Atom-atom dalam seramik nitrida silikon diikat bersama melalui ikatan kovalen yang kuat, iaitu sifat semula jadi yang menjadikan seramik anorganik bukan logam ini sangat sukar untuk mencapai pensinteran padat. Semasa proses, ia tidak hanya perlu menahan persekitaran suhu tinggi melebihi 1800℃, tetapi juga perlu mengekalkan tekanan pensinteran untuk tempoh yang panjang. Persekitaran pemprosesan yang ekstrem ini cenderung menyebabkan poros dalaman dan masalah retak dalam badan hijau, secara langsung melemahkan prestasi mekanikal bahan dan kebolehpercayaan fungsional keseluruhannya. Untuk menyelesaikan masalah penyediaan ini, industri telah membangunkan pelbagai proses pensinteran yang berbeza.
1. Pensinteran tanpa tekanan
Dalam proses penyediaan silikon nitrida melalui pembakaran tekanan atmosfera, terdapat kontradiksi utama: proses pemadatan bahan bersaing dengan tindak balas penguraian suhu tinggi silikon nitrida. Masalah ini menjadi lebih ketara dalam sistem formulasi yang mengandungi aditif berbasis magnesium. Untuk meningkatkan kesan pemadatan badan hijau di bawah keadaan atmosfera, industri menggunakan kombinasi oksida itrium dan oksida magnesium, atau kombinasi oksida itrium, oksida aluminium, dan nitrida aluminium sebagai komponen bantu pembakaran bagi penyediaan silikon nitrida. Selepas pengesahan meluas, dua formulasi—oksida itrium + oksida aluminium dan oksida itrium + oksida magnesium—telah menjadi pilihan utama di pasaran. Proses ini belum lagi digunakan secara meluas dalam bidang komposit khusus. Namun, selagi digabungkan dengan teknik pemprosesan yang sesuai dan ujian bukan merosakkan untuk menghilangkan cacat dalaman, komponen silikon nitrida yang dihasilkan melalui pembakaran tekanan atmosfera boleh digunakan sebagai aksesori peralatan berkebolehpercayaan tinggi.
2. Sintering Tindak Balas (RBSN)
Penghasilan silikon nitrida berporos melalui proses sintering tindak balas bermula dengan penyediaan rintisan seramik daripada serbuk silikon halus selepas rawatan mampatan. Rintisan tersebut diletakkan dalam atmosfera nitrogen atau ammonia dan dipanaskan secara berterusan pada julat suhu 1000–1450°C. Semasa proses ini, serbuk silikon mengalami tindak balas nitridasi, menghasilkan fasa kristal campuran yang terdiri daripada α-Si3N4 dan β-Si3N4. Proses nitridasi ini menyebabkan pengembangan isipadu sekitar 22%, tetapi ruang kosong yang tertinggal di antara zarah-zarah rintisan dapat menyeimbangkan kesan pengembangan ini. Semasa proses sintering, saiz rintisan hampir tidak mengalami deformasi susut. Disebabkan ciri pengekalan saiz yang tetap ini, proses ini sangat sesuai untuk pembuatan blok seramik berbentuk khas, galas berbentuk khas, dan tapak penyangga intervertebral. Selepas sintering, tiada pemesinan lanjut menggunakan alat berlian diperlukan, menjadikannya mempunyai kelebihan kos yang ketara. Walaupun keporosan produk akhir kekal pada 20%–30%, komponen-komponen ini masih mengekalkan sifat mekanikal yang sangat baik, dengan kekuatan lentur sehingga 350 MPa.
3. Pemampatan Tekanan Panas (HP)
Proses pensinteran tekan-panas tidak dapat memadatkan pra-bentuk nitrida silikon tanpa penambahan sebarang bahan tambah. Oleh itu, bahan berbasis magnesium seperti magnesium oksida dan magnesium nitrida dicampur ke dalam sistem serbuk sebagai bahan bantu pensinteran. Jumlah penambahan optimum bahan tambah ini lebih baik dikawal dalam julat 3.3–5.0 berat%. Semasa pemprosesan, tekanan mekanikal sebanyak 23 MPa dikenakan ke atas pra-bentuk, manakala suhu pensinteran ditetapkan pada 1800±50℃ dengan masa tahan antara 4 hingga 18 minit. Proses ini mampu menghasilkan komponen seramik padat dengan ketumpatan relatif melebihi 99.9%, dan kekuatan lenturan produk akhir boleh mencapai 690±20 MPa. Dengan ketumpatan yang sangat tinggi ini, proses pensinteran tekan-panas boleh digunakan untuk menghasilkan produk yang mempunyai keperluan prestasi mekanikal yang ketat, seperti galas nitrida silikon, rod seramik nitrida silikon, dan bola tahan haus nitrida silikon. Penyelesaian ini juga telah dilaksanakan dalam penerokaan industri.
4. Pensinteran Tekanan Gas (GPS)
Fungsi utama proses pensinteran tekanan ialah menyelesaikan masalah industri mengenai kecenderungan penguraian silikon nitrida semasa pensinteran suhu tinggi. Proses ini mencapainya dengan memasukkan gas nitrogen bertekanan tinggi ke dalam ruang pensinteran, mencipta suasana pelindung bertekanan tinggi yang secara berkesan membalikkan dan menghalang tindak balas penguraian silikon nitrida pada suhu tinggi, serta memastikan integriti struktur dan prestasi stabil prabentuk semasa proses pemadatan suhu tinggi. Dengan kesan pemadatan yang cemerlang dan kestabilan bahan yang tinggi, proses pensinteran tekanan mampu menghasilkan krusibel silikon nitrida tahan suhu tinggi berskala besar dan tiub seramik silikon nitrida berbentuk tiub panjang, serta komponen struktur lain yang memerlukan ketepatan tinggi dan ketahanan suhu tinggi. Produk silikon nitrida yang disediakan melalui proses ini mempunyai prestasi keseluruhan yang sangat mirip dengan produk yang dihasilkan melalui proses pensinteran utama, serta menunjukkan prestasi menyeluruh yang luar biasa, membuka prospek aplikasi industri yang luas.
5. Tindak balas pensinteran yang digabungkan dengan nitrida silikon (SRBSN)
Untuk memperbaiki tingkah laku sintering bahan mentah berbentuk hijau, alumina, silika dan kalsium oksida—yang merupakan komponen sintering tambahan—ditambahkan ke dalam serbuk silikon. Keseluruhan proses penyediaan dibahagikan kepada dua peringkat pemanasan. Pertama-tama, dalam atmosfera yang mengandungi hidrogen atau argon dan nitrogen, tindak balas nitridasi jangka panjang dijalankan pada suhu 1400℃ selama 150 hingga 300 jam. Selepas penyelesaian nitridasi, bahan dipindahkan ke persekitaran sintering tekanan tinggi, di mana ia ditahan pada julat suhu 1700 hingga 1950℃ selama 1 hingga 2 jam. Tekanan gas nitrogen dalam persekitaran tersebut disesuaikan supaya berada dalam julat 0.21 hingga 2.1 MPa. Melalui proses ini, ketumpatan bahan mentah berbentuk hijau boleh melebihi 86% daripada ketumpatan teori. Jika tekanan gas nitrogen di dalam ruang sintering ditingkatkan lagi sehingga melebihi 10 MPa, ketumpatan bahan mentah berbentuk hijau boleh meningkat sehingga 98% daripada nilai teori, manakala kekuatan lenturan komponen juga boleh mencapai 750 MPa. Dengan ketepatan pembentukan yang baik dan kos pemprosesan yang boleh dikawal, proses ini boleh digunakan untuk menghasilkan cincin seramik silicon nitrida berat serta plat seramik silicon nitrida bersaiz besar. Selepas pengubahsuaian pemadatan, sifat fizikal dan mekanikal komponen-komponen ini telah mampu menyamai prestasi komponen seramik silicon nitrida terpateri berprestasi tinggi di pasaran.
6. Peleburan Plasma Pembebasan (SPS)
Proses peleburan plasma pembebasan bergantung pada tindakan langsung arus berdenyut terhadap bongkah serbuk, serta menggunakan pemanasan rintangan untuk meningkatkan suhu bongkah secara pesat. Proses ini mampu mencapai pemadatan padat tanpa memerlukan penahanan suhu tinggi dalam jangka panjang. Modus pemprosesan suhu tinggi jangka pendek ini dapat menghalang pertumbuhan butir hablur yang berterusan, mengelakkan transformasi fasa tidak normal, mengekalkan struktur mikro-hablur halus bahan tersebut, dan membolehkan komponen memperoleh sifat mekanikal yang lebih unggul. Proses ini sesuai untuk memproses kepingan seramik nitrida silikon ultra-nipis dan pin penentuan kedudukan nitrida silikon bersaiz kecil, iaitu komponen presisi bersaiz kecil. Berbanding dengan skema pembakaran konvensional, keseluruhan proses ini mengambil masa yang lebih singkat, irama pemprosesan lebih pantas, dan boleh memendekkan secara ketara kitaran pemprosesan keseluruhan komponen nitrida silikon.
EN
