বিক্রিয়া-বন্ধিত বনাম চাপবিহীন-সিন্টার্ড SiC: ঘন সিলিকন কার্বাইড সিরামিক তৈরির দুটি ভিন্ন পথ

সিলিকন কার্বাইড সিরামিক তাদের কাঠিন্য, তাপ পরিবাহিতা, কম তাপীয় প্রসারণ এবং আক্রমণাত্মক পরিবেশের প্রতিরোধের জন্য ব্যাপকভাবে মূল্যবান।

কিন্তু SiC একটি অস্বাভাবিক প্রক্রিয়াকরণ চ্যালেঞ্জও উপস্থাপন করে।

এর শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন এবং কম পারমাণবিক বিচ্ছুরণ প্রচলিত ঘনকরণকে অত্যন্ত কঠিন করে তোলে, যা নির্মাতাদের বিশেষ সিন্টারিং প্রযুক্তি ব্যবহার করতে বাধ্য করে।

সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ শিল্প পথগুলির মধ্যে রয়েছেবিক্রিয়া বন্ধন এবংচাপবিহীন সিন্টারিং.

যদিও উভয়ই উচ্চ-কার্যকারিতা SiC সিরামিক তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়, তারা খুব ভিন্ন পদ্ধতির মাধ্যমে ঘনকরণ অর্জন করে।

বিক্রিয়া-বন্ধিত সিলিকন কার্বাইড কীভাবে তৈরি হয়

বিক্রিয়া-বন্ধিত সিলিকন কার্বাইড, প্রায়শই RB-SiC হিসাবে সংক্ষেপে পরিচিত, সাধারণত SiC পাউডার, কার্বন এবং একটি জৈব বাইন্ডারের মিশ্রণ দিয়ে শুরু হয়।

পাউডার মিশ্রণটি একটি সবুজ দেহে আকার দেওয়া হয় উচ্চ তাপমাত্রায় সিলিকন অনুপ্রবেশের আগে।

প্রক্রিয়ার সময়, গলিত বা বাষ্প-পর্যায়ের সিলিকন ছিদ্রযুক্ত সবুজ দেহে প্রবেশ করে এবং কার্বনের সাথে বিক্রিয়া করে:

Si + C → SiC

এই বিক্রিয়া মূল SiC কণাগুলির মধ্যে গৌণ সিলিকন কার্বাইড তৈরি করে।

অবশিষ্ট মুক্ত সিলিকন তখন অবশিষ্ট ছিদ্র স্থানের বেশিরভাগ অংশ দখল করে, একটি অত্যন্ত ঘন সিরামিক কাঠামো তৈরি করে।

সবুজ-দেহ ছিদ্রতা কেন গুরুত্বপূর্ণ

বিক্রিয়া সিন্টারিংয়ের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ কারণগুলির মধ্যে একটি হল সবুজ দেহের প্রাথমিক ছিদ্রতা।

সিলিকনকে অবশ্যই কাঠামোর যথেষ্ট গভীরে প্রবেশ করতে সক্ষম হতে হবে।

যদি সবুজ দেহ খুব ঘন হয়, সিলিকন অনুপ্রবেশ সীমাবদ্ধ হতে পারে।

বিক্রিয়া তখন প্রধানত পৃষ্ঠের কাছাকাছি ঘটতে পারে, যখন অপরিশোধিত কার্বন এবং ছিদ্রগুলি উপাদানের কেন্দ্রে থেকে যায়।

এই কারণে, সবুজ-দেহ ঘনত্ব সাবধানে প্রকৌশলী হতে হবে।

নির্মাতারা পরামিতিগুলি সামঞ্জস্য করে এটি নিয়ন্ত্রণ করতে পারে যার মধ্যে রয়েছে:

• SiC-থেকে-কার্বন অনুপাত
• SiC কণার আকার বিতরণ
• কার্বন কণার আকার এবং রূপবিদ্যা
• বাইন্ডার ফর্মুলেশন
• গঠন চাপ

সুতরাং সফল প্রতিক্রিয়া বন্ধন সিলিকন অনুপ্রবেশ পর্যায়ের অনেক আগে শুরু হয়।

কেন প্রতিক্রিয়া-বন্ধিত SiC বড় উপাদানগুলির জন্য উপযুক্ত

প্রতিক্রিয়া-বন্ধিত SiC এর একটি বড় সুবিধা হল প্রক্রিয়াকরণের সময় এর অত্যন্ত কম সংকোচন।

যেহেতু মাত্রিক পরিবর্তনগুলি তুলনামূলকভাবে ছোট, তাই প্রযুক্তিটিকে প্রায়শই একটি নিকট-নেট-আকৃতির উৎপাদন পথ হিসাবে বর্ণনা করা হয়।

এটি RB-SiC কে বড়, জটিল বা নির্ভুল-আকৃতির সিরামিক উপাদানগুলির জন্য আকর্ষণীয় করে তোলে।

সাধারণ পণ্যগুলির মধ্যে রয়েছে তাপ-বিনিময়কারী উপাদান, চুল্লির রোলার, অগ্রভাগ এবং বিভিন্ন কাঠামোগত অংশ।

অন্যান্য SiC সিন্টারিং পথের তুলনায় এর তুলনামূলকভাবে কম প্রক্রিয়াকরণ তাপমাত্রা এবং জটিল জ্যামিতি তৈরি করার ক্ষমতাও প্রতিক্রিয়া বন্ধনকে অর্থনৈতিকভাবে আকর্ষণীয় করে তুলতে পারে।

সেমিকন্ডাক্টর সরঞ্জামগুলিতে প্রতিক্রিয়া-বন্ধিত SiC

সেমিকন্ডাক্টর ওয়েফার আকার এবং প্রক্রিয়া তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে, SiC সিরামিকগুলি উচ্চ-তাপমাত্রা এবং রাসায়নিকভাবে চাহিদাপূর্ণ সরঞ্জাম পরিবেশে প্রচলিত উপকরণগুলির বিকল্প হিসাবে ক্রমবর্ধমান মনোযোগ আকর্ষণ করেছে।

উচ্চ-বিশুদ্ধ SiC পাউডার এবং উচ্চ-বিশুদ্ধ সিলিকন থেকে তৈরি প্রতিক্রিয়া-বন্ধিত SiC উপাদানগুলি সেমিকন্ডাক্টর এবং ইলেকট্রনিক উৎপাদন সরঞ্জামগুলিতে ফিক্সচার, সমর্থন এবং কাঠামোগত অংশগুলির জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে।

তাপীয় স্থিতিশীলতা, দৃঢ়তা এবং মাত্রিক স্থিতিশীলতার তাদের সমন্বয় বিশেষভাবে মূল্যবান যেখানে উপাদানগুলি বারবার গরম করার চক্রের সংস্পর্শে আসে।

তবে, একটি নির্দিষ্ট প্রক্রিয়া পরিবেশের জন্য RB-SiC নির্বাচন করার সময় অবশিষ্ট সিলিকন সর্বদা বিবেচনা করা উচিত।

চাপবিহীন সিন্টারিং একটি ভিন্ন পদ্ধতি গ্রহণ করে

বিক্রিয়া বন্ধনের বিপরীতে, চাপবিহীন সিন্টারিং প্রধান সিন্টারিং প্রক্রিয়ার সময় বাহ্যিক যান্ত্রিক চাপ প্রয়োগ না করে SiC ঘন করার চেষ্টা করে।

দুটি প্রধান পথ সাধারণত আলাদা করা হয়:

কঠিন-অবস্থা সিন্টারিং এবংতরল-পর্যায়ের সিন্টারিং.

যদিও উভয়ই চাপবিহীন প্রক্রিয়া, তাদের ঘনকরণ প্রক্রিয়া মৌলিকভাবে ভিন্ন।

কঠিন-অবস্থা সিন্টারিং: উচ্চ তাপমাত্রা এবং নিয়ন্ত্রিত সংযোজন

SiC প্রক্রিয়াকরণের অন্যতম মাইলফলক ছিল ১৯৭৪ সালে, যখন এস. প্রোচাজকা প্রমাণ করেছিলেন যে বোরন এবং কার্বনের অল্প পরিমাণে থাকা উচ্চ-বিশুদ্ধ β-SiC পাউডার প্রায় ২০২০°C তাপমাত্রায় ৯৮% এর বেশি আপেক্ষিক ঘনত্বের জন্য চাপবিহীনভাবে সিন্টার করা যেতে পারে।

B-C সংযোজন ব্যবস্থা SiC এর জন্য সবচেয়ে পরিচিত কঠিন-অবস্থা সিন্টারিং পদ্ধতিগুলির মধ্যে একটি।

বোরন এবং কার্বন আলাদাভাবে প্রবর্তন করা যেতে পারে, অথবা B₄C এর মতো যৌগ ব্যবহার করা যেতে পারে।

সাধারণ ঘনকরণ তাপমাত্রা প্রায় ১৯০০–২১০০°C।

অন্যান্য সংযোজন ব্যবস্থার মধ্যে রয়েছে Al-C এবং AlN-C।

অ্যালুমিনিয়াম একটি কার্যকর SiC সিন্টারিং সংযোজন, যখন AlN সংযোজন নির্দিষ্ট প্রক্রিয়াকরণ অবস্থার অধীনে অতিরিক্ত SiC শস্য বৃদ্ধি দমন করতে সাহায্য করতে পারে।

কঠিন-অবস্থা-সিন্টার্ড SiC এর সুবিধা

কঠিন-অবস্থা-সিন্টার্ড SiC চমৎকার রাসায়নিক এবং তাপীয় স্থিতিশীলতা প্রদান করতে পারে।

এর একটি বিশেষভাবে মূল্যবান বৈশিষ্ট্য হল উচ্চ তাপমাত্রায় উচ্চ যান্ত্রিক কর্মক্ষমতা বজায় রাখার ক্ষমতা।

যেহেতু ঘনকরণ একটি বড় পরিমাণে শস্য-সীমা তরল পর্যায় প্রবর্তন না করে ঘটে, তাই চূড়ান্ত উপাদান চমৎকার উচ্চ-তাপমাত্রা বৈশিষ্ট্য বজায় রাখতে পারে।

এটি কঠিন-অবস্থা-সিন্টার্ড SiC কে চাহিদাপূর্ণ কাঠামোগত এবং তাপীয় প্রয়োগের জন্য আকর্ষণীয় করে তোলে।

কেন কঠিন-অবস্থা সিন্টারিং কঠিন

এর প্রধান অসুবিধা হল প্রক্রিয়াকরণের তীব্রতা।

১৯০০–২১০০°C তাপমাত্রা উল্লেখযোগ্য শক্তি এবং বিশেষ উচ্চ-তাপমাত্রা সরঞ্জামের প্রয়োজন।

খারাপ নিয়ন্ত্রণ অস্বাভাবিক শস্য বৃদ্ধির কারণও হতে পারে, যা যান্ত্রিক কর্মক্ষমতা হ্রাস করতে পারে।

প্রায় পূর্ণ ঘনত্ব অর্জনের জন্য দীর্ঘ ধারণের সময় প্রয়োজন হতে পারে।

অতিরিক্তভাবে, প্রক্রিয়াটি পাউডার বৈশিষ্ট্যগুলির প্রতি অত্যন্ত সংবেদনশীল, যার মধ্যে রয়েছে:

কণার আকার, কণার আকার বিতরণ, বিশুদ্ধতা এবং মিশ্রণের অভিন্নতা।

তরল-পর্যায়ের সিন্টারিং: ভর পরিবহন সহজ করা

তরল-পর্যায়ের সিন্টারিং একটি বিকল্প সমাধান প্রদান করে।

সম্পূর্ণরূপে কঠিন-অবস্থা বিচ্ছুরণের উপর নির্ভর করার পরিবর্তে, নির্বাচিত সংযোজনগুলি গরম করার সময় একটি তরল পর্যায় তৈরি করে।

এই তরল SiC কণাগুলিকে ভেজায় এবং লুব্রিকেট করে, পুনর্বিন্যাসকে উৎসাহিত করে এবং ভর পরিবহনের জন্য একটি কার্যকর পথ তৈরি করে।

উদাহরণস্বরূপ, Al₂O₃ ধারণকারী সিস্টেমে, অক্সাইড SiC কণাগুলির পৃষ্ঠে স্বাভাবিকভাবে উপস্থিত SiO₂ এর সাথে মিথস্ক্রিয়া করতে পারে।

ফলাফলস্বরূপ তরল শস্য-সীমা পর্যায় ঘনকরণে সহায়তা করে।

প্রক্রিয়াটি সাধারণত একটি দ্রবীভূতকরণ-পুনরায় অধঃক্ষেপণ প্রক্রিয়া দ্বারা বর্ণিত হয়।

Al₂O₃-Y₂O₃ সিস্টেম

SiC এর জন্য ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা তরল-পর্যায়ের সিন্টারিং সংযোজন ব্যবস্থাগুলির মধ্যে একটি হল Al₂O₃-Y₂O₃।

Al₂O₃ এর সাথে Y₂O₃ প্রবর্তন উচ্চ তাপমাত্রায় অনুকূল তরল পর্যায় তৈরি করতে পারে।

প্রচলিত কঠিন-অবস্থা সিন্টারিংয়ের তুলনায়, এই পদ্ধতিটি ঘনকরণের জন্য প্রয়োজনীয় তাপমাত্রা কমাতে পারে এবং মাইক্রোস্ট্রাকচার, শক্তি এবং ফাটল সহনশীলতা উন্নত করতে পারে।

তবে, সংযোজন পর্যায়ের পরিমাণ এবং গঠন সাবধানে নিয়ন্ত্রণ করতে হবে।

অতিরিক্ত শস্য-সীমা পর্যায় উচ্চ বিশুদ্ধতা বা স্থিতিশীল উচ্চ-তাপমাত্রা কর্মক্ষমতার উপর নির্ভর করে এমন বৈশিষ্ট্যগুলিকে নেতিবাচকভাবে প্রভাবিত করতে পারে।

দুটি পথের মধ্যে নির্বাচন

বিক্রিয়া বন্ধন এবং চাপবিহীন সিন্টারিং কে কেবল প্রতিদ্বন্দ্বী প্রযুক্তি হিসাবে দেখা উচিত নয়।

তারা বিভিন্ন উৎপাদন সমস্যা সমাধান করে।

প্রতিক্রিয়া-বন্ধিত SiC বিশেষত আকর্ষণীয় যখন নিকট-নেট-আকৃতির উৎপাদন, কম সংকোচন, বড় মাত্রা এবং জটিল জ্যামিতি অগ্রাধিকার পায়।

চাপবিহীন-সিন্টার্ড SiC আকর্ষণীয় যখন SiC সিরামিকটির অন্তর্নিহিত কর্মক্ষমতা বেশি গুরুত্বপূর্ণ এবং অবশিষ্ট মুক্ত সিলিকন অবাঞ্ছিত।

চাপবিহীন সিন্টারিংয়ের মধ্যে, কঠিন-অবস্থা এবং তরল-পর্যায়ের পথগুলি আরেকটি পছন্দ উপস্থাপন করে: কঠিন-অবস্থা সিন্টারিং উচ্চ-তাপমাত্রা স্থিতিশীলতাকে অগ্রাধিকার দেয়, যখন তরল-পর্যায়ের সিন্টারিং সহজ ঘনকরণ এবং উন্নত যান্ত্রিক সহনশীলতা প্রদান করতে পারে।

সঠিক পছন্দ তাই কেবল ঘনত্বের উপর নির্ভর করে না, বরং উপাদানের জ্যামিতি, অপারেটিং তাপমাত্রা, বিশুদ্ধতার প্রয়োজনীয়তা এবং পরিবেষ্টিত প্রক্রিয়া পরিবেশের উপরও নির্ভর করে।