين الهياكل المُعقدة، وصولًا إلى المعالجة الدقيقة، مما يضمن امتلاك المنتجات لخصائص ميكانيكية ممتازة، واستقرارًا حراريًا، ومقاومةً للتآكل.