กระบวนการเผาเชื่อมแบบต่าง ๆ ของซิลิคอนไนไตรด์

อะตอมของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ถูกยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง ซึ่งเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติที่ทำให้เซรามิกอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะชนิดนี้ยากมากในการเผาจนแน่นอย่างสมบูรณ์ ระหว่างกระบวนการผลิต วัสดุไม่เพียงต้องทนต่อสภาวะอุณหภูมิสูงเกิน ๑,๘๐๐ องศาเซลเซียสเท่านั้น แต่ยังจำเป็นต้องรักษาแรงดันขณะเผาเป็นเวลานานอีกด้วย สภาวะการผลิตที่รุนแรงเช่นนี้มักก่อให้เกิดปัญหาโพรงภายในและรอยแตกร้าวในชิ้นงานขั้นต้น ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพเชิงกลของวัสดุและความน่าเชื่อถือโดยรวมของฟังก์ชันการทำงาน เพื่อแก้ไขปัญหาการผลิตนี้ อุตสาหกรรมจึงได้พัฒนากระบวนการเผาแบบต่าง ๆ ขึ้นหลายวิธี

๑. การเผาแบบไม่มีแรงดัน

ในกระบวนการเตรียมซิลิคอนไนไตรด์ผ่านการเผาแบบแรงดันบรรยากาศ มีข้อขัดแย้งหลักอยู่ที่กระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของวัสดุแข่งขันกับปฏิกิริยาการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงของซิลิคอนไนไตรด์ ปัญหานี้เด่นชัดยิ่งขึ้นในระบบสูตรที่มีสารเติมแต่งที่มีแมกนีเซียมเป็นองค์ประกอบหลัก เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเพิ่มความหนาแน่นของวัสดุก่อนเผาภายใต้สภาวะแรงดันบรรยากาศ อุตสาหกรรมจึงใช้เยอทริเอียมออกไซด์ร่วมกับแมกนีเซียมออกไซด์ หรือใช้เยอทริเอียมออกไซด์ อลูมิเนียมออกไซด์ และอะลูมิเนียมไนไตรด์ร่วมกันเป็นส่วนผสมเสริมสำหรับการเผาเพื่อผลิตซิลิคอนไนไตรด์ หลังจากการตรวจสอบอย่างกว้างขวาง พบว่าสูตรสองแบบคือ เยอทริเอียมออกไซด์ + อลูมิเนียมออกไซด์ และ เยอทริเอียมออกไซด์ + แมกนีเซียมออกไซด์ ได้กลายเป็นทางเลือกหลักในตลาด กระบวนการนี้ยังไม่ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในสาขาคอมโพสิตเฉพาะทาง อย่างไรก็ตาม หากนำกระบวนการนี้ไปผสานเข้ากับเทคนิคการแปรรูปที่เหมาะสมและการตรวจสอบแบบไม่ทำลายเพื่อกำจัดข้อบกพร่องภายใน ชิ้นส่วนซิลิคอนไนไตรด์ที่ผลิตด้วยการเผาแบบแรงดันบรรยากาศสามารถนำมาใช้เป็นอุปกรณ์เสริมสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงได้

2. การเผาแบบมีปฏิกิริยา (RBSN)

การผลิตซิลิคอนไนไตรด์ที่ผ่านกระบวนการเผาแบบมีรูพรุนเริ่มต้นด้วยการเตรียมชิ้นงานเซรามิกจากผงซิลิคอนที่บดละเอียดหลังจากการอัดขึ้นรูป ชิ้นงานเหล่านี้จะถูกนำไปวางในบรรยากาศของไนโตรเจนหรือแอมโมเนีย แล้วให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิระหว่าง ๑๐๐๐ ถึง ๑๔๕๐ องศาเซลเซียส ระหว่างกระบวนการนี้ ผงซิลิคอนจะเกิดปฏิกิริยาไนไตรเดชัน ส่งผลให้เกิดเฟสผลึกผสมประกอบด้วย α-Si₃N₄ และ β-Si₃N₄ ปฏิกิริยาไนไตรเดชันนี้ทำให้ปริมาตรขยายตัวประมาณ ๒๒% แต่ช่องว่างที่เหลืออยู่ระหว่างอนุภาคในชิ้นงานดิบสามารถลดผลกระทบจากการขยายตัวนี้ได้ ระหว่างกระบวนการเผา ขนาดของชิ้นงานแทบไม่เกิดการหดตัวเลย เนื่องจากคุณสมบัตินี้ในการรักษาขนาดคงที่ กระบวนการนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตบล็อกเซรามิกทรงพิเศษ ปลอกทรงพิเศษ และฐานของแผ่นรองกระดูกสันหลัง หลังการเผาแล้ว ไม่จำเป็นต้องทำการกลึงเพิ่มเติมด้วยเครื่องมือเพชร และยังมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างมาก แม้ความพรุนของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะยังคงอยู่ที่ร้อยละ ๒๐ ถึง ๓๐ ก็ตาม ชิ้นส่วนเหล่านี้ยังคงมีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม โดยมีความแข็งแรงต่อการดัดสูงสุดถึง ๓๕๐ เมกะปาสคาล

3. การเผาอัดร้อน (HP)

กระบวนการเผาแบบร้อนภายใต้แรงดันไม่สามารถทำให้วัตถุดิบซิลิคอนไนไตรด์มีความหนาแน่นสูงขึ้นได้หากไม่เติมสารช่วยเผา ดังนั้นจึงผสมวัสดุที่มีแมกนีเซียม เช่น แมกนีเซียมออกไซด์และแมกนีเซียมไนไตรด์ ลงในระบบผงเป็นสารช่วยเผา ปริมาณการเติมสารช่วยเผาที่เหมาะสมที่สุดควรควบคุมไว้ระหว่าง 3.3–5.0 น้ำหนักเปอร์เซ็นต์ ระหว่างการประมวลผลจะใช้แรงกดเชิงกลที่ 23 เมกะพาสคาล กับวัตถุดิบ และตั้งอุณหภูมิในการเผาไว้ที่ 1800±50 องศาเซลเซียส โดยคงอุณหภูมินั้นไว้นาน 4 ถึง 18 นาที กระบวนการนี้สามารถผลิตชิ้นส่วนเซรามิกที่มีความหนาแน่นสูง โดยมีความหนาแน่นสัมพัทธ์มากกว่า 99.9% และความแข็งแรงต่อการดัดของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปอยู่ที่ 690±20 เมกะพาสคาล เนื่องจากมีความหนาแน่นสูงมาก กระบวนการเผาแบบร้อนภายใต้แรงดันจึงสามารถใช้ผลิตสินค้าที่มีข้อกำหนดด้านสมบัติเชิงกลอย่างเข้มงวด เช่น ตลับลูกปืนซิลิคอนไนไตรด์ แท่งเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ และลูกบอลทนการสึกหรอซิลิคอนไนไตรด์ วิธีการนี้ยังได้นำไปใช้จริงในระดับอุตสาหกรรมแล้ว

4. การเผาแบบใช้ความดันก๊าซ (GPS)

หน้าที่หลักของกระบวนการเผาอัดดันความดัน คือ การแก้ปัญหาอุตสาหกรรมเรื่องการสลายตัวง่ายของซิลิคอนไนไตรด์ระหว่างการเผาที่อุณหภูมิสูง กระบวนการนี้ทำได้โดยการฉีดก๊าซไนโตรเจนภายใต้ความดันสูงเข้าไปในห้องเผา จนเกิดบรรยากาศป้องกันภายใต้ความดันสูง ซึ่งสามารถย้อนกลับและยับยั้งปฏิกิริยาการสลายตัวของซิลิคอนไนไตรด์ที่อุณหภูมิสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้โครงสร้างของชิ้นงานต้นแบบคงความสมบูรณ์ และมีสมรรถนะคงที่ตลอดกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นที่อุณหภูมิสูง ด้วยประสิทธิภาพในการเพิ่มความหนาแน่นที่โดดเด่นและความเสถียรของวัสดุ กระบวนการเผาอัดดันความดันจึงสามารถผลิตภาชนะทรงกระบอก (crucibles) ทำจากซิลิคอนไนไตรด์ที่ทนความร้อนสูงในปริมาณมาก รวมทั้งท่อเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ทรงยาว และชิ้นส่วนโครงสร้างอื่นๆ ที่มีความแม่นยำสูงและทนความร้อนสูง ผลิตภัณฑ์ซิลิคอนไนไตรด์ที่ได้จากกระบวนการนี้มีสมรรถนะโดยรวมใกล้เคียงกับผลิตภัณฑ์ที่ผลิตด้วยกระบวนการเผาแบบทั่วไปอย่างมาก และมีสมรรถนะรวมที่ยอดเยี่ยม จึงมีแนวโน้มการนำไปใช้งานในเชิงอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวาง

5. ปฏิกิริยาการเผาเชื่อมรวมกับซิลิคอนไนไตรด์ (SRBSN)

เพื่อปรับปรุงพฤติกรรมการเผาเชื่อมของวัตถุดิบก่อนเผา จึงเติมอลูมินา ซิลิกา และแคลเซียมออกไซด์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบเสริมสำหรับการเผาเชื่อม ลงในผงซิลิคอนดิบ กระบวนการเตรียมทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนการให้ความร้อน ขั้นตอนแรก ดำเนินปฏิกิริยาไนไตรเดชันเป็นเวลานานในบรรยากาศที่มีไฮโดรเจน หรืออาร์กอนผสมไนโตรเจน ที่อุณหภูมิ 1400 องศาเซลเซียส เป็นระยะเวลา 150 ถึง 300 ชั่วโมง หลังจากปฏิกิริยาไนไตรเดชันเสร็จสิ้นแล้ว จึงย้ายชิ้นงานไปยังสภาพแวดล้อมการเผาเชื่อมภายใต้แรงดันสูง โดยรักษาอุณหภูมิไว้ระหว่าง 1700 ถึง 1950 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ถึง 2 ชั่วโมง ขณะเดียวกันปรับความดันของก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศให้อยู่ในช่วง 0.21 ถึง 2.1 เมกะพาสคาล ด้วยกระบวนการนี้ ความหนาแน่นของวัตถุดิบก่อนเผาสามารถเกิน 86% ของความหนาแน่นเชิงทฤษฎีได้ หากเพิ่มความดันก๊าซไนโตรเจนภายในห้องเผาเชื่อมให้สูงกว่า 10 เมกะพาสคาล ความหนาแน่นของวัตถุดิบก่อนเผาจะเพิ่มขึ้นเป็น 98% ของค่าเชิงทฤษฎี และความแข็งแรงในการดัดของชิ้นส่วนก็จะสูงถึง 750 เมกะพาสคาล ด้วยความแม่นยำในการขึ้นรูปที่ดีและต้นทุนการผลิตที่ควบคุมได้ กระบวนการนี้สามารถใช้ผลิตแหวนเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์แบบหนักพิเศษและแผ่นเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ขนาดใหญ่ได้ หลังการปรับปรุงให้มีความหนาแน่นสูงขึ้น คุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลของชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถเทียบเคียงประสิทธิภาพของชิ้นส่วนเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่ผ่านการเผาเชื่อมแบบประสิทธิภาพสูงซึ่งมีจำหน่ายในตลาดได้แล้ว

6. การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยพลาสม่าแบบปล่อยประจุ (SPS)

กระบวนการปล่อยพลาสม่าแบบปล่อยประจุอาศัยการกระทำโดยตรงของกระแสไฟฟ้าแบบเป็นจังหวะต่อบล็อกผงโลหะ และใช้ความร้อนจากความต้านทานเพื่อยกอุณหภูมิของบล็อกให้สูงขึ้นอย่างรวดเร็ว กระบวนการนี้สามารถทำให้วัสดุเกิดการรวมตัวอย่างแน่นหนาได้โดยไม่จำเป็นต้องคงอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน โหมดการแปรรูปที่ใช้อุณหภูมิสูงในช่วงเวลาสั้นๆ นี้สามารถยับยั้งการเติบโตต่อเนื่องของเม็ดผลึก หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนเฟสผิดปกติ รักษาโครงสร้างผลึกจุลภาคที่ละเอียดอ่อนไว้ได้ และทำให้ชิ้นส่วนมีคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการแปรรูปแผ่นเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่บางมากเป็นพิเศษ และหมุดตำแหน่งซิลิคอนไนไตรด์ขนาดจิ๋ว ซึ่งเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ต้องการความแม่นยำสูง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเผาแบบดั้งเดิม กระบวนการทั้งหมดใช้เวลาน้อยลง จังหวะการผลิตเร็วขึ้น และสามารถย่นระยะเวลาโดยรวมในการผลิตชิ้นส่วนซิลิคอนไนไตรด์ได้อย่างมีนัยสำคัญ