Maitos įrenginių supakuojamos technologijos nuolat susiduria su modernizavimo spaudimu iš taikymo scenarijų. Tai ypač akivaizdu naujosios energijos transporto priemonių traukos invertoriuose ir protingųjų elektros tinklų maitos moduliuose, kur šiluminio ciklinimo sąlygos nepersto tampa vis sunkesnės. Todėl tiesiogiai sujungtų vario (DBC) keramikos pagrindų patikimumas tapo vienu iš pagrindinių kliūčių, ribojančių visos sistemos tarnavimo laiką. Nors aliuminio oksido pagrindai jau seniai yra pagrindinis pasirinkimas dėl jų kainos ir izoliacinės naudos, jų būdinga trapumas lemia nepakankamą atsparumą įtrūkimų plitimui, todėl jie parodo ribotus galimus veikti esant dažnai šiluminiam smūgiui. Norint įveikti šį našumo lubas, cirkonio oksido sustiprintos aliuminio oksido (ZTA) sistemos siūlo realią alternatyvą. Naudojant cirkonio oksido daleles, išsklaidytas aliuminio oksido matricoje, kurių martensitinė fazės transformacija įvyksta įtempimo sąlygomis, įtrūkimo viršūnėje susidaro suspaudimo įtempimų apsauginė zona, kurios dėka žymiai padidėja atsparumas įtrūkimų susidarymui ir plitimui. Šiuo sustiprinimo mechanizmu ZTA pagrindai išlaiko puikią aliuminio oksido šiluminę laidumą, tuo pat metu reikšmingai pagerindami lūžio atsparumą, todėl užima svarbią poziciją aukšto patikimumo maitos modulių supakuojamoje technologijoje.
Tačiau šio sustiprinimo potencialo paverčiamas tikru produkto patikimumu reikalauja pirmiausia įveikti specifinius apdorojimo iššūkius, būdingus šios dviejų fazės kompozitinės sistemos paruošimui. Skirtingai nuo vienos fazės keramikos, galutinis ZTA medžiagų našumas priklauso ne tik nuo aliuminio oksido matricos sinteravimo elgsenos, bet ir nuo cirkonio oksido disperguotos fazės erdvinės pasiskirstymo būklės bei jos fazės evoliucijos kelio per terminę istoriją. Vienoje pusėje žymūs tankio ir paviršiaus chemijos skirtumai tarp dviejų komponentų daro mišrinį tirpalą labai linkusiu susilipdyti arba atskilti. Ši mikrostruktūrinė nevienalytiškumas tiesiogiai sumažina medžiagos stiprumą ir patikimumą. Kitoje pusėje cirkonio oksido sustiprinimo efektas remiasi metastabiliu tetragonaliąja fase, išlaikoma kambario temperatūroje. Net nedideliai termodinaminių sąlygų nuokrypiai sinteruojant ir vėsinant gali sukelti nenorimą savaiminę transformaciją, kuri sukelia sustiprinimo mechanizmo versiją ar net vidinę žalą. Todėl sistemingas procesų projektavimas ir optimizavimas, susijęs su miltelių išsisklaidymu, formavimo metu tankėjimu ir sinteravimo režimu, sudaro pagrindines užduotis aukšto našumo ZTA pagrindų gamybai.
Dvi pagrindinės ZTA gamybos problemos: fazės kontrolė ir mikrostruktūrinis vienodumas
Problema 1: fazės transformacijos stabilumo kontrolė
Cirkonio dalelių dalelės yra pagrindinė funkcionalioji sudedamoji dalis, leidžianti stiprinti ir padidinti ZTA kompozitinių aliuminio oksido pagrindų atsparumą pažeidimams. Jų stiprinamasis poveikis grindžiamas įtempimo sukeltu kristalinės struktūros transformacijos mechanizmu. Kai įtrūkimai susidaro ir plinta aliuminio oksido matricoje, įtempimas verčia aplinkines cirkonio daleles keisti jų kristalinę struktūrą. Susijęs tūrio padidėjimas priešinasi įtrūkimų įtempimui, trukdo tolesniam įtrūkimų plitimui ir optimizuoja detalių, tokių kaip aliuminio oksido izoliatorių ir plokščių, atsparumą pažeidimams. Kad šis stiprinamasis mechanizmas veiktų stabiliai, cirkonio dalelės turi išlaikyti metastabilią kristalinę struktūrą kambario temperatūroje ir transformuotis tik esant išoriniam apkrovimui. Jei ZTA pagrindų sinteravimo ir aušinimo metu temperatūra nesireguliuoja tinkamai, cirkonio dalelės gali savarankiškai transformuotis be išorinės jėgos. Šis nekontroliuojamas tūrio pokytis sukuria daug mikroįtrūkimų aliuminio oksido matricoje, visiškai pašalindamas stiprinamąjį poveikį ir, rimtais atvejais, tiesiogiai sukelia įtrūkimus bei pažeidimus aliuminio oksido pagrindui ar keraminiam izoliatoriui.
Iššūkis 2: mikrostruktūrinės vienalytiškumo kontrolė
Mechaninės savybės, šiluminė atsparumas ir korozijos atsparumas ZTA keraminėms pagrindinėms plokštėms, tarpinėms ir strypams labai priklauso nuo dviejų sudedamųjų medžiagų mikroskopinio pasiskirstymo vienodumo. Kai cirkonio dioksido dalelės vienodai išsklaidomos aliuminio oksido matricos grūdelių ribose, jos gali suvaržyti per didelį aliuminio oksido grūdelių augimą, padidindamos įvairių iš aliuminio oksido pagamintų detalių konstrukcinę stiprybę. Tai užtikrina pastovią kietinimą visoje plokščių ar strypų plotyje, neleisdama susidaryti našumo skirtumams dėl dalelių susikaupties. Dėl reikšmingo tankio skirtumo tarp aliuminio oksido ir cirkonio dioksido įprastinis mechaninis maišymas dažnai sukelia cirkonio dioksido dalelių nusėdimą ir susikauptį, kuriant vietines cirkonio turinčias zonas. Tai sutrikdo įvairių ZTA aliuminio profilių vienodą mikroskopinį išdėstymą ir galiausiai sumažina tokių gaminių kaip aliuminio oksido pagrindinės plokštės ir tarpinės bendrą kokybę.
Gamybos proceso optimizavimas
1. Miltelio paruošimas
Aliuminio oksido ir cirkonio oksido kompozitinių keramikinių pagrindų mikrostruktūrą nulemia miltelių kokybė. Tinkami milteliai turi atitikti penkis reikalavimus: abiejų fazės vienodą išsisklaidymą be susilipimų; smulkią dalelių dydį su siauru dydžių pasiskirstymu; daugiausia tetragonalinį cirkonį; nebuvimą kietųjų susilipimų, kad būtų vienodas formavimo pripildymas; bei tinkamą drėgmės kiekį, kad būtų išvengta štampo sukibimo ar nepakankamo dalelių sujungimo.
Įprastai naudojamos įvairios skystosios fazės metodikos vienodam sumaišymui pasiekti, įskaitant suspensijos išsisklaidymą, sol-gel ir bendrą nuosėdų susidarymą. Suspensijos išsisklaidymas remiasi dispergatoriais ir pH reguliavimu tirpalų paruošimui, reikalauja kelių etapų ir sudėtingo apdorojimo. Sol-gel ir bendro nuosėdų susidarymo metodais galima pasiekti molekuliniu lygiu sumaišymą, tačiau reikia griežtai kontroliuoti temperatūrą, pH ir reakcijos trukmę; parametrų nuokrypiai lengvai gali sukelti netinkamas reakcijas, grūdelių deformaciją ar fazės pokyčius.
Neorganinio nuosėdų dengimo procesas naudoja organinį tirpiklių sistemą, kurioje metalo pirminiai junginiai ir nuosėdų sudarymo reagentai susijungia ir nusėda, formuodami visišką dangos sluoksnį ant aliuminio oksido dalelių paviršiaus. Deginant šis šerdies-apvalkalo miltelių mišinys sukelia cirkonio oksido koncentraciją aliuminio oksido grūdelių ribose, slopindamas grūdelių augimą ir pašalindamas miltelių sukibimą.
Sumaišius komponentus, reikia purškiamosios džiovinimo granuliavimo, kad būtų gauti sferiniai milteliai su gerą tekėjimo savybe, užtikrinant vienodą formos pripildymą.
2. Slegimo formavimas
Iš laisvų keraminės medžiagos miltelių sukurti žaliąją detalę su pakankama pradine stiprumo savybe ir linkimu į vidinę vienodumą yra formavimo proceso pagrindinis tikslas. Keraminėms pagrindo produkto gamybai pramonė dažniausiai naudoja du pagrindinius būdus: kaladėlių spaudimą (vienaešį arba dviejų ašių) naudojant formą ir juostos liejimą, kai plonas suspensijos sluoksnis ištepiamas ant nešėjo.
Štampavimas dažniausiai tinka gaminiams su santykinai paprastomis formomis, tačiau reikalaujantiems aukšto tikslumo matmenims ir mechaninėms savybėms. Sunkiausia užduotis – išvengti tankio gradientų žaliame kūne. Izostatinis štampavimas, naudojantis skystį kaip slėgio perdavimo terpę, yra veiksmingas sprendimas – nes slėgis taikomas vienodai iš visų pusių, miltelių dalelės patiria subalansuotas jėgas, todėl gaunamas žalias kūnas su aukštu supakuotumo tankiu, smulkiais poromis ir gerą erdvinę vienodumą. Aliuminio oksido pagrindu sukurtoms keraminėms medžiagoms šis vienodas slėgio taikymas žymiai slopina atskilimo defektus didelėse detalėse.
Juostos liejimas parodo unikalius privalumus didelių, plonų keraminės paklotės gamyboje. Šis procesas paprastai apima šiuos veiksmus: keraminės suspensijos su tinkama reologine savybe išdėstymą plonu sluoksniu judančiu nešėju, toliau – išlyginimą, tirpiklio garavimą ir užkietėjimą, pjovimą į reikiamus matmenis, kelių sluoksnių suklijavimą ir vienodą slėgį taikymą pastovioje temperatūroje, kad būtų gautos žaliųjų juostų plokštės. Šis procesas leidžia lankstiai reguliuoti storį, todėl tinka nuo plonų iki vidutinio storio sluoksnių gamybai, ypač tikslingas aukštos tankumo supakuotų sistemų reikalaujamoms didelėms plonoms plokštėms. Visame procese suspensijos reologija labai paveikia sluoksnio kokybę ir turi būti palaikoma tinkamoje srityje. Be to, plonas sluoksnis yra jautrus aplinkos sąlygoms tirpiklio pašalinimo metu. Jei paviršiaus džiovinimas vyksta per greitai, gali susidaryti uždaras plėvelė, kuri trukdo tirpikliui toliau išeiti iš vidinės dalies, dėl ko atsiranda paviršiaus raukšlėjimas ar vidiniai defektai. Cirkonio dioksido stiprintose sistemose sausinimo režimo tikslus reguliavimas ypač svarbus dėl jų didesnio specifinio paviršiaus ploto ir paviršiaus aktyvumo, kurie padidina mikroskylų plitimo riziką. Aliuminio oksido–cirkonio dioksido kompozitinė sistema taip pat kelia griežtesnius reikalavimus suspensijos stabilumui, siaurinant juostos liejimo proceso langą.
3. Sinteravimas
Sinteravimo etapas lemia ZTA keramikos mikrostruktūros formavimą ir leidžia visiškai pasireikšti jos eksploatacinėms savybėms. Šiam procesui būtina pasiekti tris pagrindinius tikslus: visiškai sukoncentruoti medžiagą, veiksmingai užkirsti kelią per dideliam grūdelių augimui ir išlaikyti metastabilią tetragonalią cirkonio dioksido (t-ZrO₂) fazę kambario temperatūroje.
Kai svarstant apie kaitinimo pagalbinių medžiagų parinkimą, jų vaidmuo išsiplečia ne tik tuo, kad žymiai sumažina kaitinimo temperatūrą ir riboja grūdelių augimą. ZTA sistemoje tam tikros priedų medžiagos taip pat labai paveikia cirkonio dioksido fazių transformacijos elgesį. Pavyzdžiui, ittrio oksidas (Y₂O₃) gali ištirpti cirkonio dioksido gardelyje, sukuriant deguonies trūkumus, kurie padidina tetragoninės fazės struktūrinę stabilumą auštant. Kartu jis katalizuoja medžiagos pernešimą tarp dalelių, sinergiškai skatinant susiliejimą ir gerinant galutines mechanines savybes. Tačiau vienos tik vienos pagalbinės medžiagos naudojimas dažnai nepakanka visiems reikalavimams tenkinti. Pramonėje dažniausiai naudojamos daugiakomponentės priedų sistemos, kurių tikslus sudėtis ir pridėjimo kiekis turi būti optimizuoti remiantis pagrindinės formulės charakteristikomis ir technologinėmis sąlygomis, kad būtų pasiektas geriausias kompromisas tarp fazių transformacijos temperatūros kontrolės ir stiprinimo efektyvumo.
Kas liečia temperatūros profilį, įprastinis sinteravimas dažniausiai naudoja pakopomis didėjančios kaitos strategiją, pasiekiant tikslinę laikymo temperatūrą tam tikrą laiką prieš aušinimą. Susitraukimas ir porų pašalinimas vyksta pagrindiniuose sinteravimo etapuose siauroje temperatūros juostoje. Deja, šis intervalas taip pat sutampa su aktyviausiu grūdelių ribų migravimu, kuris gali lengvai sukelti greitą grūdelių augimą. Toks pernelyg intensyvus augimas ne tik sumažina galutinį tankį, bet taip pat silpnina cirkonio dioksido dalelių „priekabos“ poveikį ribų judėjimui, todėl metastabilioji tetragonali fazė destabilizuojama ir pereina į monokliniką fazę. Šiam sunkumui įveikti naujausi pasiekimai apima naujoviškas technologijas, pvz., dviejų etapų sinteravimą, karštojo presavimo metodą (mechaninės apkrovos taikymą) ir žvakės plazmos sinteravimą (pagrįstą plazmos aktyvinimo efektais). Šios metodikos leidžia pasiekti tankėjimą santykinai mažesnėmis šiluminėmis sąlygomis, veiksmingai kontroliuojant grūdelių dydį ir tuo pačiu išsaugant tetragonales fazės funkcinį potencialą. Be to, neturėtų būti nepaisoma kaitinimo ir aušinimo greičio. Per stiprus šiluminis smūgis gali lengvai sukelti įtrūkimus ar likusią įtempimą kūne, todėl pažeidžiama konstrukcijos vientisumas ir eksploatacinė patikimumas.
Išvada
ZTA keraminės pagrindinės plokštės reikšmingas našumo pagerėjimas esminiu būdu priklauso nuo tikslaus dviejų medžiagos vidinės mikrostruktūros parametrų kontrolės: pasiekiant aukštą „vienodumo“ laipsnį ir tiksliai reguliuojant „fazės transformacijos elgseną“. Visame gamybos procese – nuo pradinėje stadijoje veiksmingos miltelių savybių valdymo, per vienodai tankios žaliavos kūno formavimą, iki metastabilių fazės išlaikymo galutiniame sinteravimo etape – kiekvienas veiksmas giliai veikia cirkonio komponento erdvinę pasiskirstymą ir jo fazės transformacijos atsako gebėjimą. Tik sistemingai nustatant ir sinergiškai optimizuojant kiekvieno proceso etapo pagrindinius veiksnius ZTA keraminės medžiagos gali pilnai realizuoti savo stiprinimo potencialą, tuo pat metu išlaikydamos puikią šilumos laidumą. Tai leidžia jiems atitikti didelės įtampos ir didelės galios taikymo scenarijuose keliamus griežtus reikalavimus ilgalaikiam stabiliam veikimui ir tarnavimo trukmei, taip užtikrinant tvirtesnę medžiagų bazę kitos kartos energijos elektronikos modulių inžineriniam tobulėjimui.
EN
