จากผงสู่เซรามิกแข็ง: วิธีการขึ้นรูปและการเผาผนึก
ผง SiC เพียงอย่างเดียวไม่ใช่เซรามิกที่มีความหนาแน่นสูงและแข็งแรง ในการสร้างวัตถุที่เป็นของแข็ง ผงจะต้องมีรูปร่างแล้วหลอมรวมเข้าด้วยกันในกระบวนการที่เรียกว่าการเผาผนึก ความท้าทายที่สำคัญคือ SiC มีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งทำให้การเผาผนึกทำได้ยากมาก จึงต้องอาศัยเทคนิคพิเศษ สามวิธีหลักคือ:
1. การเผาผนึก (การเผาผนึกโซลิดสเตต)
นี่เป็นวิธีการทั่วไปในการสร้างส่วนประกอบที่มีรูปร่างซับซ้อน
# การผสม: ผง SiC ผสมกับสารช่วยเผาผนึก โดยทั่วไปจะมีโบรอน (B) และคาร์บอน (C) ในปริมาณเล็กน้อย คาร์บอนช่วยขจัดชั้นออกไซด์บนอนุภาค SiC และโบรอนส่งเสริมการแพร่กระจายของอะตอม
# การสร้างรูปร่าง: ส่วนผสมของแป้งมีรูปร่างเป็น "ตัวสีเขียว" (รูปแบบที่ไม่มีการเผา) ซึ่งสามารถทำได้โดย:
* การกดแบบแห้ง: การกดแบบแกนเดียวหรือแบบไอโซสแตติกสำหรับรูปทรงที่เรียบง่าย
* การอัดขึ้นรูป: สำหรับรูปทรงที่ยาวและต่อเนื่องเช่นท่อหรือแท่ง
* การฉีดขึ้นรูป: สำหรับรูปร่างที่ซับซ้อนและซับซ้อนมาก
# การเผาผนึก: ตัวสีเขียวถูกให้ความร้อนในบรรยากาศเฉื่อย (เช่น อาร์กอน) ที่อุณหภูมิประมาณ 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F) ที่อุณหภูมินี้ อนุภาคจะกระจายเข้าหากัน ณ จุดที่สัมผัสกัน และเกาะติดกันจนเกิดเป็นเซรามิกแข็งที่มีความหนาแน่นและมีความพรุนน้อยที่สุด
ผลลัพธ์: ซิลิกอนคาร์ไบด์เผาผนึก (SSiC) มีความบริสุทธิ์สูง ทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม และมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดี
2. พันธะปฏิกิริยา (หรือซิลิคอนไนซ์)
วิธีนี้จะสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่ายโดยมีการหดตัวน้อยที่สุด
# การสร้างรูปร่าง: ส่วนผสมของผง SiC และคาร์บอน (เช่น กราไฟท์) ก่อตัวเป็นตัวเครื่องสีเขียวที่มีรูพรุน
# การแทรกซึม: จากนั้นร่างกายสีเขียวจะถูกนำไปสัมผัสกับโลหะซิลิคอนหลอมเหลว (Si) ในเตาเผาภายใต้สุญญากาศ
# ปฏิกิริยา: ซิลิคอนหลอมเหลวจะถูกดึงเข้าไปในร่างกายที่มีรูพรุนโดยการกระทำของเส้นเลือดฝอย จากนั้นจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนภายในร่างกายเพื่อสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์ใหม่ (Si + C → SiC) ซึ่งจะเชื่อมโยงอนุภาค SiC ดั้งเดิมเข้าด้วยกัน
# ซิลิคอนส่วนเกิน: ช่องว่างใดๆ ที่ไม่เต็มไปด้วยปฏิกิริยาจะเต็มไปด้วยโลหะซิลิกอนที่เหลือ
ผลลัพธ์: ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เกิดปฏิกิริยา (RBSC) หรือซิลิคอนคาร์ไบด์ มีความหนาแน่นมากกว่า SSiC แต่มีซิลิคอนอิสระ 5-15% ซึ่งช่วยลดความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงและทนต่อสารเคมีเมื่อเทียบกับ SSiC
3. การกดร้อน
วิธีนี้ทำให้ได้ความหนาแน่นและความแข็งแรงสูงสุด แต่มีราคาแพงกว่าและจำกัดอยู่เพียงรูปทรงเรียบง่ายเท่านั้น
# กระบวนการ: ผง SiC (ที่มีตัวช่วยในการเผาผนึก) จะถูกใส่ลงในแม่พิมพ์ ซึ่งมักทำจากกราไฟท์
# ความร้อนและความดันพร้อมกัน: แม่พิมพ์ได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิซินเตอร์ (~1900°C - 2000°C) ขณะเดียวกันก็ใช้แรงดันแกนเดียวที่สูงมากพร้อมกัน (หลายสิบ MPa)
# ประโยชน์: การรวมกันของความร้อนและความดันทำให้เกิดความหนาแน่นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและที่อุณหภูมิต่ำกว่าการเผาผนึกแบบไร้ความดัน
ผลลัพธ์: ซิลิคอนคาร์ไบด์รีดร้อน (HPSiC) มีคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า แต่โดยทั่วไปแล้วจะผลิตเป็นรูปทรงเรียบง่าย เช่น แผ่นหรือบล็อก ซึ่งต้องมีการตัดเฉือนด้วยเครื่องมือเพชรในภายหลัง
ขั้นตอนสุดท้าย: การตัดเฉือน
หลังจากการเผาผนึก ส่วนประกอบจะมีรูปร่างใกล้เคียงขั้นสุดท้าย แต่มักต้องใช้เครื่องจักรที่มีความแม่นยำ เนื่องจาก SiC มีความแข็งมาก (9.5 ในระดับ Mohs ใกล้เคียงกับเพชร) จึงสามารถทำได้โดยใช้ล้อเจียรหรือเครื่องมือที่ชุบเพชรเท่านั้น
โดยสรุป การทำเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ผงแข็งพิเศษในขั้นแรก จากนั้นใช้เทคนิคพิเศษที่อุณหภูมิสูงเพื่ออัดให้เป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่แข็งแกร่งและทนทาน
คุณอาจชอบ: เซรามิกเซอร์โคเนีย, ส่วนประกอบเซรามิก
