התקדמות בטכנולוגיות הכנת קרמיקה מסיליקון קרביד בעלת טוהר גבוה

קרמיקה מסיליקון קרביד (SiC) בעלת טוהר גבוה צצה כחומרים אידיאליים עבור רכיבים קריטיים בתעשיות המוליכים למחצה, התעופה והחלל והכימיה, הודות למוליכות התרמית יוצאת הדופן שלה, יציבותה הכימית וחוזקה המכני. עם הביקוש הגובר להתקנים קרמיים בעלי ביצועים גבוהים וזיהום נמוך, פיתוח טכנולוגיות הכנה יעילות וניתנות להרחבה עבור קרמיקה מסיליקון קרביד בעלת טוהר גבוה הפך למוקד מחקר עולמי. מאמר זה סוקר באופן שיטתי את שיטות ההכנה העיקריות הנוכחיות עבור קרמיקה מסיליקון קרביד בעלת טוהר גבוה, כולל סינטור מחדש, סינטור ללא לחץ (PS), כבישה חמה (HP), סינטור פלזמה ניצוצות (SPS) וייצור תוסף (AM), תוך דגש על דיון במנגנוני הסינטור, פרמטרים מרכזיים, תכונות חומרים ואתגרים קיימים של כל תהליך.

יישום קרמי SiC בתחומי הצבא וההנדסה

כיום, רכיבי קרמיקה SiC בעלי טוהר גבוה נמצאים בשימוש נרחב בציוד לייצור פרוסות סיליקון, ומשתתפים בתהליכים מרכזיים כגון חמצון, ליתוגרפיה, איכול והשתלת יונים. עם התקדמות טכנולוגיית הוופלים, הגדלת גדלי הוופלים הפכו למגמה משמעותית. גודל הוופלים המרכזי הנוכחי הוא 300 מ"מ, ומשיג איזון טוב בין עלות וקיבולת ייצור. עם זאת, בהתבסס על חוק מור, ייצור המוני של ופלים בגודל 450 מ"מ כבר נמצא על סדר היום. ופלים גדולים יותר דורשים בדרך כלל חוזק מבני גבוה יותר כדי לעמוד בפני עיוות ועיוות, מה שמניע עוד יותר את הביקוש הגובר לרכיבי קרמיקה SiC גדולים, בעלי חוזק גבוה וטוהר גבוה. בשנים האחרונות, ייצור תוספי (הדפסה תלת-ממדית), כטכנולוגיית אב טיפוס מהירה שאינה דורשת תבניות, הוכיח פוטנציאל עצום בייצור חלקים קרמיים SiC בעלי מבנה מורכב בשל מבנה שכבה אחר שכבה ויכולות עיצוב גמישות, ומשך תשומת לב נרחבת.

מאמר זה ינתח באופן שיטתי חמש שיטות הכנה מייצגות עבור קרמיקה SiC בעלת טוהר גבוה - סינטור מחדש, סינטור ללא לחץ, כבישה חמה, סינטור פלזמה ניצוצה וייצור תוסף - תוך התמקדות במנגנוני הסינטור שלהן, אסטרטגיות אופטימיזציה של תהליכים, מאפייני ביצועי החומרים וסיכויי היישום התעשייתיים.

דרישות חומר גלם סיליקון קרביד טוהר גבוה

א. סינטור התגבשות מחדש

סיליקון קרביד שעבר התגבשות מחדש (RSiC) הוא חומר SiC בעל טוהר גבוה המוכן ללא עזרי סינטור בטמפרטורות גבוהות של 2100-2500 מעלות צלזיוס. מאז שגילה פרדריקסון לראשונה את תופעת ההתגבשות מחדש בסוף המאה ה-19, RSiC זכה לתשומת לב רבה בשל גבולות הגרעינים הנקיים שלו והיעדר פאזות זכוכית וזיהומים. בטמפרטורות גבוהות, SiC מציג לחץ אדים גבוה יחסית, ומנגנון הסינטור שלו כרוך בעיקר בתהליך אידוי-עיבוי: גרגירים עדינים מתאדים ומשקעים מחדש על פני השטח של גרגירים גדולים יותר, מה שמקדם צמיחת צוואר וקשר ישיר בין גרגירים, ובכך משפר את חוזק החומר.

בשנת 1990, קריגסמן הכין RSiC בצפיפות יחסית של 79.1% באמצעות יציקת סליפ בטמפרטורה של 2200 מעלות צלזיוס, כאשר החתך מראה מיקרו-מבנה המורכב מגרגרים גסים ונקבוביות. לאחר מכן, יי ועמיתיו השתמשו ביציקת ג'ל כדי להכין גופים ירוקים וסינטרו אותם בטמפרטורה של 2450 מעלות צלזיוס, וקיבל קרמיקה של RSiC בצפיפות צוברת של 2.53 גרם/סמ"ק וחוזק כיפוף של 55.4 מגה פסקל.

משטח שבר SEM של RSiC

בהשוואה ל-SiC צפוף, ל-RSiC צפיפות נמוכה יותר (כ-2.5 גרם/סמ"ק) ונקבוביות פתוחה של כ-20%, דבר המגביל את ביצועיו ביישומים בעלי חוזק גבוה. לכן, שיפור הצפיפות והתכונות המכניות של RSiC הפך למוקד מחקר מרכזי. סונג ועמיתיו הציעו להחדיר סיליקון מותך לתערובת של פחמן/β-SiC קומפקטית ולהתגבש מחדש בטמפרטורה של 2200 מעלות צלזיוס, ובכך לבנות בהצלחה מבנה רשת המורכב מגרגירים גסים של α-SiC. ה-RSiC שנוצר השיג צפיפות של 2.7 גרם/סמ"ק וחוזק כיפוף של 134 מגה פסקל, תוך שמירה על יציבות מכנית מצוינת בטמפרטורות גבוהות.

כדי לשפר עוד יותר את הצפיפות, גואו ועמיתיו השתמשו בטכנולוגיית חדירת פולימרים ופירוליזה (PIP) עבור טיפולים מרובים ב-RSiC. באמצעות תמיסות PCS/קסילן ותרחי SiC/PCS/קסילן כחומר חדירה, לאחר 3-6 מחזורי PIP, צפיפות ה-RSiC שופרה משמעותית (עד 2.90 גרם/סמ"ק), יחד עם חוזק הכיפוף שלו. בנוסף, הם הציעו אסטרטגיה מחזורית המשלבת PIP והתגבשות מחדש: פירוליזה ב-1400°C ולאחריה התגבשות מחדש ב-2400°C, תוך ניקוי יעיל של חסימות חלקיקים והפחתת נקבוביות. חומר ה-RSiC הסופי השיג צפיפות של 2.99 גרם/סמ"ק וחוזק כיפוף של 162.3 MPa, והדגים ביצועים מקיפים יוצאי דופן.

תמונות SEM של התפתחות המיקרו-מבנה של RSiC מלוטש לאחר מחזורי הספגה ופירוליזה של פולימר (PIP): RSiC ראשוני (A), לאחר מחזור ה-PIP הראשון (B), ולאחר המחזור השלישי (C)

II. סינטור ללא לחץ

קרמיקה מסיליקון קרביד (SiC) מסונטרת ללא לחץ מוכנה בדרך כלל באמצעות אבקת SiC דקה במיוחד ובעלת טוהר גבוה כחומר גלם, עם כמויות קטנות של עזרי סינטור, ומסונטרת באטמוספרה אינרטית או בוואקום בטמפרטורה של 1800-2150 מעלות צלזיוס. שיטה זו מתאימה לייצור רכיבים קרמיים גדולים ובעלי מבנה מורכב. עם זאת, מכיוון ש-SiC קשור בעיקר קוולנטית, מקדם הדיפוזיה העצמית שלו נמוך ביותר, מה שמקשה על הצפיפות ללא עזרי סינטור.

בהתבסס על מנגנון הסינטור, ניתן לחלק סינטור ללא לחץ לשתי קטגוריות: סינטור בשלב נוזלי ללא לחץ (PLS-SiC) וסינטור במצב מוצק ללא לחץ (PSS-SiC).

1.1 PLS-SiC (סינטור בשלב נוזלי)

PLS-SiC מסונטר בדרך כלל מתחת ל-2000 מעלות צלזיוס על ידי הוספת כ-10% משקלי של עזרי סינטור אוטקטיים (כגון Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ ותחמוצות אדמה נדירות RE₂O₃) ליצירת פאזה נוזלית, המקדמת סידור מחדש של החלקיקים והעברת מסה להשגת צפיפות. תהליך זה מתאים לקרמיקה SiC ברמה תעשייתית, אך לא דווח על SiC בעל טוהר גבוה שהושג באמצעות סינטור בפאזה נוזלית.

1.2 PSS-SiC (סינטור במצב מוצק)

PSS-SiC כרוך בצפיפות במצב מוצק בטמפרטורות מעל 2000 מעלות צלזיוס עם כ-1% משקלי של תוספים. תהליך זה מסתמך בעיקר על דיפוזיה אטומית וסידור מחדש של גרגירים המונעים על ידי טמפרטורות גבוהות כדי להפחית את אנרגיית השטח ולהשיג צפיפות. מערכת BC (בורון-פחמן) היא שילוב תוספים נפוץ, שיכול להוריד את אנרגיית גבול הגרעינים ולהסיר SiO₂ מפני השטח של SiC. עם זאת, תוספי BC מסורתיים לעיתים קרובות מכניסים זיהומים שיוריים, מה שמפחית את טוהר ה-SiC.

על ידי שליטה בתכולת התוספים (B 0.4% משקלי, C 1.8% משקלי) וסינטור ב-2150°C למשך 0.5 שעות, הושגו קרמיקה SiC בעלת טוהר גבוה, טוהר של 99.6% משקלי וצפיפות יחסית של 98.4%. המיקרו-מבנה הראה גרגירים עמודיים (חלקם באורך של יותר מ-450 מיקרומטר), עם נקבוביות קטנות בגבולות הגרגירים וחלקיקי גרפיט בתוך הגרגירים. הקרמיקה הציגה חוזק כיפוף של 443 ± 27 MPa, מודול אלסטיות של 420 ± 1 GPa ומקדם התפשטות תרמית של 3.84 × 10⁻⁶ K⁻¹ בטווח של טמפרטורת החדר עד 600°C, מה שהדגים ביצועים מצוינים בסך הכל.

מיקרו-מבנה של PSS-SiC: (א) תמונת SEM לאחר ליטוש וחיטוי NaOH; (BD) תמונות BSD לאחר ליטוש וחיטוי

ג. סינטור בכבישה חמה

סינטור בכבישה חמה (HP) היא טכניקת צפיפות המפעילה בו זמנית חום ולחץ חד-צירי על חומרי אבקה בתנאי טמפרטורה ולחץ גבוהים. לחץ גבוה מעכב באופן משמעותי את היווצרות הנקבוביות ומגביל את צמיחת הגרעינים, בעוד שטמפרטורה גבוהה מקדמת איחוי גרעינים ויצירת מבנים צפופים, ובסופו של דבר מייצרת קרמיקה SiC בצפיפות גבוהה ובטוהר גבוה. בשל האופי הכיווני של הכבישה, תהליך זה נוטה לגרום לאניזוטרופיה של הגרעינים, המשפיעה על תכונות מכניות ובלאי.

קשה לצפיפות קרמיקה SiC טהורה ללא תוספים, ודורשת סינטור בלחץ גבוה במיוחד. נדאו ועמיתיו הכינו בהצלחה SiC צפוף לחלוטין ללא תוספים בטמפרטורה של 2500°C ו-5000 MPa; סאן ועמיתיו השיגו חומרי בתפזורת β-SiC עם קשיות ויקרס של עד 41.5 GPa בטמפרטורה של 25 GPa ו-1400°C. באמצעות לחץ של 4 GPa, הוכנו קרמיקה SiC עם צפיפויות יחסית של כ-98% ו-99%, קשיות של 35 GPa ומודול אלסטיות של 450 GPa בטמפרטורה של 1500°C ו-1900°C, בהתאמה. סינטור אבקת SiC בגודל מיקרון בטמפרטורה של 5 GPa ו-1500°C הניב קרמיקה עם קשיות של 31.3 GPa וצפיפות יחסית של 98.4%.

למרות שתוצאות אלו מראות כי לחץ אולטרה-גבוה יכול להשיג צפיפות ללא תוספים, המורכבות והעלות הגבוהה של הציוד הנדרש מגבילות את היישומים התעשייתיים. לכן, בהכנה מעשית, משתמשים לעתים קרובות בתוספים זעירים או בגרנולציה של אבקה כדי לשפר את כוח המניע של הסינטור.

על ידי הוספת 4% משקלי של שרף פנולי כתוסף וסינטור ב-2350°C ו-50 MPa, התקבלו קרמיקות SiC עם קצב צפיפות של 92% וטוהר של 99.998%. באמצעות כמויות נמוכות של תוספים (חומצה בורית ו-D-פרוקטוז) וסינטור ב-2050°C ו-40 MPa, הוכן SiC בעל טוהר גבוה עם צפיפות יחסית >99.5% ותכולת B שיורית של 556 ppm בלבד. תמונות SEM הראו כי בהשוואה לדגימות שעברו סינטור ללא לחץ, לדגימות שעברו כבישה חמה היו גרגירים קטנים יותר, פחות נקבוביות וצפיפות גבוהה יותר. חוזק הכיפוף היה 453.7 ± 44.9 MPa, ומודולוס האלסטיות הגיע ל-444.3 ± 1.1 GPa.

על ידי הארכת זמן ההחזקה ב-1900 מעלות צלזיוס, גודל הגרגירים גדל מ-1.5 מיקרון ל-1.8 מיקרון, ומוליכות תרמית השתפרה מ-155 ל-167 וואט·מ⁻¹·K⁻¹, תוך שיפור עמידות בפני קורוזיה בפלזמה.

בתנאים של 1850°C ו-30 MPa, כבישה חמה וכבישה חמה מהירה של אבקת SiC מגורען ומחושל הניבו קרמיקה β-SiC צפופה לחלוטין ללא כל תוספים, עם צפיפות של 3.2 גרם/סמ"ק וטמפרטורת סינטור נמוכה ב-150-200°C בהשוואה לתהליכים מסורתיים. הקרמיקה הציגה קשיות של 2729 GPa, קשיחות שבר של 5.25-5.30 MPa·m^1/2, ועמידות מצוינת לזחילה (קצבי זחילה של 9.9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ ו-3.8 × 10⁻⁹ s⁻¹ ב-1400°C/1450°C ו-100 MPa).

(א) תמונת SEM של המשטח המלוטש; (ב) תמונת SEM של משטח השבר; (ג, ד) תמונת BSD של המשטח המלוטש

במחקר הדפסה תלת-ממדית של קרמיקה פיזואלקטרית, תרחיף קרמי, כגורם מרכזי המשפיע על עיצוב וביצועים, הפך למוקד מרכזי בארץ ובחו"ל. מחקרים עדכניים מצביעים בדרך כלל על כך שפרמטרים כגון גודל חלקיקי האבקה, צמיגות התרחיף ותכולת המוצקים משפיעים באופן משמעותי על איכות העיצוב ועל התכונות הפיזואלקטריות של המוצר הסופי.

מחקרים מצאו כי תרחיפים קרמיים שהוכנו באמצעות אבקות בריום טיטנאט בגודל מיקרון, תת-מיקרוני וננומטרי מפגינים הבדלים משמעותיים בתהליכי סטריאוליתוגרפיה (למשל, LCD-SLA). ככל שגודל החלקיקים יורד, צמיגות התרחיף עולה באופן ניכר, כאשר אבקות בגודל ננומטרי מייצרות תרחיפים עם צמיגות המגיעה למיליארדי מיליאמפר/שנייה. תרחיפים עם אבקות בגודל מיקרון נוטים להתקלף ולהתקלף במהלך ההדפסה, בעוד שאבקות בגודל תת-מיקרוני וננומטרי מפגינות התנהגות עיצוב יציבה יותר. לאחר סינטור בטמפרטורה גבוהה, דגימות הקרמיקה שהתקבלו השיגו צפיפות של 5.44 גרם/סמ"ק, מקדם פיזואלקטרי (d₃₃) של כ-200 pC/N, וגורמי הפסד נמוכים, תוך הצגתם תכונות תגובה אלקטרומכניות מצוינות.

בנוסף, בתהליכי מיקרו-סטריאוליתוגרפיה, התאמת תכולת המוצק של תרחיפים מסוג PZT (למשל, 75% משקלי) הניבה גופים מסונטרים בצפיפות של 7.35 גרם/סמ"ק, תוך השגת קבוע פיזואלקטרי של עד 600 pC/N תחת שדות חשמליים של קיטוב. מחקר על פיצוי דפורמציה בקנה מידה מיקרוסקופי שיפר משמעותית את דיוק העיצוב, וגיבש דיוק גיאומטרי בעד 80%.

מחקר נוסף על קרמיקה פיזואלקטרית מסוג PMN-PT גילה שתכולת מוצקים משפיעה באופן קריטי על מבנה הקרמיקה ועל התכונות החשמליות שלה. בריכוז מוצקים של 80% משקלי, תוצרי לוואי הופיעו בקלות בקרמיקה; ככל שתכולת המוצקים עלתה ל-82% משקלי ומעלה, תוצרי הלוואי נעלמו בהדרגה, והמבנה הקרמי הפך טהור יותר, עם ביצועים משופרים משמעותית. בריכוז מוצקים של 82% משקלי, הקרמיקה הציגה תכונות חשמליות אופטימליות: קבוע פיזואלקטרי של 730 pC/N, מקדם דיאלקטרי יחסי של 7226, ואובדן דיאלקטרי של 0.07 בלבד.

לסיכום, גודל החלקיקים, תכולת המוצקים והתכונות הריאולוגיות של תרחיפים קרמיים לא רק משפיעים על היציבות והדיוק של תהליך ההדפסה, אלא גם קובעים ישירות את הצפיפות והתגובה הפיזואלקטרית של הגופים המסונטרים, מה שהופך אותם לפרמטרים מרכזיים להשגת קרמיקה פיזואלקטרית מודפסת בתלת-ממד בעלת ביצועים גבוהים.

התהליך העיקרי של הדפסת תלת מימד LCD-SLA של דגימות BT/UV

תכונות של קרמיקה PMN-PT עם תכולה מוצקה שונה

IV. סינטור פלזמה ניצוצות

סינטור פלזמה ניצוצות (SPS) היא טכנולוגיית סינטור מתקדמת המשתמשת בזרם פועם ובלחץ מכני המופעלים בו זמנית על אבקות כדי להשיג צפיפות מהירה. בתהליך זה, הזרם מחמם ישירות את התבנית והאבקה, ומייצר חום ופלזמה של ג'אול, מה שמאפשר סינטור יעיל בזמן קצר (בדרך כלל תוך 10 דקות). חימום מהיר מקדם דיפוזיה של פני השטח, בעוד שפריקת ניצוצות מסייעת בהסרת גזים ושכבות תחמוצת שנספחו ממשטחי האבקה, ומשפרת את ביצועי הסינטור. אפקט האלקטרומיגרציה המושרה על ידי שדות אלקטרומגנטיים משפר גם את הדיפוזיה האטומית.

בהשוואה לכבישה חמה מסורתית, SPS משתמש בחימום ישיר יותר, מה שמאפשר צפיפות בטמפרטורות נמוכות יותר תוך עיכוב יעיל של צמיחת גרגירים כדי להשיג מיקרו-מבנים עדינים ואחידים. לדוגמה:

• ללא תוספים, שימוש באבקת SiC טחונה כחומר גלם, סינטור בטמפרטורה של 2100 מעלות צלזיוס ו-70 מגה פסקל למשך 30 דקות הניב דגימות עם צפיפות יחסית של 98%.
• סינטור בטמפרטורה של 1700 מעלות צלזיוס ו-40 מגה פסקל במשך 10 דקות יצר SiC מעוקב בצפיפות של 98% וגדלי גרגירים של 30-50 ננומטר בלבד.
• שימוש באבקת SiC גרגירית של 80 מיקרומטר וסינטור בטמפרטורה של 1860 מעלות צלזיוס ו-50 מגה פסקל למשך 5 דקות הביא לקרמיקה של SiC בעלת ביצועים גבוהים עם צפיפות יחסית של 98.5%, מיקרו-קשיות ויקרס של 28.5 ג'יגה-פסקל, חוזק כיפוף של 395 מגה פסקל וקשיחות שבר של 4.5 מגה פסקל·מ"ר^1/2.

ניתוח מיקרו-מבני הראה כי ככל שטמפרטורת הסינטור עלתה מ-1600 מעלות צלזיוס ל-1860 מעלות צלזיוס, נקבוביות החומר ירדה משמעותית, והתקרבה לצפיפות מלאה בטמפרטורות גבוהות.

המיקרו-מבנה של קרמיקה SiC שסונטרה בטמפרטורות שונות: (א) 1600°C, (ב) 1700°C, (ג) 1790°C ו-(ד) 1860°C

V. ייצור תוספי

ייצור תוספי (AM) הוכיח לאחרונה פוטנציאל עצום בייצור רכיבים קרמיים מורכבים הודות לתהליך הבנייה שכבה אחר שכבה שלו. עבור קרמיקה מ-SiC, פותחו טכנולוגיות AM מרובות, כולל ייצור בינדר (Binder Jetting), ‏3DP,‏ סינטור לייזר סלקטיבי (SLS),‏ כתיבה ישירה בדיו (DIW) וסטריאוליתוגרפיה (SL, DLP). עם זאת, ל-3DP ו-DIW יש דיוק נמוך יותר, בעוד ש-SLS נוטה לגרום לעומס תרמי וסדקים. לעומת זאת, BJ ו-SL מציעים יתרונות גדולים יותר בייצור קרמיקה מורכבת בעלת טוהר גבוה ודיוק גבוה.

1. זרבובית קלסר (BJ)

טכנולוגיית BJ כוללת ריסוס שכבה אחר שכבה של חומר מקשר לאבקה, ולאחר מכן הסרת חומר מקשר וסינטור לקבלת המוצר הקרמי הסופי. בשילוב של BJ עם חדירת אדים כימית (CVI), הוכנו בהצלחה קרמיקות SiC גבישיות לחלוטין בעלות טוהר גבוה. התהליך כולל:

① יצירת גופים ירוקים קרמיים מ-SiC באמצעות BJ.
② צפיפות באמצעות CVI ב-1000°C ו-200 טור.
③ לקרמיקה הסופית מ-SiC הייתה צפיפות של 2.95 גרם/סמ"ק, מוליכות תרמית של 37 וואט/מ"ק וחוזק כיפוף של 297 מגה פסקל.

תרשים סכמטי של הדפסת סילון דבק (BJ). (א) מודל תכנון בעזרת מחשב (CAD), (ב) תרשים סכמטי של עקרון ה-BJ, (ג) הדפסה של SiC על ידי BJ, (ד) צפיפות SiC על ידי חדירת אדים כימית (CVI)

2. סטריאוליוגרפיה (SL)

SL היא טכנולוגיית עיצוב קרמי מבוססת ריפוי UV בעלת דיוק גבוה ביותר ויכולות ייצור מבנים מורכבות. שיטה זו משתמשת בתרחיפים קרמיים רגישים לאור עם תכולת מוצקים גבוהה וצמיגות נמוכה כדי ליצור גופים ירוקים קרמיים תלת-ממדיים באמצעות פוטופולימריזציה, ולאחר מכן הסרת קשרים וסינטור בטמפרטורה גבוהה כדי לקבל את המוצר הסופי.

באמצעות תרחיף SiC בריכוז 35% נפח, הוכנו גופים ירוקים תלת-ממדיים באיכות גבוהה תחת קרינת UV של 405 ננומטר ודחוסו עוד יותר באמצעות שחיקה של פולימר ב-800 מעלות צלזיוס וטיפול PIP. התוצאות הראו כי דגימות שהוכנו עם תרחיף בריכוז 35% נפח השיגו צפיפות יחסית של 84.8%, ובכך עלו על קבוצות הביקורת של 30% ו-40%.

על ידי הכנסת SiO₂ ליפופילית ושרף אפוקסי פנולי (PEA) לשינוי התרחיף, ביצועי הפוטופולימריזציה שופרו ביעילות. לאחר סינטור ב-1600 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות, הושגה המרה כמעט מלאה ל-SiC, עם תכולת חמצן סופית של 0.12% בלבד, מה שאפשר ייצור בשלב אחד של קרמיקה SiC בעלת מבנה מורכב וטוהר גבוה, ללא שלבי חמצון מקדים או הסננה מקדים.

איור של מבנה ההדפסה ותהליך הסינטור שלו. מראה הדגימה לאחר ייבוש ב-(א) 25°C, פירוליזה ב-(ב) 1000°C וסינטור ב-(ג) 1600°C.

על ידי תכנון תרחיפים קרמיים Si₃N₄ רגישים לאור עבור הדפסה תלת-ממדית סטריאוליוגרפית ושימוש בתהליכי הסרת קשרים-קדם-סינטור ותהליכי הזדקנות בטמפרטורה גבוהה, הוכנו קרמיקות Si₃N₄ בעלות צפיפות תיאורטית של 93.3%, חוזק מתיחה של 279.8 מגה פסקל וחוזק כיפוף של 308.5-333.2 מגה פסקל. מחקרים מצאו כי בתנאים של תכולת מוצקים של 45% נפח וזמן חשיפה של 10 שניות, ניתן היה להשיג גופים ירוקים חד-שכבתיים בדיוק ריפוי ברמת IT77. תהליך הסרת קשרים בטמפרטורה נמוכה עם קצב חימום של 0.1 מעלות צלזיוס/דקה סייע בייצור גופים ירוקים ללא סדקים.

סינטור הוא שלב מפתח המשפיע על הביצועים הסופיים בסטריאוליתוגרפיה. מחקרים מראים כי הוספת עזרי סינטור יכולה לשפר ביעילות את צפיפות הקרמיקה ואת התכונות המכניות. באמצעות CeO₂ כעוזרי סינטור וטכנולוגיית סינטור בסיוע שדה חשמלי להכנת קרמיקה Si₃N₄ בצפיפות גבוהה, נמצא כי CeO₂ מתבודד בגבולות הגרעינים, מה שמקדם הזזה וצפיפות בגבולות הגרעינים. הקרמיקה שנוצרה הציגה קשיות ויקרס של HV10/10 (1347.9 ± 2.4) וקשיחות שבר של (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/². עם MgO–Y₂O₃ כתוספים, שופרה ההומוגניות של המיקרו-מבנה הקרמי, מה ששפר משמעותית את הביצועים. ברמת סימום כוללת של 8% משקלי, חוזק הכיפוף והמוליכות התרמית הגיעו ל-915.54 MPa ו-59.58 W·m⁻¹·K⁻¹, בהתאמה.

ו. סיכום

לסיכום, קרמיקה מסיליקון קרביד (SiC) בעלת טוהר גבוה, כחומר קרמי הנדסי יוצא דופן, הפגינה פוטנציאל יישום רחב במוליכים למחצה, תעופה וחלל וציוד בתנאים קיצוניים. מאמר זה ניתח באופן שיטתי חמש דרכי הכנה אופייניות לקרמיקה מסיליקון קרביד בעלת טוהר גבוה - סינטור התגבשות מחדש, סינטור ללא לחץ, כבישה חמה, סינטור פלזמה ניצוצה וייצור תוסף - עם דיונים מפורטים על מנגנוני הצפיפות שלהם, אופטימיזציה של פרמטרים מרכזיים, ביצועי החומר, ויתרונות ומגבלות בהתאמה.

ניכר כי לכל תהליכים שונים מאפיינים ייחודיים מבחינת השגת טוהר גבוה, צפיפות גבוהה, מבנים מורכבים והיתכנות תעשייתית. טכנולוגיית ייצור תוסף, בפרט, הראתה פוטנציאל חזק בייצור רכיבים מורכבים ומותאמים אישית, עם פריצות דרך בתחומים כמו סטריאוליוגרפיה וזיקוק קלסרים, מה שהופך אותה לכיוון פיתוח חשוב להכנת קרמיקה SiC בטוהר גבוה.

מחקר עתידי על הכנת קרמיקה SiC בעלת טוהר גבוה צריך להעמיק, לקדם את המעבר מיישומים הנדסיים בקנה מידה מעבדתי ליישומים הנדסיים בקנה מידה גדול ואמינים ביותר, ובכך לספק תמיכה חומרית קריטית לייצור ציוד מתקדם ולטכנולוגיות מידע מהדור הבא.

XKH הוא מפעל היי-טק המתמחה במחקר וייצור של חומרים קרמיים בעלי ביצועים גבוהים. הוא מחויב לספק פתרונות מותאמים אישית ללקוחות בצורה של קרמיקה מסיליקון קרביד (SiC) בטהרתו הגבוהה. לחברה טכנולוגיות הכנת חומרים מתקדמות ויכולות עיבוד מדויקות. עסקיה כוללים מחקר, ייצור, עיבוד מדויק וטיפול פני שטח של קרמיקה מסיליקון קרביד בטהרתו הגבוהה, ועומדים בדרישות המחמירות של מוליכים למחצה, אנרגיה חדשה, תעופה וחלל ותחומים אחרים עבור רכיבים קרמיים בעלי ביצועים גבוהים. תוך מינוף תהליכי סינטור בוגרים וטכנולוגיות ייצור תוספי, אנו יכולים להציע ללקוחות שירות מקיף, החל מאופטימיזציה של נוסחאות חומרים, יצירת מבנים מורכבים ועד לעיבוד מדויק, תוך הבטחה שלמוצרים תכונות מכניות מצוינות, יציבות תרמית ועמידות בפני קורוזיה.