מאבקה לקרמיקה מוצקה: שיטות העיצוב והסינטר
אבקת SiC לבדה אינה קרמיקה חזקה וצפופה. כדי ליצור חפץ מוצק, יש לעצב את האבקה ולאחר מכן להתמזג יחד בתהליך הנקרא סינטר. האתגר המרכזי הוא של-SiC יש קשרים קוולנטיים חזקים, מה שמקשה מאוד על סינטר. לכן נדרשות טכניקות מיוחדות. שלוש השיטות העיקריות הן:
1. סינטרה (סינטרינג במצב מוצק)
זוהי השיטה הנפוצה ביותר לייצור רכיבים בעלי צורה מורכבת.
# ערבוב: אבקת SiC מעורבת בעזרת עזר סינטר, בדרך כלל כמות קטנה של בורון (B) ופחמן (C). הפחמן עוזר להסיר את שכבת התחמוצת על חלקיקי SiC, והבורון מקדם דיפוזיה אטומית.
# עיצוב: תערובת האבקה מעוצבת ל"גוף ירוק" (צורה לא מרוסנת). ניתן לעשות זאת על ידי:
* כבישה יבשה: לחיצה חד צירית או איזוסטטית לצורות פשוטות.
* שחול: לצורות ארוכות ורציפות כמו צינורות או מוטות.
* הזרקה: לצורות מורכבות ומסובכות מאוד.
# סינרינג: הגוף הירוק מחומם באווירה אינרטית (כמו ארגון) בטמפרטורות סביב 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F). בטמפרטורה זו, החלקיקים מתפזרים זה לתוך זה בנקודות המגע, מתחברים יחד ליצירת קרמיקה צפופה ומוצקה עם נקבוביות מינימלית.
תוצאה: סינטר סיליקון קרביד (SSiC). יש לו טוהר גבוה, עמידות בפני שחיקה מעולה וחוזק מכני טוב.
2. הדבקת תגובה (או סיליקון)
שיטה זו יוצרת חלק כמעט בצורת נטו עם כיווץ מינימלי.
# עיצוב: תערובת של אבקת SiC ופחמן (למשל, גרפיט) נוצרת לגוף ירוק נקבובי.
# הסתננות: הגוף הירוק מונח אז במגע עם מתכת סיליקון מותכת (Si) בכבשן תחת ואקום.
# תגובה: הסיליקון המותך נמשך לתוך הגוף הנקבובי על ידי פעולה נימית. לאחר מכן הוא מגיב עם הפחמן בתוך הגוף ויוצר סיליקון קרביד חדש (Si + C → SiC), אשר מחבר את חלקיקי ה-SiC המקוריים זה לזה.
# עודף סיליקון: כל החללים שלא מולאו על ידי התגובה ממולאים בשאריות מתכת סיליקון.
תוצאה: סיליקון קרביד עם ריאקציה (RBSC) או סיליקון קרביד סיליקון. הוא צפוף יותר מ-SSiC אך מכיל 5-15% סיליקון חופשי, מה שמוריד את החוזק שלו לטמפרטורות גבוהות ואת העמידות הכימית שלו בהשוואה ל-SSiC.
3. כבישה חמה
שיטה זו מייצרת את הצפיפות והחוזק הגבוהים ביותר אך היא יקרה יותר ומוגבלת לצורות פשוטות.
# תהליך: אבקת SiC (עם עזרי סינטר) מוכנסת לתוך תבנית, בדרך כלל עשויה גרפיט.
# חום ולחץ בו זמנית: התבנית מחוממת לטמפרטורות סינטר (~1900°C - 2000°C) תוך הפעלת לחץ חד צירי גבוה מאוד (עשרות MPa).
# יתרון: השילוב של חום ולחץ מניע את הצפיפות בצורה יעילה יותר ובטמפרטורה נמוכה יותר מאשר סינטר ללא לחץ.
תוצאה: סיליקון קרביד בכבישה חמה (HPSiC). יש לו תכונות מכניות מעולות, אך בדרך כלל מיוצר כצורות פשוטות כמו צלחות או בלוקים הדורשים עיבוד שלאחר מכן עם כלי יהלום.
שלב אחרון: עיבוד שבבי
לאחר סינטרה, הרכיב קרוב לצורתו הסופית אך לעיתים קרובות דורש עיבוד מדוייק. מכיוון ש-SiC קשה במיוחד (9.5 בסולם Mohs, קרוב ליהלום), ניתן לעשות זאת רק באמצעות גלגלי השחזה או כלים ספוגים ביהלומים.
לסיכום, ייצור קרמיקה סיליקון קרביד הוא תהליך רב-שלבי הכולל תחילה סינתזה של האבקה הקשה במיוחד ולאחר מכן שימוש בטכניקות מיוחדות בטמפרטורה גבוהה כדי לדחוס אותה לחומר הנדסי חזק ועמיד.
אולי תאהבו: זירקוניה קרמיקה, רכיב קרמי
