સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની વિવિધ સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓ

સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સેરામિક્સના પરમાણુઓ મજબૂત સહસંયોજક બંધો દ્વારા જોડાયેલા હોય છે, જે આ અકાર્બનિક અધાતુ સેરામિકને ઘન સિન્ટરિંગ પ્રાપ્ત કરવા માટે ખૂબ જ મુશ્કેલ બનાવે છે—આ તેનો સ્વાભાવિક ગુણધર્મ છે. પ્રોસેસિંગ દરમિયાન, ૧૮૦૦℃થી વધુના ઉચ્ચ તાપમાનના વાતાવરણને સહન કરવાની સાથે-સાથે લાંબા સમય સુધી સિન્ટરિંગ દબાણ પણ જાળવવું પડે છે. આ અત્યંત કઠિન પ્રોસેસિંગ વાતાવરણને કારણે ગ્રીન બોડીમાં આંતરિક છિદ્રો અને ફાટલની સમસ્યાઓ ઉદ્ભવવાની સંભાવના રહે છે, જે સીધી રીતે સામગ્રીના યાંત્રિક પ્રદર્શન અને સમગ્ર કાર્યક્ષમતાને નબળું બનાવે છે. આ તૈયારીની સમસ્યાનું નિરાકરણ કરવા માટે, ઉદ્યોગે વિવિધ પ્રકારની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓ વિકસાવી છે.

૧. દબાણ-રહિત સિન્ટરિંગ

વાતાવરણીય દબાણે સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનું ઉત્પાદન કરવાની પ્રક્રિયામાં એક મુખ્ય વિરોધાભાસ છે: સામગ્રીની ઘનતા વધારવાની પ્રક્રિયા અને સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની ઉચ્ચ તાપમાને થતી વિઘટન પ્રક્રિયા વચ્ચેનો સ્પર્ધાત્મક સંબંધ. મેગ્નેશિયમ-આધારિત સંવર્ધકો ધરાવતી સૂત્રોમાં આ સમસ્યા વધુ સ્પષ્ટ થાય છે. વાતાવરણીય પરિસ્થિતિમાં હરોળની ઘનતા વધારવા માટે, ઉદ્યોગ સામાન્ય રીતે ય્ટ્રિયમ ઓક્સાઇડને મેગ્નેશિયમ ઓક્સાઇડ સાથે અથવા ય્ટ્રિયમ ઓક્સાઇડ, એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ અને એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડને સંયુક્ત રૂપે સહ-સિન્ટરિંગ ઘટકો તરીકે વાપરે છે. વ્યાપક પ્રયોગો પછી, ય્ટ્રિયમ ઓક્સાઇડ + એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ અને ય્ટ્રિયમ ઓક્સાઇડ + મેગ્નેશિયમ ઓક્સાઇડની બંને સૂત્રો બજારમાં મુખ્ય પસંદગીઓ બની ગઈ છે. આ પ્રક્રિયા હજુ સુધી વિશિષ્ટ સંયોજિત ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે અપનાવવામાં આવી નથી. જોકે, જો તેને યોગ્ય પ્રક્રિયા તકનીકો અને અનાકસ્મિક પરીક્ષણો સાથે જોડવામાં આવે જેથી આંતરિક ઉટાઉટાઓ દૂર થાય, તો વાતાવરણીય દબાણે સિન્ટર કરેલા સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ઘટકોનો ઉપયોગ ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતા ધરાવતા સાધનોના સામાન્ય ભાગો તરીકે કરી શકાય.

2. પ્રતિક્રિયા સિન્ટરિંગ (RBSN)

છિદ્રાળુ પ્રતિક્રિયા-સિન્ટર્ડ સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનું ઉત્પાદન સિલિકોન પાઉડરની સાંદ્ર ગ્રાઇન્ડિંગ પછી કમ્પ્રેશન ટ્રીટમેન્ટથી સેરામિક બ્લેન્ક્સની તૈયારીથી શરૂ થાય છે. આ બ્લેન્ક્સને નાઇટ્રોજન અથવા એમોનિયાના વાતાવરણમાં મૂકવામાં આવે છે અને ૧૦૦૦–૧૪૫૦°સેલ્સિયસના તાપમાન સીમામાં ચાલુ રાખવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન, સિલિકોન પાઉડર પર નાઇટ્રાઇડેશન પ્રતિક્રિયા થાય છે, જેના પરિણામે α-Si₃N₄ અને β-Si₃N₄ નો મિશ્રિત ક્રિસ્ટલ ફેઝ બને છે. આ નાઇટ્રાઇડેશન પ્રક્રિયાને કારણે લગભગ ૨૨%નો કદ વિસ્તાર થાય છે, પરંતુ બ્લેન્કના કણો વચ્ચે રહેલા ખાલી સ્થાનો આ વિસ્તારની અસરને ઘટાડી શકે છે. સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન, બ્લેન્કનું કદ લગભગ કોઈ સિકોચન વિકૃતિ અનુભવતું નથી. આ અચળ કદ જાળવવાની લાક્ષણિકતાને કારણે, આ પ્રક્રિયા વિશેષ આકારના સેરામિક બ્લોક્સ, વિશેષ આકારના બશિંગ્સ અને ઇન્ટરવર્ટેબ્રલ સ્પેસર્સના બેઝના ઉત્પાદન માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે. સિન્ટરિંગ પછી, ડાયમંડ ટૂલ્સથી વધારાનું મશીનિંગ જરૂરી નથી, અને તેના મોટા ખર્ચના ફાયદા હોય છે. જો પણ અંતિમ ઉત્પાદનની છિદ્રતા ૨૦%–૩૦% જેટલી જ રહે, તો પણ આ ઘટકો ઉત્તમ યાંત્રિક ગુણધર્મો જાળવી રાખે છે, જેમાં વાંકાણની તાકાત ૩૫૦ એમપીએ સુધીની હોય છે.

3.હોટ પ્રેસિંગ સિન્ટરિંગ (HP)

ગરમ-દબાવવાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા કોઈપણ ઉમેરાઓ વગર સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનું પૂર્વ-આકારિત ભાગ ઘન બનાવી શકતી નથી. તેથી, મેગ્નેશિયમ ઓક્સાઇડ અને મેગ્નેશિયમ નાઇટ્રાઇડ જેવા મેગ્નેશિયમ-આધારિત સામગ્રીઓને સિન્ટરિંગ સહાયક તરીકે પાઉડર સિસ્ટમમાં મિશ્રિત કરવામાં આવે છે. ઉમેરાઓનો આદર્શ પ્રમાણ પ્રાધાન્યે ૩.૩–૫.૦ વજન %ની સીમામાં નિયંત્રિત રાખવો જોઈએ. પ્રક્રિયા દરમિયાન, પૂર્વ-આકારિત ભાગ પર ૨૩ એમપીએનું યાંત્રિક દબાણ લાગુ કરવામાં આવે છે, અને સિન્ટરિંગ તાપમાન ૧૮૦૦±૫૦℃ પર સેટ કરવામાં આવે છે, જેમાં ૪ થી ૧૮ મિનિટનો ધારણ સમય હોય છે. આ પ્રક્રિયા સાથે ૯૯.૯% કરતાં વધુની સાપેક્ષ ઘનતા ધરાવતા ઘન સેરામિક ભાગો ઉત્પન્ન કરી શકાય છે, અને અંતિમ ઉત્પાદનની વાંકાણની મજબૂતાઈ ૬૯૦±૨૦ એમપીએ સુધી પહોંચી શકે છે. તેની અત્યંત ઊંચી ઘનતાને કારણે, ગરમ-દબાવવાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ સિલિકોન નાઇટ્રાઇડના બેરિંગ્સ, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડના સેરામિક રોડ્સ અને સિલિકોન નાઇટ્રાઇડના ઘર્ષણ-પ્રતિરોધી બોલ્સ જેવી કડક યાંત્રિક કામગીરીની જરૂરિયાતો ધરાવતા ઉત્પાદનોના ઉત્પાદન માટે કરી શકાય છે. આ ઉપાયને ઔદ્યોગિકરણમાં પણ અમલમાં મૂકવામાં આવ્યો છે.

4.વાયુ દબાણ સિન્ટરિંગ (GPS)

દબાણ સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાનું મુખ્ય કાર્ય ઉચ્ચ-તાપમાન સિન્ટરિંગ દરમિયાન સિલિકોન નાઇટ્રાઇડના સરળ વિઘટનની ઉદ્યોગ-સ્તરની સમસ્યાને હલ કરવાનું છે. આ પ્રક્રિયા સિન્ટરિંગ ચેમ્બરમાં ઉચ્ચ-દબાણની નાઇટ્રોજન વાયુને દાખલ કરીને, એક ઉચ્ચ-દબાણનું રક્ષણાત્મક વાતાવરણ બનાવે છે, જે સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની ઉચ્ચ-તાપમાન વિઘટન પ્રક્રિયાને અસરકારક રીતે ઉલટાવે અને અવરોધે છે, જેથી ઉચ્ચ-તાપમાન ઘનતા પ્રક્રિયા દરમિયાન પ્રીફોર્મની રચનાત્મક અખંડતા અને સ્થિર કામગીરી સુનિશ્ચિત થાય. ઉત્તમ ઘનતા પ્રભાવ અને સામગ્રીની સ્થિરતા સાથે, દબાણ સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા મોટા કદના ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિરોધી સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ક્રુસિબલ્સ અને લાંબી ટ્યુબના સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સેરામિક ટ્યુબ્સ, તેમજ અન્ય ઉચ્ચ-ચોકસાઈ અને ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિરોધી રચનાત્મક ઘટકોનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા તૈયાર કરેલા સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ઉત્પાદનોનું સમગ્ર પ્રદર્શન મુખ્ય ધારાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા ઉત્પન્ન ઉત્પાદનો જેવું જ છે, અને તેમનું સંપૂર્ણ પ્રદર્શન ઉત્તમ છે, જેથી તેમની વ્યાપક ઔદ્યોગિક અનુપ્રયોગની સંભાવનાઓ છે.

5.સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સાથેની સિન્ટરિંગ પ્રતિક્રિયા (SRBSN)

હરીત શરીરના સિન્ટરિંગ વર્તનને સુધારવા માટે, એલ્યુમિના, સિલિકા અને કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ જેવા સહાયક સિન્ટરિંગ ઘટકોને સિલિકન પાઉડરના મૂળ સામગ્રીમાં ઉમેરવામાં આવે છે. સંપૂર્ણ તૈયારીની પ્રક્રિયાને બે ગરમીના તબક્કામાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. પ્રથમ, હાઇડ્રોજન અથવા આર્ગોન અને નાઇટ્રોજનના વાતાવરણમાં, ૧૪૦૦°સેલ્સિયસે ૧૫૦ થી ૩૦૦ કલાક સુધીનો લાંબો નાઇટ્રિડેશન પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે. નાઇટ્રિડેશન પૂર્ણ થયા પછી, તેને ઉચ્ચ-દબાણ સિન્ટરિંગ વાતાવરણમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, જ્યાં તેને ૧૭૦૦ થી ૧૯૫૦°સેલ્સિયસના તાપમાન સીમામાં ૧ થી ૨ કલાક સુધી રાખવામાં આવે છે. આ વાતાવરણમાં નાઇટ્રોજન વાયુનું દબાણ ૦.૨૧ થી ૨.૧ એમપીએ ની સીમામાં સમાયોજિત કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા, હરીત શરીરની ઘનતા સૈદ્ધાંતિક ઘનતાના ૮૬% કરતાં વધુ થઈ શકે છે. જો સિન્ટરિંગ કોષમાં નાઇટ્રોજન વાયુનું દબાણ વધારીને ૧૦ એમપીએથી વધુ કરવામાં આવે, તો હરીત શરીરની ઘનતા ૯૮% સુધી પહોંચી શકે છે અને ઘટકોની વાંકવાળી તાકાત પણ ૭૫૦ એમપીએ સુધી પહોંચી શકે છે. સારી આકારણીની ચોકસી અને નિયંત્રિત પ્રક્રિયા ખર્ચ સાથે, આ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ ભારે પ્રકારના સિલિકન નાઇટ્રાઇડ સેરામિક રિંગ્સ અને મોટા કદના સિલિકન નાઇટ્રાઇડ સેરામિક પ્લેટ્સના ઉત્પાદન માટે કરી શકાય છે. ઘનતા વધારવાની સુધારણા પછી, આ ઘટકોના ભૌતિક અને યાંત્રિક ગુણધર્મો પહેલેથી જ બજારમાં ઉપલબ્ધ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન સિલિકન નાઇટ્રાઇડ સિન્ટર્ડ ભાગોના પ્રદર્શન સાથે મેળ ખાય છે.

6.ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝમા સિન્ટરિંગ (SPS)

ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝમા સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા પાઉડરના કોમ્પેક્ટ પર પલ્સ કરંટની સીધી ક્રિયા પર આધારિત છે, અને કોમ્પેક્ટનું તાપમાન ઝડપથી વધારવા માટે રેઝિસ્ટન્સ હીટિંગનો ઉપયોગ કરે છે. આ પ્રક્રિયા લાંબા સમય સુધી ઉચ્ચ તાપમાને રાખવાની જરૂર વિના ઘન સોલિડિફિકેશન પ્રાપ્ત કરી શકે છે. આ અલ્પકાલીન ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રક્રિયાની પદ્ધતિ ક્રિસ્ટલ ગ્રેન્સની સતત વૃદ્ધિને રોકી શકે છે, અસામાન્ય ફેઝ ટ્રાન્સફોર્મેશનને ટાળી શકે છે, સામગ્રીની સૂક્ષ્મ માઇક્રો-ક્રિસ્ટલાઇન રચનાને જાળવી શકે છે, અને ઘટકોને વધુ ઉત્તમ યાંત્રિક ગુણધર્મો પ્રાપ્ત કરવા માટે સક્ષમ બનાવે છે. આ પ્રક્રિયા અત્યંત પાતળી સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સેરામિક શીટ્સ અને નાના સાઇઝના સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ પોઝિશનિંગ પિન્સ જેવાં ચોકસાઈભર્યા નાના ઘટકોને પ્રક્રિયા કરવા માટે યોગ્ય છે. પરંપરાગત સિન્ટરિંગ યોજનાઓની સરખામણીમાં, આખી પ્રક્રિયામાં ઓછો સમય લાગે છે, પ્રક્રિયાનો તાલ વધુ ઝડપી છે, અને સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ઘટકોના કુલ પ્રક્રિયા ચક્રને મહત્વપૂર્ણ રીતે ઘટાડી શકે છે.