पाउडर से ठोस सिरेमिक तक: आकार देने और सिंटरिंग के तरीके
अकेले SiC पाउडर एक मजबूत, सघन सिरेमिक नहीं है। एक ठोस वस्तु बनाने के लिए, पाउडर को आकार देना होगा और फिर सिंटरिंग नामक प्रक्रिया में एक साथ मिलाना होगा। मुख्य चुनौती यह है कि SiC में मजबूत सहसंयोजक बंधन होते हैं, जिससे सिंटर करना बहुत मुश्किल हो जाता है। इसलिए, विशेष तकनीकों की आवश्यकता है. तीन मुख्य विधियाँ हैं:
1. सिंटरिंग (सॉलिड-स्टेट सिंटरिंग)
जटिल आकार के घटकों को बनाने की यह सबसे आम विधि है।
# मिश्रण: SiC पाउडर को सिंटरिंग सहायता के साथ मिलाया जाता है, आमतौर पर बोरान (बी) और कार्बन (सी) की थोड़ी मात्रा। कार्बन SiC कणों पर ऑक्साइड परत को हटाने में मदद करता है, और बोरान परमाणु प्रसार को बढ़ावा देता है।
# आकार देना: पाउडर मिश्रण को एक "हरित पिंड" (एक बिना दाग वाला रूप) का आकार दिया जाता है। यह इसके द्वारा किया जा सकता है:
* ड्राई प्रेसिंग: साधारण आकृतियों के लिए एकअक्षीय या आइसोस्टैटिक प्रेसिंग।
* एक्सट्रूज़न: ट्यूब या रॉड जैसी लंबी, निरंतर आकृतियों के लिए।
* इंजेक्शन मोल्डिंग: बहुत जटिल और पेचीदा आकृतियों के लिए।
# सिंटरिंग: हरे शरीर को लगभग 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F) तापमान पर निष्क्रिय वातावरण (जैसे आर्गन) में गर्म किया जाता है। इस तापमान पर, कण संपर्क के बिंदुओं पर एक-दूसरे में फैल जाते हैं, एक साथ जुड़कर न्यूनतम सरंध्रता के साथ घने, ठोस सिरेमिक बनाते हैं।
परिणाम: सिंटर्ड सिलिकॉन कार्बाइड (एसएसआईसीसी)। इसमें उच्च शुद्धता, उत्कृष्ट पहनने का प्रतिरोध और अच्छी यांत्रिक शक्ति है।
2. रिएक्शन बॉन्डिंग (या सिलिकॉनाइजिंग)
यह विधि न्यूनतम संकोचन के साथ एक निकट-जाल-आकार वाला भाग बनाती है।
# आकार देना: SiC पाउडर और कार्बन (उदाहरण के लिए, ग्रेफाइट) का मिश्रण एक छिद्रपूर्ण हरे शरीर में बनता है।
# घुसपैठ: फिर हरे शरीर को वैक्यूम के तहत भट्टी में पिघली हुई सिलिकॉन धातु (Si) के संपर्क में रखा जाता है।
# प्रतिक्रिया: पिघला हुआ सिलिकॉन केशिका क्रिया द्वारा छिद्रित शरीर में खींचा जाता है। फिर यह शरीर के भीतर कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करके नया सिलिकॉन कार्बाइड (Si + C → SiC) बनाता है, जो मूल SiC कणों को एक साथ बांधता है।
# अतिरिक्त सिलिकॉन: प्रतिक्रिया से नहीं भरे गए कोई भी स्थान अवशिष्ट सिलिकॉन धातु से भर जाता है।
परिणाम: रिएक्शन-बॉन्डेड सिलिकॉन कार्बाइड (आरबीएससी) या सिलिकॉनाइज्ड सिलिकॉन कार्बाइड। यह SSiC से सघन है लेकिन इसमें 5-15% मुक्त सिलिकॉन होता है, जो SSiC की तुलना में इसकी उच्च तापमान शक्ति और रासायनिक प्रतिरोध को कम करता है।
3. गरम दबाव
यह विधि उच्चतम घनत्व और ताकत पैदा करती है लेकिन अधिक महंगी है और साधारण आकृतियों तक सीमित है।
# प्रक्रिया: SiC पाउडर (सिंटरिंग सहायता के साथ) को एक डाई में रखा जाता है, जो आमतौर पर ग्रेफाइट से बना होता है।
# एक साथ गर्मी और दबाव: डाई को सिंटरिंग तापमान (~ 1900 डिग्री सेल्सियस - 2000 डिग्री सेल्सियस) तक गर्म किया जाता है, साथ ही साथ बहुत अधिक एकअक्षीय दबाव (दसियों एमपीए) लगाया जाता है।
# लाभ: गर्मी और दबाव का संयोजन दबाव रहित सिंटरिंग की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से और कम तापमान पर घनत्व को संचालित करता है।
परिणाम: हॉट-प्रेस्ड सिलिकॉन कार्बाइड (HPSiC)। इसमें बेहतर यांत्रिक गुण हैं लेकिन आम तौर पर इसे प्लेट या ब्लॉक जैसे सरल आकार के रूप में उत्पादित किया जाता है जिसके लिए हीरे के उपकरणों के साथ बाद की मशीनिंग की आवश्यकता होती है।
अंतिम चरण: मशीनिंग
सिंटरिंग के बाद, घटक अपने अंतिम आकार के करीब होता है लेकिन अक्सर सटीक मशीनिंग की आवश्यकता होती है। चूँकि SiC अत्यधिक कठोर है (Mohs पैमाने पर 9.5, हीरे के करीब), यह केवल हीरे-संसेचित पीसने वाले पहियों या उपकरणों का उपयोग करके किया जा सकता है।
संक्षेप में, सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक बनाना एक बहु-चरणीय प्रक्रिया है जिसमें पहले अल्ट्रा-हार्ड पाउडर को संश्लेषित करना और फिर इसे एक मजबूत, टिकाऊ इंजीनियरिंग सामग्री में सघन करने के लिए विशेष, उच्च तापमान तकनीकों का उपयोग करना शामिल है।
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