সিলিকন কার্বাইড সিরামিক এবং তাদের বৈচিত্র্যময় ফ্যাব্রিকেশন প্রক্রিয়া

সিলিকন কার্বাইড (SiC) সিরামিকযেমন স্পষ্টতা বিয়ারিং, সীল, গ্যাস টারবাইন রোটর, অপটিক্যাল উপাদান, উচ্চ-তাপমাত্রা অগ্রভাগ, তাপ এক্সচেঞ্জার উপাদান, এবং পারমাণবিক চুল্লি উপকরণ হিসাবে চাহিদা অ্যাপ্লিকেশন ব্যাপকভাবে নিযুক্ত করা হয়. এই ব্যাপক ব্যবহার উচ্চ পরিধান প্রতিরোধের, চমৎকার তাপ পরিবাহিতা, উচ্চতর অক্সিডেশন প্রতিরোধের, এবং অসামান্য উচ্চ-তাপমাত্রার যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য সহ তাদের ব্যতিক্রমী বৈশিষ্ট্য থেকে উদ্ভূত। যাইহোক, SiC এর অন্তর্নিহিত শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন এবং কম প্রসারণ সহগ সিন্টারিং প্রক্রিয়া চলাকালীন উচ্চ ঘনত্ব অর্জনে একটি উল্লেখযোগ্য চ্যালেঞ্জ উপস্থাপন করে। ফলস্বরূপ, সিন্টারিং প্রক্রিয়া উচ্চ-কর্মক্ষমতা অর্জনের একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ হয়ে ওঠেSiC সিরামিক.

এই কাগজটি ঘন উৎপাদনের জন্য নিযুক্ত বিভিন্ন উত্পাদন কৌশলগুলির একটি বিস্তৃত ওভারভিউ প্রদান করেRBSiC/PSSiC/আরএসআইসি সিরামিক, তাদের অনন্য বৈশিষ্ট্য এবং অ্যাপ্লিকেশন হাইলাইট:

1. রিঅ্যাকশন বন্ডেড সিলিকন কার্বাইড (RBSiC)

RBSiCকার্বনের সাথে সিলিকন কার্বাইড পাউডার (সাধারণত 1-10 μm) মিশ্রিত করা, মিশ্রণটিকে একটি সবুজ বডিতে রূপ দেওয়া এবং সিলিকন অনুপ্রবেশের জন্য এটিকে উচ্চ তাপমাত্রায় সাবজেক্ট করা জড়িত। এই প্রক্রিয়া চলাকালীন, সিলিকন কার্বনের সাথে বিক্রিয়া করে SiC তৈরি করে, যা বিদ্যমান SiC কণার সাথে আবদ্ধ হয়, অবশেষে ঘনত্ব অর্জন করে। দুটি প্রাথমিক সিলিকন অনুপ্রবেশ পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়:

তরল সিলিকন অনুপ্রবেশ: সিলিকন তার গলনাঙ্কের (1450-1470°C) উপরে উত্তপ্ত হয়, যার ফলে গলিত সিলিকন কৈশিক ক্রিয়ার মাধ্যমে ছিদ্রযুক্ত সবুজ শরীরে অনুপ্রবেশ করতে পারে। গলিত সিলিকন তখন কার্বনের সাথে বিক্রিয়া করে, SiC তৈরি করে।

বাষ্প সিলিকন অনুপ্রবেশ: সিলিকন সিলিকন বাষ্প উৎপন্ন করতে তার গলনাঙ্কের বাইরে উত্তপ্ত হয়। এই বাষ্প সবুজ শরীরে প্রবেশ করে এবং পরবর্তীকালে কার্বনের সাথে বিক্রিয়া করে SiC তৈরি করে।

প্রক্রিয়া প্রবাহ: SiC পাউডার + C পাউডার + বাইন্ডার → শেপিং → শুকানো → একটি নিয়ন্ত্রিত বায়ুমণ্ডলে বাইন্ডার বার্নআউট → উচ্চ-তাপমাত্রা Si অনুপ্রবেশ → পোস্ট-প্রসেসিং

(1) মূল বিবেচ্য বিষয়:

এর অপারেটিং তাপমাত্রাRBSiCউপাদানে অবশিষ্ট মুক্ত সিলিকন সামগ্রী দ্বারা সীমাবদ্ধ। সাধারণত, সর্বোচ্চ পরিচালন তাপমাত্রা প্রায় 1400 ডিগ্রি সেলসিয়াস। এই তাপমাত্রার উপরে, মুক্ত সিলিকন গলে যাওয়ার কারণে উপাদানটির শক্তি দ্রুত হ্রাস পায়।

তরল সিলিকন অনুপ্রবেশ একটি উচ্চতর অবশিষ্ট সিলিকন সামগ্রী (সাধারণত 10-15%, কখনও কখনও 15% ছাড়িয়ে) ছেড়ে দেয় যা চূড়ান্ত পণ্যের বৈশিষ্ট্যগুলিকে নেতিবাচকভাবে প্রভাবিত করতে পারে। বিপরীতে, বাষ্প সিলিকন অনুপ্রবেশ অবশিষ্ট সিলিকন সামগ্রীর উপর আরও ভাল নিয়ন্ত্রণের জন্য অনুমতি দেয়। সবুজ বডিতে ছিদ্র কমিয়ে, সিন্টারিংয়ের পরে অবশিষ্ট সিলিকন সামগ্রী 10% এর নীচে এবং সাবধানে প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের সাথে, এমনকি 8% এর নীচে হ্রাস করা যেতে পারে। এই হ্রাস উল্লেখযোগ্যভাবে চূড়ান্ত পণ্য সামগ্রিক কর্মক্ষমতা উন্নত.

এটা লক্ষ্য করা গুরুত্বপূর্ণRBSiC, অনুপ্রবেশের পদ্ধতি নির্বিশেষে, অনিবার্যভাবে কিছু অবশিষ্ট সিলিকন থাকবে (8% থেকে 15% পর্যন্ত)। অতএব,RBSiCএটি একটি একক-ফেজ সিলিকন কার্বাইড সিরামিক নয় বরং একটি "সিলিকন + সিলিকন কার্বাইড" যৌগ। ফলস্বরূপ,RBSiCহিসাবেও উল্লেখ করা হয়SiSiC (সিলিকন সিলিকন কার্বাইড কম্পোজিট).

(2) সুবিধা এবং অ্যাপ্লিকেশন:

RBSiCবিভিন্ন সুবিধা প্রদান করে, যার মধ্যে রয়েছে:

নিম্ন সিন্টারিং তাপমাত্রা: এটি শক্তি খরচ এবং উত্পাদন খরচ হ্রাস করে।

খরচ-কার্যকারিতা: প্রক্রিয়াটি তুলনামূলকভাবে সহজ এবং সহজলভ্য কাঁচামাল ব্যবহার করে, যা এর সাধ্যের মধ্যে অবদান রাখে।

উচ্চ ঘনত্ব:RBSiCউচ্চ ঘনত্বের মাত্রা অর্জন করে, যা উন্নত যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যের দিকে পরিচালিত করে।

নিয়ার-নেট শেপিং: কার্বন এবং সিলিকন কার্বাইড প্রিফর্মকে জটিল আকারে প্রি-মেশিন করা যেতে পারে এবং সিন্টারিংয়ের সময় ন্যূনতম সংকোচন (সাধারণত 3% এর কম) চমৎকার মাত্রিক নির্ভুলতা নিশ্চিত করে। এই ব্যয়বহুল পোস্ট-sintering মেশিনিং জন্য প্রয়োজন হ্রাস, তৈরীরRBSiCবড়, জটিল আকৃতির উপাদানগুলির জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত।

এই সুবিধার কারণে,RBSiCবিভিন্ন শিল্প অ্যাপ্লিকেশনে ব্যাপক ব্যবহার উপভোগ করে, প্রাথমিকভাবে উত্পাদনের জন্য:

চুল্লি উপাদান: লাইনিং, crucibles, এবং saggars.

মহাকাশ আয়না:RBSiCএর নিম্ন তাপ সম্প্রসারণ সহগ এবং উচ্চ ইলাস্টিক মডুলাস এটিকে স্থান-ভিত্তিক আয়নার জন্য একটি আদর্শ উপাদান করে তোলে।

উচ্চ-তাপমাত্রা হিট এক্সচেঞ্জার: রেফেল (ইউকে) এর মতো কোম্পানিগুলি ব্যবহারে অগ্রণী ভূমিকা পালন করেছেRBSiCরাসায়নিক প্রক্রিয়াকরণ থেকে বিদ্যুৎ উৎপাদন পর্যন্ত অ্যাপ্লিকেশন সহ উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ এক্সচেঞ্জারগুলিতে। আশাহি গ্লাস (জাপান)ও এই প্রযুক্তি গ্রহণ করেছে, 0.5 থেকে 1 মিটার দৈর্ঘ্যের তাপ বিনিময় টিউব তৈরি করে।

অধিকন্তু, সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে বৃহত্তর ওয়েফারের ক্রমবর্ধমান চাহিদা এবং উচ্চতর প্রক্রিয়াকরণ তাপমাত্রা উচ্চ-বিশুদ্ধতার বিকাশকে উত্সাহিত করেছেRBSiCউপাদান এই উপাদানগুলি, উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার এবং সিলিকন ব্যবহার করে তৈরি, ধীরে ধীরে ইলেক্ট্রন টিউব এবং সেমিকন্ডাক্টর ওয়েফার প্রক্রিয়াকরণ সরঞ্জামগুলির জন্য সমর্থন জিগগুলিতে কোয়ার্টজ কাচের অংশগুলি প্রতিস্থাপন করছে৷

ডিফিউশন ফার্নেসের জন্য সেমিকোরেক্স RBSiC ওয়েফার বোট

(3) সীমাবদ্ধতা:

এর সুবিধা থাকা সত্ত্বেও,RBSiCকিছু সীমাবদ্ধতা আছে:

অবশিষ্ট সিলিকন: পূর্বে উল্লিখিত হিসাবে,RBSiCপ্রক্রিয়াটি অন্তর্নিহিতভাবে চূড়ান্ত পণ্যের মধ্যে অবশিষ্ট মুক্ত সিলিকনে পরিণত হয়। এই অবশিষ্ট সিলিকন নেতিবাচকভাবে উপাদানের বৈশিষ্ট্যগুলিকে প্রভাবিত করে, যার মধ্যে রয়েছে:

অন্যান্য তুলনায় শক্তি এবং পরিধান প্রতিরোধের হ্রাসSiC সিরামিক.

সীমিত জারা প্রতিরোধের: ফ্রি সিলিকন ক্ষারীয় দ্রবণ এবং হাইড্রোফ্লুরিক অ্যাসিডের মতো শক্তিশালী অ্যাসিড দ্বারা আক্রমণের জন্য সংবেদনশীলRBSiCএই ধরনের পরিবেশে এর ব্যবহার।

নিম্ন উচ্চ-তাপমাত্রা শক্তি: বিনামূল্যে সিলিকনের উপস্থিতি সর্বাধিক অপারেটিং তাপমাত্রাকে প্রায় 1350-1400 ডিগ্রি সেলসিয়াসে সীমাবদ্ধ করে।

2. চাপবিহীন সিন্টারিং - PSSiC

সিলিকন কার্বাইডের চাপহীন সিন্টারিং2000-2150 ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় একটি জড় বায়ুমণ্ডলে এবং বাহ্যিক চাপ প্রয়োগ না করে উপযুক্ত সিন্টারিং এইডস যোগ করে বিভিন্ন আকার এবং মাপের নমুনার ঘনত্ব অর্জন করে। SiC-এর চাপহীন সিন্টারিং প্রযুক্তি পরিপক্ক হয়েছে, এবং এর সুবিধাগুলি এর কম উৎপাদন খরচ এবং পণ্যের আকার এবং আকারের উপর কোন সীমাবদ্ধতা নেই। বিশেষ করে, সলিড-ফেজ সিন্টারড SiC সিরামিকের উচ্চ ঘনত্ব, অভিন্ন মাইক্রোস্ট্রাকচার এবং চমৎকার ব্যাপক উপাদান বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যা পরিধান-প্রতিরোধী এবং জারা-প্রতিরোধী সিলিং রিং, স্লাইডিং বিয়ারিং এবং অন্যান্য অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

সিলিকন কার্বাইডের চাপহীন সিন্টারিং প্রক্রিয়াকে কঠিন-পর্যায়ে ভাগ করা যায়sintered সিলিকন কার্বাইড (SSiC)এবং তরল-ফেজ sintered সিলিকন কার্বাইড (LSiC)।

চাপবিহীন কঠিন-ফেজ সিন্টারযুক্ত সিলিকন কার্বাইডের মাইক্রোস্ট্রাকচার এবং শস্যের সীমানা

সলিড-ফেজ সিন্টারিং প্রথম আমেরিকান বিজ্ঞানী প্রোচাজকা 1974 সালে আবিষ্কার করেছিলেন। তিনি সাবমাইক্রন β-SiC-তে অল্প পরিমাণে বোরন এবং কার্বন যোগ করেছিলেন, সিলিকন কার্বাইডের চাপহীন সিন্টারিং উপলব্ধি করেছিলেন এবং 95% এর কাছাকাছি ঘনত্ব সহ একটি ঘন সিন্টারযুক্ত বডি অর্জন করেছিলেন। তাত্ত্বিক মান। পরবর্তীকালে, W. Btcker এবং H. Hansner α-SiC কে কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করেন এবং সিলিকন কার্বাইডের ঘনত্ব অর্জনের জন্য বোরন ও কার্বন যোগ করেন। পরবর্তী অনেক গবেষণায় দেখা গেছে যে বোরন এবং বোরন যৌগ এবং আল এবং আল যৌগ উভয়ই সিন্টারিংকে উন্নীত করতে সিলিকন কার্বাইডের সাথে কঠিন সমাধান তৈরি করতে পারে। সিলিকন কার্বাইডের উপরিভাগে সিলিকন ডাই অক্সাইডের সাথে বিক্রিয়া করে সারফেস এনার্জি বাড়ানোর জন্য কার্বন যোগ করা উপকারী। সলিড-ফেজ সিন্টারযুক্ত সিলিকন কার্বাইডের তুলনামূলকভাবে "পরিষ্কার" শস্যের সীমানা রয়েছে যেখানে মূলত কোন তরল ফেজ উপস্থিত নেই এবং শস্যগুলি উচ্চ তাপমাত্রায় সহজেই বৃদ্ধি পায়। অতএব, ফ্র্যাকচারটি ট্রান্সগ্রানুলার, এবং শক্তি এবং ফ্র্যাকচারের শক্ততা সাধারণত বেশি হয় না। যাইহোক, এর "পরিষ্কার" শস্যের সীমানাগুলির কারণে, উচ্চ-তাপমাত্রার শক্তি ক্রমবর্ধমান তাপমাত্রার সাথে পরিবর্তিত হয় না এবং সাধারণত 1600 ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত স্থিতিশীল থাকে।

সিলিকন কার্বাইডের তরল-ফেজ সিন্টারিং 1990-এর দশকের গোড়ার দিকে আমেরিকান বিজ্ঞানী এম এ মুল্লা আবিষ্কার করেছিলেন। এর প্রধান sintering additive হল Y2O3-Al2O3। সলিড-ফেজ সিন্টারিংয়ের তুলনায় তরল-ফেজ সিন্টারিং-এর কম সিন্টারিং তাপমাত্রার সুবিধা রয়েছে এবং শস্যের আকার ছোট।

সলিড-ফেজ সিন্টারিংয়ের প্রধান অসুবিধাগুলি হল উচ্চ সিন্টারিং তাপমাত্রার প্রয়োজন (>2000°C), কাঁচামালের জন্য উচ্চ বিশুদ্ধতার প্রয়োজনীয়তা, sintered বডির কম ফ্র্যাকচার দৃঢ়তা, এবং ফাটলগুলির জন্য ফ্র্যাকচার শক্তির শক্তিশালী সংবেদনশীলতা। কাঠামোগতভাবে, দানাগুলি মোটা এবং অমসৃণ, এবং ফ্র্যাকচার মোড সাধারণত ট্রান্সগ্রানুলার হয়। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, দেশে এবং বিদেশে সিলিকন কার্বাইড সিরামিক উপকরণগুলির উপর গবেষণা তরল-ফেজ সিন্টারিংয়ের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছে। লিকুইড-ফেজ সিন্টারিং একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ মাল্টি-কম্পোনেন্ট লো-ইউটেটিক অক্সাইড সিন্টারিং সহায়ক হিসাবে ব্যবহার করে অর্জন করা হয়। উদাহরণ স্বরূপ, Y2O3-এর বাইনারি এবং টারনারি এইডগুলি SiC এবং এর কম্পোজিটগুলিকে তরল-ফেজ সিন্টারিং প্রদর্শন করতে পারে, নিম্ন তাপমাত্রায় উপাদানের আদর্শ ঘনত্ব অর্জন করে। একই সময়ে, শস্য সীমানা তরল ফেজ প্রবর্তন এবং অনন্য ইন্টারফেস বন্ধন শক্তি দুর্বল হওয়ার কারণে, সিরামিক উপাদানের ফ্র্যাকচার মোড একটি আন্তঃগ্রানুলার ফ্র্যাকচার মোডে পরিবর্তিত হয় এবং সিরামিক উপাদানের ফ্র্যাকচার শক্ততা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়। .

3. রিক্রিস্টালাইজড সিলিকন কার্বাইড - আরএসআইসি

রিক্রিস্টালাইজড সিলিকন কার্বাইড (RSiC)একটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC উপাদান যা উচ্চ-বিশুদ্ধতা সিলিকন কার্বাইড (SiC) পাউডার দিয়ে তৈরি দুটি ভিন্ন কণা আকার, মোটা এবং সূক্ষ্ম। এটি উচ্চ তাপমাত্রায় (2200-2450°C) বাষ্পীভবন-ঘনকরণ প্রক্রিয়ার মাধ্যমে সিন্টারিং এইডস যোগ না করে সিন্টার করা হয়।

দ্রষ্টব্য: সিন্টারিং এইডস ছাড়া, সিন্টারিং ঘাড়ের বৃদ্ধি সাধারণত পৃষ্ঠের প্রসারণ বা বাষ্পীভবন-ঘনকরণ ভর স্থানান্তরের মাধ্যমে অর্জন করা হয়। শাস্ত্রীয় সিন্টারিং তত্ত্ব অনুসারে, এই ভর স্থানান্তর পদ্ধতিগুলির কোনটিই যোগাযোগকারী কণাগুলির ভর কেন্দ্রের মধ্যে দূরত্ব কমাতে পারে না, এইভাবে একটি ম্যাক্রোস্কোপিক স্কেলে কোন সংকোচন ঘটাতে পারে না, যা একটি নন-ডেনসিফিকেশন প্রক্রিয়া। এই সমস্যাটি সমাধান করতে এবং উচ্চ-ঘনত্বের সিলিকন কার্বাইড সিরামিকগুলি পেতে, লোকেরা অনেক ব্যবস্থা নিয়েছে, যেমন তাপ প্রয়োগ করা, সিন্টারিং এইডস যোগ করা, বা তাপ, চাপ এবং সিন্টারিং এইডগুলির সংমিশ্রণ ব্যবহার করা।

রিক্রিস্টালাইজড সিলিকন কার্বাইডের ফ্র্যাকচার পৃষ্ঠের SEM চিত্র

বৈশিষ্ট্য এবং অ্যাপ্লিকেশন:

আরএসআইসি99% এর বেশি SiC ধারণ করে এবং মূলত কোন দানা বাউন্ডারি অমেধ্য নেই, SiC-এর অনেক চমৎকার বৈশিষ্ট্য যেমন উচ্চ-তাপমাত্রার শক্তি, জারা প্রতিরোধ এবং তাপীয় শক প্রতিরোধের মতো বৈশিষ্ট্যগুলি ধরে রাখে। অতএব, এটি ব্যাপকভাবে উচ্চ-তাপমাত্রার ভাটা আসবাবপত্র, জ্বলন অগ্রভাগ, সৌর তাপ রূপান্তরকারী, ডিজেল যানবাহন নিষ্কাশন গ্যাস পরিশোধন ডিভাইস, ধাতু গলানো, এবং অত্যন্ত চাহিদাপূর্ণ কর্মক্ষমতা প্রয়োজনীয়তা সহ অন্যান্য পরিবেশে ব্যবহৃত হয়।

বাষ্পীভবন-ঘনকরণ সিন্টারিং প্রক্রিয়ার কারণে, ফায়ারিং প্রক্রিয়ার সময় কোনও সঙ্কুচিত হয় না এবং পণ্যটির বিকৃতি বা ক্র্যাকিংয়ের জন্য কোনও অবশিষ্ট চাপ তৈরি হয় না।

আরএসআইসিস্লিপ ঢালাই, জেল ঢালাই, এক্সট্রুশন এবং টিপে বিভিন্ন পদ্ধতি দ্বারা গঠিত হতে পারে। যেহেতু ফায়ারিং প্রক্রিয়ার সময় কোন সঙ্কুচিত হয় না, তাই যতক্ষণ পর্যন্ত সবুজ শরীরের মাত্রা ভালভাবে নিয়ন্ত্রিত হয় ততক্ষণ পর্যন্ত সঠিক আকার এবং মাপের পণ্যগুলি পাওয়া সহজ।

বরখাস্তরিক্রিস্টালাইজড SiC পণ্যপ্রায় 10%-20% অবশিষ্ট ছিদ্র রয়েছে। উপাদানের ছিদ্রতা মূলত সবুজ দেহের ছিদ্রতার উপর নির্ভর করে এবং সিন্টারিং তাপমাত্রার সাথে উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হয় না, যা পোরোসিটি নিয়ন্ত্রণের জন্য একটি ভিত্তি প্রদান করে।

এই সিন্টারিং প্রক্রিয়ার অধীনে, উপাদানটিতে অনেকগুলি আন্তঃসংযুক্ত ছিদ্র রয়েছে, যা ছিদ্রযুক্ত পদার্থের ক্ষেত্রে বিস্তৃত অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, এটি নিষ্কাশন গ্যাস পরিস্রাবণ এবং জীবাশ্ম জ্বালানী বায়ু পরিস্রাবণের ক্ষেত্রে ঐতিহ্যগত ছিদ্রযুক্ত পণ্যগুলিকে প্রতিস্থাপন করতে পারে।

আরএসআইসিগ্লাসযুক্ত পর্যায় এবং অমেধ্য ছাড়াই খুব পরিষ্কার এবং পরিষ্কার শস্যের সীমানা রয়েছে কারণ যে কোনও অক্সাইড বা ধাতব অমেধ্য 2150-2300 ডিগ্রি সেলসিয়াসের উচ্চ তাপমাত্রায় উদ্বায়ী হয়েছে। বাষ্পীভবন-ঘনকরণ সিন্টারিং প্রক্রিয়াটিও SiC বিশুদ্ধ করতে পারে (এতে SiC বিষয়বস্তুআরএসআইসি99%-এর উপরে), SiC-এর অনেক চমৎকার বৈশিষ্ট্য ধরে রাখা, উচ্চ-তাপমাত্রার শক্তি, জারা প্রতিরোধ, এবং তাপীয় শক প্রতিরোধের জন্য প্রয়োজনীয় অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত করে তোলে, যেমন উচ্চ-তাপমাত্রার ভাটির আসবাবপত্র, জ্বলন অগ্রভাগ, সৌর তাপ রূপান্তরকারী এবং ধাতু গলানোর জন্য .**