عمليات التلبيد المختلفة للنيتريد السيليكون

ذرات سيراميك نيتريد السيليكون مرتبطة ببعضها بواسطة روابط تساهمية قوية، وهي خاصية جوهرية تجعل هذا السيراميك غير العضوي غير المعدني صعب التكثيف بشكل كثيف للغاية. وخلال المعالجة، لا بد من تحمل بيئة ذات درجة حرارة عالية تفوق ١٨٠٠°م، كما يتطلب الأمر الحفاظ على ضغط التكثيف لفترة طويلة. وبسبب قسوة ظروف المعالجة هذه، يصبح الجسم الأولي عُرضةً لتشكل المسام الداخلية والتشققات، ما يُضعف مباشرةً الأداء الميكانيكي للمادة وموثوقيتها الوظيفية العامة. ولحل هذه المشكلة في التحضير، طور القطاع مختلف عمليات التكثيف.

١. التكثيف بدون ضغط

في عملية إعداد نيتريد السيليكون عبر التلبيد عند الضغط الجوي، توجد تناقضٌ جوهريٌّ: فعملية كثافة المادة تتنافس مع تفاعل التحلل الحراري عالي الحرارة لنيتريد السيليكون. ويصبح هذا المشكل أكثر وضوحًا في أنظمة التركيب التي تتضمَّن مضافات قائمة على المغنيسيوم. ولتحسين تأثير الكثافة في الجسم الأخضر في الظروف الجوية، تستخدم الصناعة أكسيد الإتريوم بالاشتراك مع أكسيد المغنيسيوم، أو أكسيد الإتريوم مع أكسيد الألومنيوم ونترات الألومنيوم معًا كمكونات مساعدة في التلبيد لإعداد نيتريد السيليكون. وبعد إجراء اختباراتٍ واسعة النطاق، أصبح تركيبا أكسيد الإتريوم + أكسيد الألومنيوم وأكسيد الإتريوم + أكسيد المغنيسيوم الخيارين الرئيسيين في السوق. ولم تُطبَّق هذه العملية بعدُ على نطاق واسع في مجالات المواد المركبة المتخصصة. ومع ذلك، وبشرط دمجها مع تقنيات معالجة مناسبة واختبارات غير تدميرية للقضاء على العيوب الداخلية، يمكن استخدام مكونات نيتريد السيليكون المنتَجة عبر التلبيد عند الضغط الجوي في إكسسوارات المعدات عالية الموثوقية.

٢. التلبيد بالتفاعل (RBSN)

يبدأ إنتاج نيتريد السيليكون المسامي المُنتَج بالتفاعل والتصليح بتحضير قوالب سيراميكية من مسحوق السيليكون الناعم جدًّا بعد معالجته بالضغط. ثم تُوضع هذه القوالب في جوٍّ من النيتروجين أو الأمونيا، وتُسخَّن باستمرار ضمن مدى حراري يتراوح بين ١٠٠٠ و١٤٥٠ درجة مئوية. وخلال هذه العملية، يخضع مسحوق السيليكون لتفاعل نتردة، ما يؤدي إلى تشكُّل طور بلوري مختلط يتكون من ألفا-سي٣إن٤ وبيتا-سي٣إن٤. ويؤدي هذا التفاعل النتريدي إلى تمدُّد حجمي يبلغ نحو ٢٢٪، لكن الفراغات المتبقية بين جزيئات القالب يمكنها تعويض تأثير هذا التمدُّد. كما أن حجم القالب يكاد لا يتقلَّص أثناء عملية التصليح. وبفضل هذه الخاصية المتمثِّلة في الحفاظ على الأبعاد ثابتة، تُعدُّ هذه الطريقة مناسبة جدًّا لإنتاج كتل سيراميكية ذات أشكال خاصة، وحلقات ارتكاز ذات أشكال خاصة، وقواعد مُتباعدات الفقرات العنقية. وبعد التصليح، لا يلزم إجراء أي تشغيل آلي لاحق باستخدام أدوات الماس، ما يمنحها مزايا تكلفة كبيرة. وحتى لو ظلَّ مسامية المنتج النهائي عند نسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪، فإن هذه المكونات تحافظ على خواص ميكانيكية ممتازة، إذ تصل مقاومتها الانحنائية إلى ٣٥٠ ميغاباسكال.

٣. التلبيد بالضغط الساخن (HP)

لا يمكن لعملية التلبيد بالضغط الساخن أن تكثف قالب النترات السيليكوني دون إضافة أي مواد مساعدة. ولذلك، تُخلط مواد قائمة على المغنيسيوم، مثل أكسيد المغنيسيوم ونترات المغنيسيوم، في نظام المسحوق كمواد مساعدة على التلبيد. ويُفضَّل التحكم في الكمية المثلى لهذه المواد المساعدة ضمن النطاق من ٣,٣ إلى ٥,٠ وزنيًّا٪. وخلال المعالجة، يُطبَّق ضغط ميكانيكي مقداره ٢٣ ميغاباسكال على القالب، وتُضبط درجة حرارة التلبيد عند ١٨٠٠±٥٠°م، مع زمن احتفاظ يتراوح بين ٤ و١٨ دقيقة. ويمكن لهذه العملية إنتاج أجزاء سيراميكية كثيفة بكثافة نسبية تفوق ٩٩,٩٪، بينما تصل مقاومة المنتج النهائي للانحناء إلى ٦٩٠±٢٠ ميغاباسكال. وبفضل كثافتها العالية جدًّا، يمكن استخدام عملية التلبيد بالضغط الساخن في تصنيع منتجات تتطلب مواصفات أداء ميكانيكي صارمة، مثل محامل النترات السيليكونية، وأعمدة السيراميك النترات السيليكونية، وكريات مقاومة للتآكل من النترات السيليكونية. وقد طُبِّقت هذه الحلول أيضًا في الإنتاج الصناعي.

٤. التلبيد بضغط الغاز

الوظيفة الأساسية لعملية التلبيد بالضغط هي حل المشكلة الصناعية المتمثلة في سهولة تحلُّل نيتريد السيليكون أثناء التلبيد عند درجات الحرارة العالية. وتتحقق هذه الوظيفة من خلال إدخال غاز النيتروجين عالي الضغط إلى غرفة التلبيد، ما يخلق بيئة واقية عالية الضغط، مما يعكس ويمنع فعليًّا تفاعل تحلُّل نيتريد السيليكون عند درجات الحرارة العالية، ويضمن بذلك سلامة البنية وأداء القالب الأولي المستقر أثناء عملية التكثيف عند درجات الحرارة العالية. وبفضل تأثير التكثيف الممتاز واستقرار المادة، يمكن لعملية التلبيد بالضغط إنتاج أوعية تقطير من نيتريد السيليكون مقاومة للحرارة العالية وبأحجام كبيرة، وأنابيب خزفية طويلة من نيتريد السيليكون، إضافةً إلى مكوِّنات هيكليَّة أخرى دقيقة جدًّا ومقاومة للحرارة العالية. وتتميَّز منتجات نيتريد السيليكون المحضَّرة بهذه العملية بأداءٍ عامٍّ يشبه إلى حدٍّ كبير أداء المنتجات المُنتَجة عبر عمليات التلبيد السائدة، كما تتمتَّع بأداءٍ شاملٍ ممتازٍ، ما يمنحها آفاق تطبيق صناعي واسعة.

٥. تفاعل التلبيد المدمج مع نيتريد السيليكون (SRBSN)

لتحسين سلوك التلبيد للأجسام الخضراء، تُضاف أكسيد الألومنيوم وأكسيد السيليكا وأكسيد الكالسيوم، وهي مكونات تلبيد مساعدة، إلى مسحوق السيليكون الخام. ويقسم إجمالي عملية التحضير إلى مرحلتين تسخين. أولاً، تُجرى في جو يحتوي على الهيدروجين أو الأرجون والنيتروجين تفاعل نيتروجين طويل الأمد عند درجة حرارة ١٤٠٠°م، وتستغرق هذه العملية من ١٥٠ إلى ٣٠٠ ساعة. وبعد اكتمال النيتروجين، تُنقل المادة إلى بيئة تلبيد عالي الضغط، حيث تُحفظ عند مدى حراري يتراوح بين ١٧٠٠ و١٩٥٠°م لمدة تتراوح بين ساعة واحدة وساعتين. ويُضبط ضغط غاز النيتروجين في البيئة ليكون ضمن النطاق من ٠,٢١ إلى ٢,١ ميغاباسكال. وبفضل هذه العملية، يمكن أن تتجاوز كثافة الأجسام الخضراء ٨٦٪ من الكثافة النظرية. وإذا زاد ضغط غاز النيتروجين داخل غرفة التلبيد أكثر من ١٠ ميغاباسكال، فإن كثافة الأجسام الخضراء ترتفع إلى ٩٨٪ من القيمة النظرية، كما تصل مقاومة الانحناء للمكونات إلى ٧٥٠ ميغاباسكال. وبفضل دقة التشكيل الجيدة وتكاليف المعالجة القابلة للتحكم، يمكن استخدام هذه العملية لإنتاج حلقات خزفية من نيتريد السيليكون عالية التحمّل ولوحات خزفية كبيرة الحجم من نيتريد السيليكون. وبعد تعديل الإحكام، أصبحت الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لهذه المكونات مماثلة بالفعل لأداء قطع نيتريد السيليكون المُلبدة عالية الأداء المتاحة في السوق.

٦. التلبيد بالبلازما المُفرَّغة (SPS)

يعتمد عملية التلبيد بالبلازما المُفرَّغة على التأثير المباشر للتيار النابض على كتلة المسحوق، ويستخدم التسخين بالمقاومة لرفع درجة حرارة الكتلة بسرعة. ويمكنه تحقيق تصلّبٍ كثيفٍ دون الحاجة إلى الاحتفاظ بدرجة حرارة عالية لفترة طويلة. وبفضل هذا الأسلوب المعتمد على التعرض القصير لدرجات الحرارة العالية، يمكن كبح النمو المستمر لحبات البلورات، وتجنّب التحوّلات الطورية غير الطبيعية، والحفاظ على البنية المجهرية البلورية الدقيقة للمادة، ما يمكّن المكونات من اكتساب خصائص ميكانيكية ممتازة أكثر. وتصلح هذه العملية لتصنيع صفائح نيتريد السيليكون الخزفية فائقة الرقاعة ودبابيس تحديد الموضع المصنوعة من نيتريد السيليكون المصغَّرة، وهي أجزاء دقيقة صغيرة الحجم. وبالمقارنة مع أساليب التلبيد التقليدية، فإن المدة الإجمالية لهذه العملية أقصر، وإيقاع التصنيع أسرع، ما يقلّل بشكل ملحوظ المدة الكلية اللازمة لتصنيع مكونات نيتريد السيليكون.