Al2O3 સિરામિક કઠિન તકનીકી સિરામિક્સમાં સૌથી ટોચનું સ્થાન ધરાવે છે, જેની વિકર્સ કઠિનતા 16 GPa કરતાં વધારે છે. તે ખાસ તાપમાને 400 MPa કરતાં વધુની વળણ મજબૂતી જાળવી રાખે છે, જે ઉદ્યોગોમાં બેરિંગ્સ અને કાપવાના સાધનોને ઊંચા ઘર્ષણ ધરાવતા વાતાવરણમાં 10,000 કલાક કરતાં વધુ સેવા આપવાની મંજૂરી આપે છે અને ઓછામાં ઓછો પરિમાણમાં ફેરફાર થાય છે.
2050°C કરતાં વધુના ગલનબિંદુ સાથે, Al2O3 1100°C એ 25°Cની તાપમાને તેની મજબૂતીના 98% જાળવી રાખે છે. આ ઉષ્ણતા પ્રતિકારકતા ટર્બાઇન એન્જિન જેવી એપ્લિકેશન્સમાં લાંબા સમય સુધી ઉષ્ણતા ભાર સહન કરવા માટે ચોકસાઈવાળા ઘટકોને સક્ષમ બનાવે છે, જ્યાં કામગીરીનું તાપમાન 1000°C સુધી પહોંચે છે અને સ્થાનિક તણાવ 750 MPa કરતાં વધુ હોય છે.
Al2O3 ને સાંદ્રિત એસિડમાં 500 કલાક સુધી ખુલ્લું રાખતાં તેના દળમાં 0.1% કરતાં ઓછો ઘટાડો થાય છે, જે સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કરતાં કાટ અવરોધકતામાં 300% વધુ છે. તેની રાસાયણિક સ્થિરતાને કારણે અર્ધવાહક ઉત્પાદન સાધનો અને આક્રમક એચન્ટ્સનો સામનો કરતી ઊંચી શુદ્ધતાવાળી રાસાયણિક પ્રણાલીઓ માટે તે આવશ્યક બની ગઈ છે.
2025 ના સામગ્રી અભ્યાસમાં Al2O3 ની 20 ઉષ્મા આઘાત ચક્રો (ΔT=1000°C) સહન કરવાની અને મૂળ મજબૂતીના 95% જાળવી રાખવાની ક્ષમતાનું દસ્તાવેજીકરણ કરવામાં આવ્યું છે. સેરામિકનો ઓછો ઉષ્મીય પ્રસરણ ગુણાંક (8.1×10⁻⁶/K) અને મધ્યમ ઉષ્મીય વાહકતા (30 W/m·K) ઝડપી ઠંડક દરમિયાન સૂક્ષ્મ તિરાડોના નિર્માણને અટકાવવા માટે એકસાથે કાર્ય કરે છે.
મોટાભાગના Al2O3 ઘટકો કાં તો ડાઇ પ્રેસિંગ તકનીકો દ્વારા અથવા સિરામિક ઇન્જેક્શન મોલ્ડિંગ તરીકે ઓળખાતા, સામાન્ય રીતે સીઆઇએમ તરીકે સંક્ષિપ્ત કરવામાં આવે છે. જ્યારે આપણે ડાઇ પ્રેસિંગ વિશે વાત કરીએ છીએ, ત્યારે તેનો અર્થ એ છે કે આ ખરેખર શુદ્ધ એલ્યુમિના પાવડરને આકારમાં સંકુચિત કરવું જે અંતિમ ઉપયોગ માટે લગભગ તૈયાર છે. સિરામિક ઇન્જેક્શન મોલ્ડિંગ અલગ રીતે કામ કરે છે. આ પદ્ધતિ ઉત્પાદકોને તમામ પ્રકારના જટિલ આકારો બનાવવા દે છે જે અન્ય પદ્ધતિઓ સાથે અશક્ય હશે, આંતરિક થ્રેડ્સ અને તે સુપર પાતળા દિવાલો જેવી વસ્તુઓ સહિત જે આધુનિક ડિઝાઇનમાં ખૂબ સામાન્ય છે. સીઆઈએમને ખાસ બનાવે છે તે કેવી રીતે તે આ થર્મોપ્લાસ્ટિક બાઈન્ડર્સને અલ્ટ્રા ફાઇન એલ્યુમિના કણો સાથે મિશ્રિત કરે છે. શું પરિણામ આવ્યું? ભાગો કે જે સંપૂર્ણપણે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે તે પહેલાં પણ આશરે 0.3% પરિમાણીય ચોકસાઈ જાળવી રાખે છે. તે પ્રકારની ચોકસાઈ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે જ્યારે વિગતવાર ઠંડક પ્રણાલીઓ અથવા તે નાના પ્રવાહી ચેનલો સાથેના ઘટકો બનાવવા કે જે પ્રથમ દિવસથી સંપૂર્ણ રીતે કાર્ય કરવાની જરૂર છે.
સિન્ટરિંગ 15–20% નું મહત્વપૂર્ણ સંકોચન ઉત્પન્ન કરે છે અને અસમાન ઘનતા અથવા તબક્કાની અસ્થિરતાનું જોખમ ધરાવે છે. ઉત્પાદકો 1600°C સુધીના ગ્રેડેડ હીટિંગ પ્રોફાઇલ અને α-એલ્યુમિના તબક્કાને સ્થિર કરવા માટે ઝિરકોનિયા ડોપિંગ દ્વારા આ સમસ્યાઓનું નિરાકરણ કરે છે. પાર્ટિકલ સાઇઝ ડિસ્ટ્રિબ્યુશનનું ઑપ્ટિમાઇઝેશન પરંપરાગત અભિગમ કરતાં 42% વિરૂપતા ઘટાડવામાં સફળ રહ્યું છે.
સિન્ટરિંગ પછીના ઘટકોને 0.8 μm Ra કરતાં ઓછી સપાટીની પૂર્ણતા મેળવવા માટે ડાયમંડ-વ્હીલ ગ્રાઇન્ડિંગનો આધિન કરવામાં આવે છે. અસિન્ટર્ડ "બિસ્ક" એલ્યુમિના પર કરવામાં આવતી ગ્રીન મશીનિંગ—ઝડપી મટિરિયલ રીમુવલ માટે મંજૂરી આપે છે. ઉન્નત CNC ગ્રાઇન્ડિંગ સ્ટેશન્સ 100 mm પરિમાણોમાં ±2 μm સ્થાનિક ચોકસાઈ જાળવવા માટે ઑપ્ટિકલ માપન ફીડબેકનું એકીકરણ કરે છે, જે સેમિકન્ડક્ટર વેફર ચક્સ અને લેસર ટ્યુબ બેરિંગ્સ માટે મહત્વપૂર્ણ છે.
ડિજિટલ લાઇટ પ્રોસેસિંગ (DLP) ની રજૂઆત સાથે વૉટ ફોટોપોલિમરાઇઝેશને અલ્યુમિના ઉત્પાદનોના ઉત્પાદનની રીતને ખરેખર બદલી નાખી છે, જે 20 માઇક્રોમીટરથી ઓછા લક્ષણોના કદ સુધી પહોંચે છે. આ ઉમેરણ ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ એવી ખાસ રીતે તૈયાર કરાયેલી સેરામિક સ્લરીઝ સાથે કામ કરે છે જેમાં 60 થી 80 ટકા ઘન પદાર્થોનો સમાવેશ થાય છે. આના કારણે લેટિસ અને આંતરિક ચેનલ્સ જેવી જટિલ ભૂમિતિનું નિર્માણ કરવામાં આવે છે જે પરંપરાગત ઉત્પાદન તકનીકો સાથે શક્ય ન હતું. આ ક્ષેત્રમાં તાજેતરના વિકાસને ધ્યાનમાં લેતાં, ઉત્પાદકો હવે 99.7% શુદ્ધ એલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડમાંથી બનેલા ઘટકોનું ઉત્પાદન કરી રહ્યા છે જેમાં સપાટીની પૂર્ણાહુતિ 0.8 માઇક્રોમીટર અથવા તેનાથી વધુ સરળ છે. આ પરિણામો ખરેખર પરંપરાગત ઇન્જેક્શન મોલ્ડિંગ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા બનાવેલા ભાગો સાથે સરખાવતાં તેમની ગુણવત્તામાં ક્યારેક તેમને પણ આગળ રહે છે.
સ્લરી રેહોલોજી નિયંત્રણ અને એઆઈ-મદદરૂપ સ્તર વળતરને કારણે આધુનિક 3D-મુદ્રિત એલ્યુમિના ±0.1% પરિમાણવાળી ચોકસાઈ પ્રાપ્ત કરે છે. ઉમેરણ પ્રક્રિયાઓ ટૂલ ઘસારાની ચલશીલતાને દૂર કરે છે, બિલ્ડ દરમિયાન <5 μm સ્થાનિક પુનરાવર્તનશીલતા જાળવે છે. અભ્યાસો દર્શાવે છે કે મુદ્રિત Al2O3 સૈદ્ધાંતિક ઘનતાના 98.5% સુધી પહોંચે છે, અને કણોના ગ્રેડેશનને કારણે તિરાડ મજબૂતીમાં 4.5 MPa·m¹/² સુધીનો સુધારો થાય છે.
નવીન ડિબાઇન્ડિંગ અને સિન્ટરિંગ પ્રોટોકોલ 18–22% થી 15% કરતા ઓછા સુધી રેખીય સિકોચામણ ઘટાડે છે, નાજુક રચનાઓમાં સૂક્ષ્મ તિરાડો લઘુતમ કરે છે. 1–3°C/minની નિયંત્રિત ગરમ કરવાની ઝડપ સાથેના બહુ-તબક્કાકીય ઉષ્ણતા પ્રોફાઇલ યાંત્રિક સંપૂર્ણતા જાળવે છે. સંશોધન દર્શાવે છે કે ગ્રાફીન-ડોપ્ડ Al2O3 સૂત્રો વળાંક મજબૂતીમાં 34% (480 MPa સુધી) વધારો કરે છે, જે મુદ્રિત સેરામિક્સમાં ઐતિહાસિક ભંગુરતાની મર્યાદાઓને અસરકારક રીતે દૂર કરે છે.
એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડની કાર્યક્ષમતા ખરેખર તેની શુદ્ધતા પર આધારિત છે. વસ્તુઓ જેવી કે ઘસારાની પ્લેટો અથવા ઇન્સ્યુલેટિંગ ઘટકો જેવી મૂળભૂત એપ્લિકેશન્સ માટે, 96% શુદ્ધતા ગ્રેડ પૂરતી સારી રીતે કામ કરે છે, કારણ કે તે લગભગ 12 GPa ની કઠિનતા (વિકર્સ સ્કેલ પર) અને લગભગ 18 W પ્રતિ મીટર કેલ્વિન પર સારી ઉષ્ણતા વહનતા જેવી લાક્ષણિકતાઓને કિંમત સાથે સંતુલિત કરે છે. જ્યારે આપણે 99.7% જેવી વધુ ઊંચી શુદ્ધતા સુધી આગળ વધીએ છીએ, ત્યારે ફ્રેક્ચર ટફનેસમાં લગભગ 30% જેટલો નોંધપાત્ર સુધારો જોવા મળે છે. આ સામગ્રીને સેમિકન્ડક્ટર હેન્ડલિંગ સાધનો જેવી વસ્તુઓ માટે ખાસ કરીને યોગ્ય બનાવે છે જ્યાં સપાટીની સ્વચ્છતા ખૂબ મહત્વપૂર્ણ હોય છે. અને પછી 99.95% ની અતિ-ઉચ્ચ શુદ્ધતા વાળા પ્રકાર છે જે ઑપ્ટિકલી પારદર્શક બની શકે છે અને કઠિન pH પરિસ્થિતિઓ હેઠળ પણ કોરોઝનને પ્રતિકાર કરી શકે છે. આ ટોચની શ્રેણીની સામગ્રીને ખૂબ જ તીવ્ર પ્રક્રિયાની જરૂર હોય છે, સામાન્ય રીતે સામગ્રીની રચનામાં બાકીના છિદ્રોને દૂર કરવા માટે લગભગ 1,700 ડિગ્રી સેલ્સિયસના તાપમાને સિન્ટરિંગની આવશ્યકતા હોય છે.
| શુદ્ધતા ગ્રેડ | મુખ્ય ગુણધર્મો | ઉદ્યોગ કાર્યક્ષમતા |
|---|---|---|
| 96% | ખર્ચ-અસરકારક, મશીનિંગ કરી શકાય તેવું | ઇન્સ્યુલેટર્સ, સ્પ્રે નોઝલ |
| 99.7% | ઉચ્ચ ડાયઇલેક્ટ્રિક તાકાત, ઓછો ઘસારો દર | વેક્યુમ ચેમ્બર, લેસર ઘટકો |
| 99.95% | જૈવિક-નિષ્ક્રિય, <0.5% લાક્ષણિકતા | મેડિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ, ઑપ્ટિક્સ સબસ્ટ્રેટ્સ |
યોગ્ય એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ ગ્રેડ પસંદ કરવો એ તે બાબતની વચ્ચેનો સંતુલન શોધવા જેટલો જ મહત્વપૂર્ણ છે કે જે સારી રીતે કામ કરે અને જે બજેટમાં ફિટ બેસે. અલ્ટ્રા શુદ્ધ 99.95% વેરિયન્ટની કિંમત સામાન્ય ગ્રેડ કરતાં લગભગ ચારથી છ ગણી વધુ હોય છે, પરંતુ તે MEMS સેન્સર્સને માઇક્રોન સ્તર સુધીની અવિશ્વસનીય ચોકસાઈ આપે છે. ગયા વર્ષના તાજેતરના સંશોધનમાં એક રસપ્રદ બાબત પણ જાણવા મળી: જ્યારે પંપ સીલ માટે 96% એલ્યુમિનાનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો, ત્યારે કંપનીઓએ તેમના પૂર્ણ થવાના ખર્ચમાં લગભગ 40% ની બચત કરી, જ્યારે તેમના માપને માત્ર પાંચ માઇક્રોનથી ઓછામાં જ રાખવામાં આવ્યા. CNC ગ્રાઇન્ડિંગ ટૂલ્સની વાત કરીએ તો, 99.7% એલ્યુમિનાને થોડા ઝિરકોનિયા સાથે મિશ્રિત કરવાથી આ ટૂલ્સ ફાટવા સામે ઘણા વધુ મજબૂત બને છે, અને તેમની ઉચ્ચ તાપમાન (ક્યારેક 1500 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી) સહન કરવાની ક્ષમતા પર કોઈ અસર થતી નથી. આ પ્રકારનું મિશ્રણ ઉત્પાદકોને તેમની ઑપરેશનલ જરૂરિયાતો અને તેમની આર્થિક પરિસ્થિતિ મુજબ તેમની સામગ્રીને કસ્ટમાઇઝ કરવાની મંજૂરી આપે છે.
એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al2O3) ત્યારે રાજા છે જ્યારે ઉદ્યોગીય એપ્લિકેશન્સમાં ટકાઉપણું જરૂરી હોય, આજકાલ યાંત્રિક સિસ્ટમોમાં ઉપયોગમાં લેવાતી તમામ ઉન્નત સિરામિક્સના લગભગ 41% ભાગનું નિર્માણ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 99.7% શુદ્ધ એલ્યુમિનામાંથી બનાવેલા વિદ્યુત ઇન્સ્યુલેટર્સ 500 ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને પણ મિલિમીટર દીઠ 15 કિલોવોલ્ટથી વધુની ડાયઇલેક્ટ્રિક તાકાત સહન કરી શકે છે. અને ઉચ્ચ RPM પર ચાલતી મશીનરીમાં તેમના સ્ટીલ સમકક્ષ કરતાં લગભગ 80% ઓછો ઘસારો બતાવતા સિન્ટર્ડ સિરામિક બેરિંગ્સને પણ ભૂલશો નહીં. કઠિન પદાર્થો સાથે કામ કરતા રાસાયણિક પ્રક્રિયા પ્લાન્ટ્સ માટે, Al2O3 વિયર રિંગ્સ ખૂબ જ આવશ્યક છે, કારણ કે તેઓ પાઇપ દ્વારા 12 મીટર પ્રતિ સેકન્ડથી વધુની ઝડપે ગતિ કરતી અસંખ્ય સ્લરીઝ સામે ઘસારાનાં લક્ષણો દર્શાવ્યા વિના ટકી રહે છે.
અર્ધવાહકોમાં, ઉત્પાદકો તેના નાના પણ મહત્વપૂર્ણ ભાગો બનાવવા માટે અતિશુદ્ધ એલ્યુમિના પર ખૂબ આધાર રાખે છે. વેફરને હેન્ડલ કરવા માટે વપરાતા સાધનો ઘણીવાર Al2O3 માંથી બનાવવામાં આવે છે કારણ કે તેઓ સપાટીને અતિ સરળ રાખે છે, લગભગ 0.1 માઇક્રોમીટર Ra અથવા તેનાથી વધુ સારું, જે ઉત્પાદન દરમિયાન ચિપ્સને દૂષિત થતા અટકાવે છે. વેક્યુમ સિસ્ટમ્સ માટે, Al2O3 આધારિત ફીડથ્રૂ ગરમ કરતાં 450 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર પણ 1e-9 mbar લિટર પ્રતિ સેકન્ડ જેટલી અતિ ઓછી લીક દર સામે ટકી રહી શકે છે. આવી કામગીરી જ સ્વચ્છ વાતાવરણમાં એક્સટ્રીમ અલ્ટ્રાવાયોલેટ લિથોગ્રાફીને શક્ય બનાવે છે. અને તાજેતરમાં તો વસ્તુઓ વધુ સારી થઈ છે. 99.95% શુદ્ધતાવાળા એલ્યુમિનાથી બનાવેલા ઘટકો હવે એટોમિક લેયર ડિપોઝિશન મશીનોમાં હજારો ગરમ અને ઠંડા ચક્રો પસાર કર્યા પછી પણ નિષ્ફળ થયા વિના ચાલુ રહે છે, જે આવી માંગણીવાળી એપ્લિકેશન્સમાં વિશ્વસનીયતા માટે એક મોટો કદમ છે.
અગ્રણી ઉત્પાદકો હવે જટિલ ભૂમિતિમાં સિન્ટરિંગ ડિફોર્મેશન 30% ઘટાડવા મશીન લર્નિંગને ઉમેરાતી ઉત્પાદન સાથે એકીકૃત કરે છે. 150 મીમીના બિલ્ડ્સમાં ±5 μm પરિમાણોની ચોકસાઈ મેળવવા માટે બાઇન્ડર જેટિંગ પ્રક્રિયાઓનું રિયલ-ટાઇમ એઆઇ મોનિટરિંગ એરોસ્પેસ થ્રસ્ટર્સ માટે સેરામિક ઇગ્નિશન કોરની બહુલ કસ્ટમાઇઝેશનને સક્ષમ કરે છે.
એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ ચોક્કસપણે તંગ માઇક્રોન-સ્તરની સહનશીલતાને સંભાળી શકે છે, પરંતુ સિન્ટરિંગ દરમિયાન સંકોચનની હંમેશાથી એવી સમસ્યા રહી છે જે લગભગ 15 થી 20 ટકાની રેન્જમાં હોય છે. આ પ્રકારની અસંગતતા ચોકસાઈના ધોરણોને જાળવવામાં મુશ્કેલી ઊભી કરે છે. સદનસીબે, ડાયલેટોમીટ્રી કંટ્રોલ સાથે સજ્જ નવીનતમ ભઠ્ઠી ટેકનોલોજી આ સમસ્યાનો સીધો સામનો કરવાનું શરૂ કરી દીધું છે. આ સિસ્ટમ્સ ગરમ થતાં સામગ્રીના અસમાન સંકોચનને ધ્યાનમાં લેવા માટે ખૂબ જ બુદ્ધિશાળી આગાહીના ગણિતનો ઉપયોગ કરે છે. પરિણામે, HIP સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા લેઝર કટિંગ સાધનોમાં વપરાતી સેરામિક નોઝલ્સ બનાવતી વખતે ઉત્પાદકોએ લગભગ 99.3% ચોકસાઈ પ્રાપ્ત કરી છે. જો કે આદર્શ ન હોય, તો પણ આ વિકાસ આ સામગ્રીઓ શું કરી શકે છે તેની સરખામણીએ વાસ્તવિક ઔદ્યોગિક સેટિંગ્સમાં આપણને શું જરૂર છે તેને સુસંગત બનાવવા તરફ મહત્વપૂર્ણ પ્રગતિ દર્શાવે છે.
EN
