التطورات في تقنيات تحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء

برزت خزفيات كربيد السيليكون (SiC) عالية النقاوة كمواد مثالية للمكونات الحيوية في صناعات أشباه الموصلات والفضاء والصناعات الكيميائية، وذلك بفضل موصليتها الحرارية الاستثنائية، وثباتها الكيميائي، وقوتها الميكانيكية. ومع تزايد الطلب على الأجهزة الخزفية عالية الأداء ومنخفضة التلوث، أصبح تطوير تقنيات تحضير فعالة وقابلة للتطوير لخزفيات كربيد السيليكون عالية النقاوة محورًا رئيسيًا للبحث العلمي على مستوى العالم. تستعرض هذه الورقة البحثية بشكل منهجي طرق التحضير الرئيسية الحالية لخزفيات كربيد السيليكون عالية النقاوة، بما في ذلك التلبيد بإعادة التبلور، والتلبيد بدون ضغط، والضغط الساخن، والتلبيد بالبلازما الشرارية، والتصنيع بالإضافة، مع التركيز على مناقشة آليات التلبيد، والمعايير الأساسية، وخصائص المواد، والتحديات القائمة لكل عملية.

تطبيقات سيراميك كربيد السيليكون في المجالات العسكرية والهندسية

تُستخدم حاليًا مكونات سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء على نطاق واسع في معدات تصنيع رقائق السيليكون، حيث تدخل في عمليات أساسية مثل الأكسدة، والطباعة الحجرية، والحفر، وزرع الأيونات. ومع تطور تكنولوجيا الرقائق، أصبح زيادة أحجامها اتجاهًا بارزًا. يبلغ حجم الرقاقة السائد حاليًا 300 مم، محققًا توازنًا جيدًا بين التكلفة والقدرة الإنتاجية. ومع ذلك، وبدافع من قانون مور، فإن الإنتاج الضخم لرقائق بحجم 450 مم مطروح بالفعل. تتطلب الرقائق الأكبر حجمًا عادةً قوة هيكلية أعلى لمقاومة الانحناء والتشوه، مما يزيد الطلب على مكونات سيراميك كربيد السيليكون كبيرة الحجم وعالية القوة والنقاء. في السنوات الأخيرة، أظهر التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد)، كتقنية سريعة لإنتاج النماذج الأولية لا تتطلب قوالب، إمكانات هائلة في تصنيع أجزاء سيراميك كربيد السيليكون ذات البنية المعقدة نظرًا لبنائها طبقة تلو الأخرى وقدراتها التصميمية المرنة، مما جذب اهتمامًا واسع النطاق.

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

متطلبات المواد الخام من كربيد السيليكون عالي النقاء

أولاً: التلبيد بإعادة التبلور

كربيد السيليكون المُعاد تبلوره (RSiC) مادة عالية النقاوة من كربيد السيليكون، تُحضّر دون استخدام مواد مساعدة للتلبيد 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، وتتضمن آلية تلبيده بشكل أساسي عملية تبخر وتكثيف: حيث تتبخر الحبيبات الدقيقة وتترسب من جديد على أسطح الحبيبات الأكبر حجمًا، مما يُعزز نمو الروابط والترابط المباشر بين الحبيبات، وبالتالي يُحسّن من قوة المادة.

في عام 1990، حضّر كريغسمان مادة RSiC بكثافة نسبية بلغت 79.1% باستخدام تقنية الصب الانزلاقي عند درجة حرارة 2200 درجة مئوية، حيث أظهر المقطع العرضي بنية مجهرية تتكون من حبيبات خشنة ومسام. لاحقًا، استخدم يي وآخرون تقنية الصب الهلامي لتحضير أجسام خضراء وقاموا بتلبيدها عند درجة حرارة 2450 درجة مئوية، فحصلوا على خزف RSiC بكثافة إجمالية تبلغ 2.53 غ/سم³ وقوة انحناء تبلغ 55.4 ميجا باسكال.

سطح كسر RSiC المُصوَّر بالمجهر الإلكتروني الماسح

بالمقارنة مع كربيد السيليكون الكثيف، يتميز كربيد السيليكون المُعاد تبلوره (RSiC) بكثافة أقل (حوالي 2.5 جم/سم³) ومسامية مفتوحة تبلغ حوالي 20%، مما يحد من أدائه في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية. ولذلك، أصبح تحسين كثافة وخواص RSiC الميكانيكية محورًا رئيسيًا للبحث. اقترح سونغ وزملاؤه ترشيح السيليكون المنصهر في مواد مضغوطة مختلطة من الكربون/β-SiC وإعادة بلورتها عند 2200 درجة مئوية، مما أدى إلى بناء بنية شبكية مكونة من حبيبات α-SiC خشنة. حقق RSiC الناتج كثافة 2.7 جم/سم³ وقوة انحناء 134 ميجا باسكال، محافظًا على استقرار ميكانيكي ممتاز عند درجات الحرارة العالية.

لزيادة الكثافة، استخدم غو وزملاؤه تقنية ترشيح البوليمر والتحلل الحراري (PIP) لمعالجة كربيد السيليكون المُختزل (RSiC) عدة مرات. وباستخدام محاليل PCS/الزيلين ومعاجين SiC/PCS/الزيلين كمواد ترشيح، وبعد 3-6 دورات من تقنية PIP، تحسنت كثافة RSiC بشكل ملحوظ (حتى 2.90 غ/سم³)، بالإضافة إلى مقاومتها للانحناء. علاوة على ذلك، اقترحوا استراتيجية دورية تجمع بين تقنية PIP وإعادة التبلور: التحلل الحراري عند 1400 درجة مئوية متبوعًا بإعادة التبلور عند 2400 درجة مئوية، مما أدى إلى إزالة انسدادات الجسيمات وتقليل المسامية بشكل فعال. وقد حققت مادة RSiC النهائية كثافة 2.99 غ/سم³ ومقاومة انحناء 162.3 ميجا باسكال، مما يدل على أداء شامل متميز.

صور المجهر الإلكتروني الماسح لتطور البنية المجهرية لـ RSiC المصقول بعد دورات تشريب البوليمر وإعادة التبلور بالتحلل الحراري (PIP): RSiC الأولي (A)، بعد دورة إعادة التبلور الأولى (B)، وبعد الدورة الثالثة (C).

ثانياً: التلبيد بدون ضغط

تُحضّر خزفيات كربيد السيليكون (SiC) المُلبّدة بدون ضغط عادةً باستخدام مسحوق SiC فائق النعومة وعالي النقاوة كمادة خام، مع إضافة كميات قليلة من مواد مساعدة على التلبيد، وتُلبّد في جو خامل أو في فراغ عند درجة حرارة تتراوح بين 1800 و2150 درجة مئوية. تُناسب هذه الطريقة إنتاج مكونات خزفية كبيرة الحجم وذات بنية معقدة. مع ذلك، ونظرًا لأن SiC يرتبط بشكل أساسي بروابط تساهمية، فإن معامل انتشاره الذاتي منخفض للغاية، مما يجعل عملية التلبيد صعبة بدون استخدام مواد مساعدة.

استنادًا إلى آلية التلبيد، يمكن تقسيم التلبيد بدون ضغط إلى فئتين: التلبيد بدون ضغط في الطور السائل (PLS-SiC) والتلبيد بدون ضغط في الحالة الصلبة (PSS-SiC).

1.1 PLS-SiC (التلبيد في الطور السائل)

يُلبّد كربيد السيليكون المُلبّد بالطور السائل (PLS-SiC) عادةً عند درجة حرارة أقل من 2000 درجة مئوية، وذلك بإضافة ما يقارب 10% وزناً من مواد مساعدة على التلبيد (مثل أكسيد الألومنيوم Al₂O₃، وأكسيد الكالسيوم CaO، وأكسيد المغنيسيوم MgO، وثاني أكسيد التيتانيوم TiO₂، وأكاسيد العناصر الأرضية النادرة RE₂O₃) لتكوين طور سائل، مما يُعزز إعادة ترتيب الجزيئات وانتقال الكتلة لتحقيق التكثيف. هذه العملية مناسبة لسيراميك كربيد السيليكون الصناعي، ولكن لم تُنشر أي تقارير عن إنتاج كربيد سيليكون عالي النقاء من خلال التلبيد بالطور السائل.

1.2 PSS-SiC (التلبيد في الحالة الصلبة)

تتضمن عملية PSS-SiC تكثيفًا في الحالة الصلبة عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية باستخدام حوالي 1% وزنيًا من الإضافات. تعتمد هذه العملية بشكل أساسي على الانتشار الذري وإعادة ترتيب الحبيبات بفعل درجات الحرارة العالية لتقليل طاقة السطح وتحقيق التكثيف. يُعد نظام البورون-الكربون (BC) مزيجًا شائعًا من الإضافات، حيث يُمكنه خفض طاقة حدود الحبيبات وإزالة ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) من سطح كربيد السيليكون (SiC). مع ذلك، غالبًا ما تُدخل إضافات البورون-الكربون التقليدية شوائب متبقية، مما يُقلل من نقاء كربيد السيليكون.

من خلال التحكم في محتوى الإضافات (0.4% وزناً من B، و1.8% وزناً من C) والتلبيد عند درجة حرارة 2150 درجة مئوية لمدة نصف ساعة، تم الحصول على خزف كربيد السيليكون عالي النقاوة بنسبة 99.6% وزناً وكثافة نسبية 98.4%. أظهرت البنية المجهرية حبيبات عمودية (يتجاوز طول بعضها 450 ميكرومترًا)، مع مسامات صغيرة عند حدود الحبيبات وجزيئات جرافيت داخلها. أظهر الخزف قوة انحناء تبلغ 443 ± 27 ميجا باسكال، ومعامل مرونة يبلغ 420 ± 1 جيجا باسكال، ومعامل تمدد حراري يبلغ 3.84 × 10⁻⁶ كلفن⁻¹ في نطاق درجة حرارة الغرفة إلى 600 درجة مئوية، مما يدل على أداء عام ممتاز.

البنية المجهرية لـ PSS-SiC: (أ) صورة مجهرية إلكترونية ماسحة بعد التلميع والحفر باستخدام هيدروكسيد الصوديوم؛ (ب) صور مجهرية إلكترونية ماسحة بعد التلميع والحفر.

ثالثًا: التلبيد بالضغط الساخن

التلبيد بالضغط الساخن هو تقنية تكثيف تُطبّق الحرارة والضغط أحادي المحور على المواد المسحوقة في ظروف حرارة وضغط مرتفعين. يُثبّط الضغط العالي تكوّن المسام ويحدّ من نمو الحبيبات، بينما تُعزّز الحرارة العالية اندماج الحبيبات وتكوين هياكل كثيفة، مما يُنتج في النهاية خزف كربيد السيليكون عالي الكثافة والنقاء. ونظرًا لطبيعة الضغط الاتجاهية، تميل هذه العملية إلى إحداث تباين في خصائص الحبيبات، مما يؤثر على الخواص الميكانيكية وخواص مقاومة التآكل.

يصعب تكثيف خزف كربيد السيليكون النقي دون إضافات، مما يتطلب تلبيدًا تحت ضغط فائق. وقد نجح نادو وزملاؤه في تحضير كربيد سيليكون كامل الكثافة دون إضافات عند درجة حرارة 2500 درجة مئوية وضغط 5000 ميجا باسكال؛ بينما حصل صن وزملاؤه على مواد صلبة من β-SiC بصلابة فيكرز تصل إلى 41.5 جيجا باسكال عند ضغط 25 جيجا باسكال ودرجة حرارة 1400 درجة مئوية. وباستخدام ضغط 4 جيجا باسكال، تم تحضير خزف 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. كما أدى تلبيد مسحوق كربيد السيليكون ذي الحجم الميكروني عند ضغط 5 جيجا باسكال ودرجة حرارة 1500 درجة مئوية إلى الحصول على خزف بصلابة 31.3 جيجا باسكال وكثافة نسبية 98.4%.

على الرغم من أن هذه النتائج تُظهر أن الضغط العالي للغاية يُمكن أن يُحقق تكثيفًا خاليًا من الإضافات، إلا أن تعقيد المعدات المطلوبة وتكلفتها العالية يُحدّان من التطبيقات الصناعية. لذلك، في التحضير العملي، تُستخدم غالبًا إضافات ضئيلة أو حبيبات مسحوقية لتعزيز قوة التلبيد.

بإضافة 4% وزناً من الراتنج الفينولي كمادة مضافة، والتلبيد عند درجة حرارة 2350 درجة مئوية وضغط 50 ميجا باسكال، تم الحصول على خزف كربيد السيليكون (SiC) بمعدل تكثيف 92% ونقاوة 99.998%. وباستخدام كميات قليلة من المواد المضافة (حمض البوريك والفركتوز) والتلبيد عند درجة حرارة 2050 درجة مئوية وضغط 40 ميجا باسكال، تم تحضير كربيد سيليكون عالي النقاوة بكثافة نسبية تزيد عن 99.5% ومحتوى متبقٍ من البورون لا يتجاوز 556 جزءًا في المليون. وأظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن العينات المُلبدة بالضغط الساخن، مقارنةً بالعينات المُلبدة بدون ضغط، تتميز بحبيبات أصغر، ومسام أقل، وكثافة أعلى. وبلغت قوة الانحناء 453.7 ± 44.9 ميجا باسكال، ووصل معامل المرونة إلى 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/كلفن، مع تعزيز مقاومة التآكل البلازمي أيضًا.

في ظل ظروف درجة حرارة 1850 درجة مئوية وضغط 30 ميجا باسكال، أدى الضغط الساخن والضغط الساخن السريع لمسحوق كربيد السيليكون المحبب والمُعالج حرارياً إلى إنتاج خزف β-SiC عالي الكثافة دون أي إضافات، بكثافة 3.2 جم/سم³ ودرجة حرارة تلبيد أقل بمقدار 150-200 درجة مئوية من العمليات التقليدية. أظهر الخزف صلابة 2729 جيجا باسكال، ومتانة كسر تتراوح بين 5.25 و5.30 ميجا باسكال·م¹/²، ومقاومة زحف ممتازة (معدلات زحف 9.9 × 10⁻¹⁰ ثانية⁻¹ و3.8 × 10⁻⁹ ثانية⁻¹ عند 1400 درجة مئوية/1450 درجة مئوية وضغط 100 ميجا باسكال).

(أ) صورة مجهرية إلكترونية ماسحة للسطح المصقول؛ (ب) صورة مجهرية إلكترونية ماسحة لسطح الكسر؛ (ج، د) صورة مجهرية إلكترونية ماسحة للسطح المصقول

في أبحاث الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك الكهروإجهادي، أصبح معجون السيراميك، باعتباره العامل الأساسي المؤثر على التشكيل والأداء، محور اهتمام رئيسي محليًا ودوليًا. وتشير الدراسات الحالية عمومًا إلى أن معايير مثل حجم جزيئات المسحوق، ولزوجة المعجون، ومحتوى المواد الصلبة تؤثر بشكل كبير على جودة التشكيل والخصائص الكهروإجهادية للمنتج النهائي.

أظهرت الأبحاث أن معاجين السيراميك المُحضّرة باستخدام مساحيق تيتانات الباريوم ذات الأحجام الميكرونية ودون الميكرونية والنانوية تُظهر اختلافاتٍ كبيرة في عمليات الطباعة المجسمة الضوئية (مثل LCD-SLA). فمع انخفاض حجم الجسيمات، تزداد لزوجة المعجون بشكلٍ ملحوظ، حيث تُنتج المساحيق النانوية معاجين ذات لزوجة تصل إلى مليارات الميلي باسكال.ثانية. وتكون المعاجين التي تحتوي على مساحيق ميكرونية عُرضةً للتقشر والانفصال أثناء الطباعة، بينما تُظهر المساحيق دون الميكرونية والنانوية سلوكًا تشكيليًا أكثر استقرارًا. بعد التلبيد بدرجة حرارة عالية، حققت عينات السيراميك الناتجة كثافة 5.44 غ/سم³، ومعامل كهرضغطية (d₃₃) يبلغ حوالي 200 بيكوكولوم/نيوتن، وعوامل فقد منخفضة، مما يُظهر خصائص استجابة كهروميكانيكية ممتازة.

بالإضافة إلى ذلك، في عمليات الطباعة المجسمة الدقيقة، أدى ضبط نسبة المواد الصلبة في معلقات PZT (مثلاً، 75% وزناً) إلى الحصول على أجسام متلبدة بكثافة 7.35 غ/سم³، محققةً ثابت كهرضغطية يصل إلى 600 بيكوكولوم/نيوتن تحت تأثير المجالات الكهربائية المستقطبة. وقد حسّن البحث في تعويض التشوه على المستوى الميكروي دقة التشكيل بشكل ملحوظ، مما عزز الدقة الهندسية بنسبة تصل إلى 80%.

كشفت دراسة أخرى أجريت على خزف PMN-PT الكهروإجهادي أن نسبة المواد الصلبة تؤثر بشكل حاسم على بنية الخزف وخصائصه الكهربائية. عند نسبة 80% وزناً من المواد الصلبة، تظهر نواتج ثانوية بسهولة في الخزف؛ ومع زيادة نسبة المواد الصلبة إلى 82% وزناً وما فوق، تختفي هذه النواتج الثانوية تدريجياً، وتصبح بنية الخزف أكثر نقاءً، مع تحسن ملحوظ في الأداء. عند نسبة 82% وزناً، أظهر الخزف خصائص كهربائية مثالية: ثابت كهروإجهادي قدره 730 بيكوكولوم/نيوتن، سماحية نسبية قدرها 7226، وفقد عازل لا يتجاوز 0.07.

باختصار، لا يؤثر حجم الجسيمات والمحتوى الصلب والخصائص الريولوجية للملاط الخزفي على استقرار ودقة عملية الطباعة فحسب، بل يحدد أيضًا بشكل مباشر كثافة واستجابة الكهروإجهاد للأجسام المتلبدة، مما يجعلها معايير أساسية لتحقيق أداء عالٍ للخزف الكهروإجهادي المطبوع ثلاثي الأبعاد.

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

خصائص سيراميك PMN-PT ذي المحتوى الصلب المختلف

رابعاً: التلبيد بالبلازما الشرارية

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

بالمقارنة مع الكبس الحراري التقليدي، تستخدم تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS) تسخينًا مباشرًا أكثر، مما يُمكّن من التكثيف عند درجات حرارة منخفضة مع كبح نمو الحبيبات بشكل فعال للحصول على بنى مجهرية دقيقة ومتجانسة. على سبيل المثال:

• بدون إضافات، باستخدام مسحوق كربيد السيليكون المطحون كمادة خام، أدى التلبيد عند 2100 درجة مئوية و 70 ميجا باسكال لمدة 30 دقيقة إلى الحصول على عينات بكثافة نسبية 98٪.
• أدى التلبيد عند درجة حرارة 1700 درجة مئوية وضغط 40 ميجا باسكال لمدة 10 دقائق إلى إنتاج كربيد السيليكون المكعب بكثافة 98٪ وأحجام حبيبات تتراوح بين 30 و50 نانومتر فقط.
• أدى استخدام مسحوق SiC الحبيبي بحجم 80 ميكرومتر والتلبيد عند درجة حرارة 1860 درجة مئوية وضغط 50 ميجا باسكال لمدة 5 دقائق إلى الحصول على سيراميك SiC عالي الأداء بكثافة نسبية تبلغ 98.5%، وصلابة فيكرز الدقيقة تبلغ 28.5 جيجا باسكال، وقوة انحناء تبلغ 395 ميجا باسكال، ومتانة كسر تبلغ 4.5 ميجا باسكال متر^1/2.

أظهر التحليل المجهري أنه مع زيادة درجة حرارة التلبيد من 1600 درجة مئوية إلى 1860 درجة مئوية، انخفضت مسامية المادة بشكل كبير، واقتربت من الكثافة الكاملة عند درجات الحرارة العالية.

البنية المجهرية لسيراميك كربيد السيليكون المُلبّد عند درجات حرارة مختلفة: (أ) 1600 درجة مئوية، (ب) 1700 درجة مئوية، (ج) 1790 درجة مئوية، و(د) 1860 درجة مئوية

خامساً: التصنيع الإضافي

أظهرت تقنية التصنيع بالإضافة (AM) مؤخرًا إمكانات هائلة في تصنيع المكونات الخزفية المعقدة بفضل عملية البناء الطبقي. بالنسبة لخزف كربيد السيليكون (SiC)، طُوّرت تقنيات تصنيع إضافية متعددة، تشمل الطباعة النفاثة الرابطة (BJ)، والطباعة ثلاثية الأبعاد (3DP)، والتلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، والكتابة المباشرة بالحبر (DIW)، والطباعة المجسمة الضوئية (SL، DLP). مع ذلك، تتميز الطباعة ثلاثية الأبعاد والكتابة المباشرة بالحبر بدقة أقل، بينما تميل الطباعة المجسمة الضوئية إلى إحداث إجهاد حراري وتشققات. في المقابل، توفر الطباعة النفاثة الرابطة والطباعة المجسمة الضوئية مزايا أكبر في إنتاج خزف معقد عالي النقاء والدقة.

1. تقنية نفث الرابط (BJ)

تعتمد تقنية النفث السطحي (BJ) على رش طبقة تلو الأخرى من المادة الرابطة لربط المسحوق، يليها إزالة المادة الرابطة والتلبيد للحصول على المنتج الخزفي النهائي. وبدمج تقنية النفث السطحي مع تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVI)، تم بنجاح تحضير خزف كربيد السيليكون عالي النقاء وكامل التبلور. تتضمن العملية ما يلي:

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

رسم تخطيطي لطباعة النفث اللاصق (BJ). (أ) نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، (ب) رسم تخطيطي لمبدأ طباعة النفث اللاصق، (ج) طباعة كربيد السيليكون (SiC) باستخدام طباعة النفث اللاصق، (د) تكثيف كربيد السيليكون (SiC) باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVI).

2. الطباعة المجسمة (SL)

تقنية SL هي تقنية لتشكيل السيراميك تعتمد على المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، وتتميز بدقة عالية للغاية وقدرات تصنيع هياكل معقدة. تستخدم هذه الطريقة معاجين سيراميك حساسة للضوء ذات محتوى صلب عالٍ ولزوجة منخفضة لتشكيل أجسام سيراميكية ثلاثية الأبعاد من خلال البلمرة الضوئية، يليها إزالة المادة الرابطة والتلبيد بدرجة حرارة عالية للحصول على المنتج النهائي.

باستخدام معلق كربيد السيليكون بنسبة 35% حجمًا، تم تحضير أجسام خضراء ثلاثية الأبعاد عالية الجودة تحت إشعاع فوق بنفسجي بطول موجي 405 نانومتر، ثم تم تكثيفها لاحقًا عن طريق حرق البوليمر عند درجة حرارة 800 درجة مئوية ومعالجة PIP. أظهرت النتائج أن العينات المحضرة باستخدام معلق بنسبة 35% حجمًا حققت كثافة نسبية بلغت 84.8%، متفوقةً بذلك على مجموعتي التحكم بنسبتي 30% و40%.

بإضافة ثاني أكسيد السيليكون المحب للدهون وراتنج الإيبوكسي الفينولي (PEA) لتعديل المعلق، تحسّن أداء البلمرة الضوئية بشكل ملحوظ. بعد التلبيد عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية لمدة 4 ساعات، تم تحقيق تحويل شبه كامل إلى كربيد السيليكون، مع محتوى أكسجين نهائي لا يتجاوز 0.12%، مما أتاح تصنيع خزف كربيد السيليكون عالي النقاء وذو بنية معقدة في خطوة واحدة دون الحاجة إلى خطوات الأكسدة المسبقة أو التغلغل المسبق.

رسم توضيحي لبنية الطباعة وعملية التلبيد. مظهر العينة بعد التجفيف عند (أ) 25 درجة مئوية، والتحلل الحراري عند (ب) 1000 درجة مئوية، والتلبيد عند (ج) 1600 درجة مئوية.

من خلال تصميم معاجين سيراميكية حساسة للضوء من نيتريد السيليكون (Si₃N₄) للطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الطباعة المجسمة، وباستخدام عمليات إزالة المادة الرابطة والتلبيد المسبق والتقادم الحراري العالي، تم تحضير سيراميك Si₃N₄ بكثافة نظرية تبلغ 93.3%، وقوة شد تبلغ 279.8 ميجا باسكال، وقوة انحناء تتراوح بين 308.5 و333.2 ميجا باسكال. أظهرت الدراسات أنه في ظل ظروف محتوى صلب بنسبة 45% حجمًا وزمن تعريض 10 ثوانٍ، يمكن الحصول على أجسام خضراء أحادية الطبقة بدقة معالجة من مستوى IT77. وقد ساهمت عملية إزالة المادة الرابطة عند درجة حرارة منخفضة بمعدل تسخين 0.1 درجة مئوية/دقيقة في إنتاج أجسام خضراء خالية من الشقوق.

يُعدّ التلبيد خطوةً أساسيةً تؤثر على الأداء النهائي في الطباعة المجسمة. تُشير الأبحاث إلى أن إضافة مواد مساعدة للتلبيد تُحسّن بشكلٍ فعّال كثافة السيراميك وخواصه الميكانيكية. باستخدام أكسيد السيريوم (CeO₂) كمادة مساعدة للتلبيد وتقنية التلبيد بمساعدة المجال الكهربائي لتحضير سيراميك Si₃N₄ عالي الكثافة، وُجد أن أكسيد السيريوم ينفصل عند حدود الحبيبات، مما يُعزز انزلاقها وزيادة كثافتها. أظهر السيراميك الناتج صلابة فيكرز HV10/10 (1347.9 ± 2.4) ومتانة كسر (6.57 ± 0.07) ميجا باسكال·م¹/². مع إضافة أكسيد المغنيسيوم-أكسيد الإيتريوم (MgO–Y₂O₃)، تحسّن تجانس البنية المجهرية للسيراميك، مما عزز الأداء بشكلٍ ملحوظ. عند مستوى تطعيم إجمالي قدره 8% وزناً، وصلت قوة الانحناء والتوصيل الحراري إلى 915.54 ميجا باسكال و 59.58 واط/م⁻¹·ك⁻¹ على التوالي.

سادساً: الخاتمة

باختصار، أظهرت خزفيات كربيد السيليكون (SiC) عالية النقاوة، باعتبارها مادة خزفية هندسية متميزة، آفاقًا واسعة للتطبيق في أشباه الموصلات، والفضاء، ومعدات الظروف القاسية. وقد حللت هذه الورقة البحثية بشكل منهجي خمس طرق تحضير نموذجية لخزفيات كربيد السيليكون عالية النقاوة - وهي: التلبيد بإعادة التبلور، والتلبيد بدون ضغط، والضغط الساخن، والتلبيد بالبلازما الشرارية، والتصنيع الإضافي - مع مناقشات تفصيلية حول آليات التكثيف، وتحسين المعايير الرئيسية، وأداء المادة، ومزاياها وقيودها.

من الواضح أن لكل عملية من العمليات المختلفة خصائص فريدة فيما يتعلق بتحقيق نقاء عالٍ وكثافة عالية وهياكل معقدة وجدوى صناعية. وقد أظهرت تقنية التصنيع بالإضافة، على وجه الخصوص، إمكانات قوية في تصنيع مكونات معقدة الشكل ومخصصة، مع تحقيق طفرات في مجالات فرعية مثل الطباعة المجسمة والطباعة النفاثة الرابطة، مما يجعلها اتجاهًا تطويريًا مهمًا لتحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء.

يحتاج البحث المستقبلي حول تحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء إلى التعمق أكثر، مما يعزز الانتقال من نطاق المختبر إلى التطبيقات الهندسية واسعة النطاق وعالية الموثوقية، وبالتالي توفير دعم مادي حاسم لتصنيع المعدات المتطورة وتقنيات المعلومات من الجيل التالي.

شركة XKH هي شركة تقنية متخصصة في البحث والتطوير وإنتاج مواد السيراميك عالية الأداء. تلتزم الشركة بتوفير حلول مخصصة لعملائها في شكل سيراميك كربيد السيليكون (SiC) عالي النقاء. تمتلك الشركة تقنيات متطورة لتحضير المواد وقدرات معالجة دقيقة. تشمل أعمالها البحث والتطوير والإنتاج والمعالجة الدقيقة ومعالجة الأسطح لسيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء، بما يلبي المتطلبات الصارمة لقطاعات أشباه الموصلات والطاقة الجديدة والفضاء وغيرها من المجالات التي تتطلب مكونات سيراميكية عالية الأداء. بالاستفادة من عمليات التلبيد المتطورة وتقنيات التصنيع الإضافي، نقدم لعملائنا خدمة متكاملة تبدأ من تحسين تركيبة المواد وتشكيل الهياكل المعقدة وصولاً إلى المعالجة الدقيقة، مما يضمن تمتع المنتجات بخصائص ميكانيكية ممتازة وثبات حراري ومقاومة عالية للتآكل.