مقدمة لسيراميك الألومينا
أصبحت سيراميك الألومينا ، بخصائصها الاستثنائية مثل الصلابة العالية، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة، ومقاومة التآكل، والعزل الكهربائي العالي، وفقدان العزل الكهربائي المنخفض، أكثر المواد الخزفية المتقدمة إنتاجًا وتطبيقًا. يتم استخدامها على نطاق واسع في مختلف الصناعات بما في ذلك المعادن والمواد الكيميائية والإلكترونيات والطب الحيوي.
غالبًا ما يتم تصنيف هذه السيراميك بناءً على محتوى Al2O3 الموجود في تركيبها. على سبيل المثال، "75 بورسلين" يحتوي على حوالي 75% Al2O3. نظرًا لانخفاض درجة حرارة التلبيد، فإن تكلفة إنتاج 75 بورسلين منخفضة نسبيًا مقارنة بسيراميك الألومينا الآخر. ومع ذلك، أدى متوسط أدائه إلى حالة الإلغاء التدريجي في معظم التطبيقات.
غالبًا ما يشتمل "الخزف 85"، الذي يحتوي على نسبة Al2O3 بحوالي 85%، على مواد مضافة مثل مسحوق التلك لتعزيز القوة الميكانيكية والخواص الكهربائية للسيراميك. ويستخدم هذا النوع عادة في صناعة أجهزة التفريغ الكهربائية.
"الخزف 95" الذي يحتوي على حوالي 95% Al2O3، يستخدم بشكل أساسي في المكونات المقاومة للتآكل والتآكل.
"البورسلين 99" الذي يحتوي على نسبة 99% من Al2O3، يوفر مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل. يجد تطبيقات في الأجهزة المقاومة للحرارة والتآكل الخاصة مثل المحامل الخزفية وأنابيب الفرن والبوتقات.
يُعرف السيراميك الذي يحتوي على نسبة Al2O3 بنسبة تتجاوز 99.9% باسم "سيراميك الألومينا عالي النقاء". هذه السيراميك، مع درجة حرارة تلبيد تتجاوز 1650 درجة مئوية، تمتلك خصائص النفاذية، مما يجعلها مناسبة للأجهزة مثل أنابيب مصابيح الصوديوم. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامها في المكونات الإلكترونية مثل ركائز الدوائر المتكاملة والمواد العازلة عالية التردد.
تقنيات التلبيد لسيراميك الألومينا
2.1 تلبيد بدون ضغط
التلبيد بدون ضغط يتضمن عملية تلبيد الجسم الأخضر تحت الظروف الجوية دون أي ضغط خارجي. تبدأ المادة في التلبيد بدون ضغط خارجي، عادةً عند درجات حرارة تتراوح من 0.5 إلى 0.8 من نقطة انصهار المادة. يسمح تلبيد الطور الصلب عند درجات الحرارة هذه بالانتشار الذري الكافي. وتُستخدم هذه الطريقة، المعروفة ببساطتها وفعاليتها من حيث التكلفة، على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي. يمكنها تلبيد المواد بمختلف الأشكال والأحجام، مما يجعلها خيارًا شائعًا لسيراميك النانو. لقد تطورت تقنيات التلبيد المتقدمة مثل التلبيد السريع والتلبيد على مرحلتين من هذه الطريقة.
2.1.1 التلبيد التقليدي
يتضمن التلبيد التقليدي تسخين المادة إلى أقصى درجة حرارة للتلبيد بمعدل خطوة واحدة تقليدي، والاحتفاظ بها لفترة، ثم تبريدها إلى درجة حرارة الغرفة. تعتبر هذه الطريقة فعالة فقط للمواد القابلة للتلبيد بسهولة والتي تتمتع بخصائص مسحوق ممتازة وكثافة خضراء عالية وبنية موحدة. لقد درست الدراسات تأثير ضغط القالب وحجم حبيبات المسحوق على تلبيد السيراميك. باستخدام تلبيد الضغط التقليدي، لي وآخرون. تم الحصول على ألومينا سيراميك نانو بحجم حبيبي 90 نانومتر وكثافة حوالي 90٪ عن طريق التسخين بمعدل 10 درجة مئوية / دقيقة إلى 1450 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. وجدت الدراسة وجود علاقة إيجابية بين الكثافة الخضراء وكثافة السيراميك وضغط القولبة، مما يسلط الضوء على أهمية تحقيق جسم أخضر موحد وعالي الكثافة للتلبيد التقليدي بدون ضغط لسيراميك النانو.
2.1.2 التلبيد في خطوتين
هناك نوعان من الأشكال الأساسية لهذه الطريقة، كما هو موضح في الشكلين 1 أ و1 ب، اللذين اقترحهما تشو وآخرون. وتشن وآخرون، على التوالي. يتضمن الأول تلبيدًا مبدئيًا بدرجة حرارة منخفضة، يليه تلبيد وتبريد بدرجة حرارة عالية. توفر هذه الطريقة تحكمًا أفضل في البنية المجهرية للسيراميك وتحسن خصائصه، ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى أحجام أكبر من حبيبات السيراميك. تتضمن التقنية الأخيرة تسخين الجسم الأخضر إلى درجة حرارة (t1)، حيث يحدث تكثيف جزئي، بكثافة نسبية تتراوح بين 75% و90%. تبقى بعض المسام في حالة شبه مستقرة. يتم بعد ذلك خفض درجة الحرارة إلى مستوى T2 أقل نسبيًا ويتم الاحتفاظ بها لفترة ممتدة. وهذا يسمح بالتكثيف النهائي من خلال الانتشار في درجات حرارة منخفضة مع تثبيط نمو الحبوب، وتعزيز الخواص الميكانيكية للسيراميك الملبد. يكمن جوهر هذه الطريقة في استغلال الاختلافات الحركية بين هجرة حدود الحبوب وانتشارها لقمع هجرة حدود الحبوب خلال المراحل اللاحقة من التلبيد. بالمقارنة مع التلبيد السريع، الذي يركز على قمع خشونة الحبوب خلال مراحل التلبيد المبكرة، أثبتت هذه الطريقة أنها أكثر فعالية لتحضير السيراميك النانوي.
شكل 1
2.2 تلبيد الضغط الساخن
يتضمن التلبيد بالضغط الساخن تسخين المسحوق أثناء تطبيق الضغط أحادي المحور عند درجات حرارة عالية. وهذا يسمح للجسم الملبد بالتكثيف بشكل أساسي من خلال هجرة المواد تحت ضغط خارجي. يمكن تصنيف الضغط الساخن على أنه فراغ، جو، أو مستمر، ودرجة حرارة التلبيد أقل بكثير من درجة حرارة التلبيد الجوي. بالنسبة للألومينا، يتطلب التلبيد التقليدي عند الضغط الجوي تسخينًا إلى 1800 درجة مئوية، في حين أن الضغط الساخن (عند 20 ميجا باسكال) يحتاج فقط إلى حوالي 1500 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التلبيد عند درجات حرارة منخفضة يمنع نمو الحبوب، مما يؤدي إلى جسم ملبد كثيف ودقيق الحبيبات مع مسامية منخفضة وقوة عالية. كير وآخرون. إنتاج سيراميك الألومينا النانوية بحجم حبيبي أقل من 50 نانومتر وكثافة 98% عن طريق تلبيد مسحوق Al2O3 عند درجة حرارة 800 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة تحت ضغط 8GPa.
يتضمن الضغط الساخن إما التشكيل المسبق للمسحوق أو تحميله مباشرة في القالب، مما يجعل العملية بسيطة. تتميز المنتجات الملبدة بكثافة عالية تصل نظريًا إلى 99٪. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها حدود، مثل صعوبة إنتاج أشكال معقدة، وصغر حجم الإنتاج، وارتفاع التكاليف.
2.3 تلبيد بالضغط الساخن المتوازن
في الأساس، الضغط المتوازن الساخن هو شكل مختلف من الضغط الساخن. وهي تنطوي على تلبيد الجسم الأخضر في بيئة غازية عند درجات حرارة عالية، وتعريضه للضغط من جميع الاتجاهات. وهذا يعزز كثافة مادة السيراميك المنتجة. يوفر الضغط المتوازن المتوازن على الساخن العديد من المزايا، بما في ذلك تقليل وقت التلبيد، وانخفاض درجات حرارة التلبيد، والبنية المجهرية الموحدة، والأداء الممتاز. ومع ذلك، فإن التكلفة العالية للمعدات، واستهلاك كميات كبيرة من الغاز أثناء العملية، والقيود التي تفرضها درجة حرارة تليين مادة التغليف تعيق تطبيقها على نطاق واسع.
2.4 تلبيد عالي الفراغ
يتضمن التلبيد عالي الفراغ التلبيد في بيئة شديدة الفراغ. وانغ وآخرون. تم استخدام الألومينا عالية النقاء (نقاوة> 99.99%) كمادة خام، باستخدام تقنية الضغط المتوازن، وتكلسها عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية في الفراغ. أظهر سيراميك الألومينا عالي النقاء الناتج أداءً ممتازًا، بما في ذلك قوة الانحناء العالية وحجم الحبيبات 2-3μm. غوستافو وآخرون. تم استخدام تلبيد عالي الفراغ لإنتاج سيراميك الألومينا بكثافة نسبية عالية وقوة انحناء. أظهرت الدراسات أن التلبيد عالي الفراغ لسيراميك الألومينا عالي النقاء لا يقلل فقط من الشوائب عند حدود الحبوب ولكنه يقلل أيضًا من احتمالية المسامية.
2.5 تلبيد الميكروويف
يتضمن تلبيد الموجات الدقيقة تفاعل المجال الكهرومغناطيسي للميكروويف مع وسط المادة، مما يتسبب في فقدان العزل الكهربائي ويؤدي إلى تسخين متزامن لكل من سطح المادة وداخلها. تشير نتائج لو وآخرون إلى أن تلبيد سيراميك α-Al2O3 عالي النقاء باستخدام الميكروويف يوفر مزايا مقارنة بطرق التلبيد التقليدية. وتشمل هذه درجات حرارة تلبيد منخفضة، وتقليل وقت التلبيد بشكل كبير، والحد الأدنى من التغيير في حجم الحبوب قبل وبعد التلبد، وجسم ملبد أكثر اتساقًا وكثافة. وهذا يوفر عملية مهمة لتطوير مواد سيراميك الأسنان النانوية.
تشمل فوائد التلبيد بالميكروويف معدلات تسخين سريعة، مما يتيح تلبيدًا سريعًا وتنقية الحبوب، والتسخين الموحد لمنتج السيراميك مع مجال درجة حرارة داخلي متجانس، والتسخين الانتقائي لأجزاء المواد للإصلاح أو معالجة العيوب، وكفاءة الطاقة (مع وفورات محتملة تصل إلى 50%)، وغياب القصور الحراري للتغيرات الفورية في درجات الحرارة. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى فهم تفصيلي لخصائص المجال الكهرومغناطيسي وتوزيعه داخل تجويف الميكروويف، وتفاعلات المواد الميكروويف، وتحولات المواد، وآليات نقل الحرارة لتحسين العملية. نظرًا لأن التلبيد بالموجات الدقيقة هو تقنية جديدة نسبيًا، فإن تنفيذها الصناعي قد يستغرق وقتًا طويلاً، مما يجعلها محورًا للبحث المستقبلي.
2.6 تلبيد شرارة البلازما (SPS)
يستخدم Spark Plasma Sintering طاقة النبض، وضغط التفريغ النبضي، ومجال درجة الحرارة العالية اللحظية الناتج عن تسخين Joule لتسخين المادة إلى درجة حرارة التلبيد. بالمقارنة مع طرق التلبيد التقليدية، يمكن أن تنتج Spark Plasma درجات حرارة عالية مع معدل تسخين يصل إلى 1000 درجة مئوية/دقيقة. يتم تنشيط سطح الحبوب بواسطة البلازما، مما يؤدي إلى تسريع تكثيف التلبيد ويؤدي إلى كفاءة تلبيد عالية.
توفر تقنية SPS العديد من المزايا، بما في ذلك درجات حرارة التلبيد المنخفضة، وأوقات الاحتفاظ القصيرة، ومعدلات التسخين السريعة، وضغوط التلبيد القابلة للتعديل، والقدرة على تحقيق اقتران متعدد المجالات (كهربائي - ميكانيكي - حراري). بالإضافة إلى السيراميك الشائع مثل Al2O3، يمكن أيضًا استخدام تقنية SPS لتحضير المواد التي يصعب تلبيدها مثل ZrB2، وHfB2، وZrC، وTiN.
تكنولوجيا تلبد البلازما سبارك
