תהליכים שונים של שינור ניטריד הסיליקון

האטומים של קרמיקה ניטריד הסיליקון מחוברים זה לזה באמצעות קשרים קוולנטיים חזקים, מה שמהווה תכונה פנימית הפועלת נגד השגת סינטירציה צפופה של קרמיקה אי-אורגנית לא מתכתית זו. במהלך העיבוד, יש לא רק לסבול סביבת טמפרטורה גבוהה של יותר מ-1800°צ, אלא גם לשמור על לחץ סינטירציה לאורך זמן. הסביבה הקיצונית לעיבוד גורמת בקלות ליצירת חורים פנימיים וקריעות בגוף הלא מאופר, מה שמערער ישירות את הביצועים המכאניים של החומר ואת האמינות הפונקציונלית הכוללת שלו. כדי לפתור בעיה זו בהכנה, פיתחה התעשייה מגוון תהליכי סינטירציה שונים.

1. סינטירציה ללא לחץ

בתהליך הכנת ניטריד הסיליקון באמצעות שינור בלחץ אטמוספירי קיימת סתירה מרכזית: תהליך ההצפיפות של החומר מתחרה עם התגובה התרמית לשבירה של ניטריד הסיליקון בטמפרטורות גבוהות. בעיה זו מתבהרת יותר במערכות תבנית הכוללות תוספים מבוססי מגנזיום. כדי לשפר את יעילות ההצפיפות של הגוף הלא מאופר בתנאי אטמוספירה, התעשייה משתמשת באוקسيد yttrium בשילוב עם אוקسيد מגנזיום, או באוקسيد yttrium, אוקسيد אלומיניום וניטריד אלומיניום כרכיבי עזר לשינור להכנת ניטריד הסיליקון. לאחר אימות נרחב, שתי תבניות האוקسيد yttrium + אוקسيد אלומיניום והאוקسيد yttrium + אוקسيد מגנזיום הפכו לבחירות העיקריות בשוק. תהליך זה עדיין לא הוטמע באופן רחבה בתחומים מיוחדים של חומרים מרוכבים. עם זאת, כל עוד הוא משולב בטכניקות עיבוד מתאימות ובבדיקות לא פוגענות שמבודדות את החסרונות הפנימיים, רכיבי ניטריד הסיליקון המיוצרים על ידי שינור בלחץ אטמוספירי ניתנים לשימוש בגדי ציוד בעלי אמינות גבוהה.

2. שינון תגובה (RBSN)

ייצור ניטריד הסיליקון המגיב הנקבובי מתחיל בהכנה של בלוקים קרמיים מחומר סיליקון טחון עדין לאחר טיפול דחיסה. הבלוקים מוצבים באטמוספרת חנקן או אמוניה ומחוממים באופן רציף בטמפרטורה שבין 1000 ל-1450 מעלות צלזיוס. במהלך התהליך, חומר הסיליקון עובר תגובה ניטרידציה, מה שמייצר פאזה משולבת של גבישים הכוללת את α-Si3N4 ו-β-Si3N4. תהליך הניטרידציה גורם להתרחבות נפחית של כ-22%, אך הנקבוביות שנשארות בין חלקיקי הבלוק מסייעות למתן השפעת ההתרחבות הזו. במהלך תהליך השיניר, גודל הבלוק כמעט ולא עובר עיוות התכווצות. בזכות התכונה הזו של שמירת גודל קבוע, התהליך מתאים במיוחד לייצור בלוקים קרמיים בעלי צורות מיוחדות, בושינג בעלי צורות מיוחדות, והבסיס של מפרידים בין עצמות החוליות. לאחר השיניר, אין צורך בעיבוד נוסף באמצעות כלים יהלומיים, מה שנותן יתרון משמעותי בעלויות. גם אם רמת הנקבוביות של המוצר הסופי נשארת בטווח של 20%–30%, הרכיבים הללו שומרים על תכונות מכניות מעולות, עם חוזק קיפוף של עד 350 MPa.

3. סינטירינג בהלחיצה חמה (HP)

תהליך השינור בהלחצה חמה אינו מסוגל להצפין את הפורמה של ניטריד הסיליקון ללא הוספת חומרים עוזרים. לכן, מערבבים לתערובת האבקה חומרים מבוססי מגנזיום כגון אוקسيد המגנזיום וניטריד המגנזיום כחומר עוזר לשינור. הכמות האופטימלית של החומר העוזר היא עדיף לשלוט בטווח של 3.3–5.0% לפי משקל. במהלך התהליך, מפעילים לחץ מכני של 23 מפ"א על הפורמה, וטמפרטורת השינור מוגדרת ב-1800±50°צ, עם זמן השהיה של 4–18 דקות. תהליך זה מייצר חלקים קרמיים צפופים בעלי צפיפות יחסית גבוהה מ-99.9%, ועוצמת הקיפוף של המוצר הסופי מגיעה ל-690±20 מפ"א. בזכות הצפיפות הגבוהה ביותר שלו, ניתן להשתמש בתהליך השינור בהלחצה חמה לייצור מוצרים שדורשים דרישות מכאניות קפדניות, כגון גלגלות ניטריד סיליקון, מוטות קרמיים של ניטריד סיליקון וכדורים مقاומים לבלאי של ניטריד סיליקון. פתרון זה יושם גם בתהליכי התעשייה.

4.סינטור בלחץ גז (GPS)

התפקוד המרכזי של תהליך הסינטיריזציה תחת לחץ הוא לפתור את הבעיה התעשייתית של פירוק קל של ניטריד סיליקון במהלך סינטיריזציה בטמפרטורות גבוהות. תהליך זה מצליח בכך על ידי הזרמת גז חנקן תחת לחץ גבוה לתא הסינטיריזציה, מה שיוצר אטמוספירה מגנה תחת לחץ גבוה, אשר מאיטה ומעכבת ביעילות את התגובה לפירוק ניטריד הסיליקון בטמפרטורות גבוהות, ומבטיחה את שלמות המבנה ואת הביצועים היציבים של הפרה-פורם בתהליך הצפיפות בטמפרטורות גבוהות. בזכות האפקט המצוין של הצפיפה והיציבות החומרית, תהליך הסינטיריזציה תחת לחץ מסוגל לייצר כוסות ניטריד סיליקון עמידות לטמפרטורות גבוהות בקנה מידה גדול, צינורות קרמיים ארוכים מניטריד סיליקון, וכן רכיבי מבנה אחרים בעלי דיוק גבוה ועמידות לטמפרטורות גבוהות. המוצרים מניטריד סיליקון שמיוצרים בתהליך זה מציגים ביצועים כלליים דומים מאוד לאלו שמיוצרים בתהליכי סינטיריזציה נפוצים, ובעלי ביצועים משולבים מעולים, מה שמציג אפשרויות רחבות ליישום תעשייתי.

5. תגובה של סינטירינג בשילוב ניטריד סיליקון (SRBSN)

כדי לשפר את התנהגות הסינטיר של הגופים הירוקים, מוסיפים לחומר הגלם של אבקת הסיליקון רכיבי סינטיר עזר: אלומינה, סיליקה ותחמוצת סידן. תהליך ההכנה הכולל מחולק לשני שלבים חימום. ראשית, מבצעים תגובה ממושכת של ניטרידה באטמוספירה המכילה מימן או ארגון וחנקן, בטמפרטורה של 1400°צ, במשך 150–300 שעות. לאחר השלמת הניטרידה, מעבירים את החומר לסביבת סינטיר בלחץ גבוה, שם שומרים אותו בטמפרטורה שבין 1700 ל-1950°צ, במשך שעה עד שעתיים. לוחצים את לחץ גז החנקן בסביבה לטווח של 0.21–2.1 מגה-פסקל. בתהליך זה, הצפיפות של הגופים הירוקים יכולה לעלות על 86% מהצפיפות התיאורטית. אם מגדילים את לחץ גז החנקן בתוך תא הסינטיר מעבר ל-10 מגה-פסקל, הצפיפות של הגופים הירוקים עולה ל-98% מהערך התיאורטי, והחוזק לקיפוף של הרכיבים מגיע ל-750 מגה-פסקל. עם דיוק טוב בהרכבה ועם עלויות עיבוד ניתנות לשליטה, ניתן להשתמש בתהליך זה לייצור טבעות קרמיות מסיליקון ניטריד למשימות כבדות ולצלחות קרמיות גדולות מסיליקון ניטריד. לאחר השינוי להגבהה, התכונות הפיזיות והמיכניות של הרכיבים הללו כבר מתאימות לביצועים של חלקים קרמיים מסיליקון ניטריד בעלי ביצועים גבוהים שזמינים בשוק.

6. סינטיר פלזמה מפריק (SPS)

תהליך הסינטיר של פלזמה מפריק מסתמך על הפעולה הישירה של זרם מופסק על חומר פרוס, ומשתמש בחימום התנגדותי כדי להעלות במהירות את הטמפרטורה של החומר הפרוס. ניתן להשיג הקשה צפופה ללא צורך בהחזקת טמפרטורה גבוהה לאורך זמן. שיטת עיבוד זו, המתרחשת בטמפרטורה גבוהה לתקופה קצרה, יכולה לעכב את הגידול ההדרגתי של גרגרי היסטיל, למנוע המרה פאזה בלתי רגילה, לשמר את המבנה המיקרו-קריסטלי הדק של החומר, ולהשיג תכונות מכניות משופרות יותר ברכיבים. תהליך זה מתאים לעיבוד דפי קרמיקה של ניטריד סיליקון דקים במיוחד וסיכות מיקוד מיקרו של ניטריד סיליקון, שהם חלקים קטנים ומדוייקים. בהשוואה לסכמות סינטיר קונבנציונליות, התהליך כולו דורש פחות זמן, קצב העיבוד מהיר יותר, וניתן לקצר באופן משמעותי את מחזור העיבוד הכולל של רכיבי ניטריד סיליקון.