من مسحوق واحد إلى مكونات هيكلية من السيراميك الألومينا: استكشاف المساعدين غير المرئيين الذين يقفون وراءهم
تُستخدم مكونات سيراميك الألومينا، بخصائصها الممتازة كالصلابة العالية، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، والعزل الحراري الجيد، على نطاق واسع في الإلكترونيات، والطب، والفضاء، وغيرها من المجالات. وتنتشر مكونات سيراميك الألومينا في كل مكان، من المكونات الإلكترونية الدقيقة إلى الأجزاء الميكانيكية في البيئات القاسية. إلا أن إضافة الماء إلى مسحوق الألومينا وحرقه في درجات حرارة عالية لا يُنتج هذه المكونات السيراميكية عالية الأداء ذات الخصائص الممتازة مباشرةً. وهنا يأتي دور الإضافات.
تصل درجة انصهار الألومينا النقية إلى ٢٠٥٠ درجة مئوية، وعادةً ما تتطلب درجة حرارة التلبيد أعلى من ١٦٠٠ درجة مئوية. هذا لا يؤدي فقط إلى استهلاك مرتفع للطاقة، بل يُسبب أيضًا خشونة الحبيبات وانخفاضًا في الأداء. إضافةً إلى ذلك، تتميز الألومينا نفسها بهشاشتها العالية، والسيراميك المُلَبَّد مباشرةً عرضة للتشقق، مما يُصعِّب تلبية متطلبات الأجهزة الدقيقة. وظائف المواد المضافة هي كما يلي:
① تقليل درجة حرارة التلبيد (توفير الطاقة وخفض التكلفة)؛
② تحسين الكثافة (تقليل المسام وتعزيز القوة)؛
③ تحسين بنية حدود الحبوب (تحسين الصلابة ومقاومة الصدمات الحرارية)؛
④ تنظيم الخصائص الكهربائية/الحرارية (مثل العزل والتوصيل الحراري).
تقدم هذه المقالة بعض الإضافات المستخدمة بشكل شائع:
1. التدفقات: خفض درجة حرارة التلبيد وتحسين الكثافة.
تتميز الألومينا بنقطة انصهار عالية، والتلبيد المباشر لا يستهلك طاقة هائلة فحسب، بل يفرض أيضًا متطلبات عالية جدًا على المعدات. وقد ساهم ظهور المواد المانعة للتسرب في حل هذه المشكلة بفعالية. فهو يشبه منظم درجة الحرارة، إذ يُخفّض درجة حرارة تلبيد سيراميك الألومينا، مما يزيد من كفاءة عملية التلبيد وتوفير الطاقة.
(1) يُعدّ ثاني أكسيد التيتانيوم (ثاني أكسيد التيتانيوم₂) أحد المواد المُصهِرة الشائعة. أثناء عملية التلبيد، يُمكن أن يتفاعل مع الألومينا لتكوين مادة يوتكتيكية، مما يُخفّض درجة حرارة ظهور الطور السائل. يُشبه هذا عملية الطهي، حيث يُمكن لإضافة بعض التوابل الخاصة أن تُسرّع من عملية طهي المكونات إلى حالة الطهي المثالية.إن استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم كمادة مضافة لا يمكن أن يقلل من درجة حرارة التلبيد فحسب، بل يحسن أيضًا صلابة سيراميك الألومينا إلى حد ما.على سبيل المثال، في بعض قواطع السيراميك الألومينا المستخدمة في عمليات القطع، فإن إضافة كمية مناسبة من ثاني أكسيد التيتانيوم يمكن أن يجعل القواطع أكثر مقاومة للتآكل مع الحفاظ على صلابة عالية، وبالتالي إطالة عمر خدمتها.
(2) أكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) هو أيضًا مادة مهمة.يمكنه منع التحول البلوري للطور الألومينا في درجات الحرارة العالية، مما يحافظ على استقرار البنية الخزفية.بالنسبة لمنتجات السيراميك الألومينا ذات المتطلبات العالية للغاية للاستقرار الحراري، مثل قواعد المكونات الإلكترونية المستخدمة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، فإن إضافة أكسيد الإيتريوم يمكن أن يمنح المكونات السيراميكية مقاومة جيدة للصدمات الحرارية، مما يجعلها أقل عرضة للتشقق في البيئات ذات التغيرات السريعة في درجات الحرارة.
(3) أكسيد الكالسيوم (أكسيد الكالسيوم) له أيضًا تأثير في خفض درجة حرارة التلبيد. ويمكنهتشكيل مادة إيتكتيكية مع الألومينا، مما يقلل من استهلاك الطاقة، في حين يمنع نمو الحبوب المفرط، مما يساعد على الحصول على السيراميك مع بنية حبيبية دقيقة.عادةً ما تتميز السيراميكات ذات البنية الدقيقة بقوة وصلابة أعلى. في بعض أجزاء سيراميك الألومينا التي تتطلب تحمل قوى خارجية كبيرة، مثل المكونات المقاومة للتآكل في المعدات الميكانيكية، يُمكن لإضافة أكسيد الكالسيوم تحسين أداء هذه الأجزاء.
2. عوامل التعزيز والتصلب: تعمل على تحسين صلابة الكسر وتقليل الهشاشة.
على الرغم من أن سيراميك الألومينا يتمتع بصلابة عالية، إلا أن صلابته ضعيفة نسبيًا، مما يجعله عرضة للكسر الهش عند تعرضه للصدمات الخارجية. إن ظهور عوامل التعزيز والتصلب يُشبه وضع طبقة من "ددهاهارمدددد" على مكونات سيراميك الألومينا، مما يُعزز قوتها ومتانتها بفعالية.
كربيد السيليكونكربيد السيليكون (كربيد السيليكون) هو عامل تقوية وتصلب شائع الاستخدام. تتوزع جزيئاته بالتساوي في مصفوفة الألومينا.عندما يتعرض المكون الخزفي لقوى خارجية، فإن جزيئات كربيد السيليكون يمكن أن تعيق انتشار الشقوق.يشبه هذا وضع عوائق على الطريق: عندما يصطدم شق بهذه الجسيمات، فإنه يغير اتجاه انتشاره، مما يستهلك طاقة أكبر ويجعل المكون الخزفي أقل عرضة للكسر. في محامل سيراميك الألومينا المستخدمة في بيئات عالية الأحمال، يمكن أن تؤدي إضافة كربيد السيليكون إلى تحسين قدرة التحمل وعمر خدمة المحامل بشكل كبير.
نتريد البورون(ب ن) هو أيضًا عضو في عائلة عوامل التعزيز والتصلب.يمكن تحسين أداء الاحتكاك للسيراميك وتعزيز قوته ومتانتهفي بعض مكونات سيراميك الألومينا التي تتطلب أداء احتكاك جيدًا، مثل حلقات السيراميك المستخدمة في الختم، يمكن لإضافة نتريد البورون تقليل الاحتكاك والتآكل بين المكونات، وتحسين فعالية الختم، وتعزيز متانة المكونات وزيادة متانتها. ومع ذلك، إذا تجاوزت نسبة الإضافة 10%، فقد تنخفض صلابتها، لذا من الضروري موازنة قابلية التزييت والمتانة.
3. الإضافات الوظيفية: ضبط الخصائص الكهربائية أو الحرارية أو البصرية
بالإضافة إلى تحسين الخصائص الأساسية، يمكن للمضافات الوظيفية أيضًا أن تمنح مكونات السيراميك الألومينا بعض الخصائص الفريدة لتلبية احتياجات المجالات المختلفة.
(1)أكاسيد العناصر الأرضية النادرة، مثل اللانثانوم والسيريوم، هي "h السحرة" لتحسين الخواص الكهربائية. في بعض مكونات سيراميك الألومينا المستخدمة في مجال الإلكترونيات، مثل ركائز السيراميك للدوائر عالية التردد،يمكن أن يؤدي إضافة أكاسيد الأرض النادرة إلى تعديل الثابت العازل وظل الخسارة للسيراميك، وتعزيز أدائها الكهربائي،جعلها أكثر ملاءمة للعمل في البيئات ذات التردد العالي، وتوسيع نطاق تطبيقها في مجال الإلكترونيات.
(2) الملوناتهم الذين يضيفون الألوان إلى مكونات السيراميك المصنوعة من الألومينا.يمكن أن تتفاعل المواد الملونة مثل أكسيد الكروم وأكسيد الكوبالت مع أكسيد الألومنيوم لإنتاج السيراميك بألوان مختلفة.في بعض المنتجات الخزفية ذات المتطلبات الزخرفية، مثل أدوات المائدة الخزفية والحلي الزخرفية، فإن إضافة الملونات يمكن أن تجعل المكونات الخزفية أكثر جمالاً وتنوعًا، وتلبي الاحتياجات الجمالية للمستهلكين المختلفين.
4. المواد الرابطة ومساعدات التشكيل: تعمل على تحسين سيولة المسحوق وقوة التشكيل.
في عملية تشكيل مكونات سيراميك الألومينا، تلعب المواد الرابطة ومساعدات الصب دورًا حاسمًا. فهي بمثابة مجموعة من الأبطال الخارقين الذين يحولون مسحوق الألومينا بصمت إلى أجزاء هيكلية بأشكال متنوعة.
تعمل المواد الرابطة العضوية، مثل كحول البولي فينيل (بولي فينيل أسيتات) والبولي أكريلات، مثل الغراء، ربط مساحيق الألومينا معًا أثناء تشكيل الجسم الأخضر لمنح الجسم الأخضر قوة معينةللمعالجة اللاحقة والتلبيدلنأخذ صب الشريط كمثال: يُمكن لـ بولي فينيل أسيتات توزيع مساحيق الألومينا بالتساوي في مذيب لتكوين عجينة ذات لزوجة وسيولة مناسبتين، تُصبّ بعد ذلك في غشاء أخضر من خلال عملية صب الشريط. بعد جفاف الغشاء الأخضر، تحافظ المواد الرابطة مثل بولي فينيل أسيتات على شكله وبنيته، مما يمنع التشوه أثناء المعالجة اللاحقة.
تشتمل مساعدات القالب على مواد التشحيم والمشتتات وما إلى ذلك. يمكن أن تعمل مواد التشحيم على تقليل الاحتكاك بين المسحوق والقالب، وتقليل تآكل القالب، وضمان كثافة موحدة للجسم الأخضر.في عملية الضغط الجاف، تُسهّل إضافة كمية مناسبة من مادة التشحيم ملء القالب بالمسحوق، مما يُحسّن كثافة المادة الخضراء.ومن ناحية أخرى، يجب التأكد من توزيع المسحوق بشكل موحد في الملاط لتجنب التكتل.في عملية القولبة بالحقن، تلعب المواد المشتتة دورًا مهمًا بشكل خاص من خلال تمكين الملاط من الحصول على سيولة جيدة، مما يسهل حقنه في القالب لتشكيل مكونات سيراميكية ذات شكل معقد.
تلعب المواد المضافة دورًا أساسيًا في عملية تصنيع مكونات سيراميك الألومينا. فهي تدعم إنتاج هذه المكونات بشكل شامل في جوانب متعددة، بدءًا من خفض درجة حرارة التلبيد وتحسين الأداء، وصولًا إلى منحها خصائص فريدة وتشكيلًا مميزًا. ومع التطور التكنولوجي المستمر، قد تظهر أنواع جديدة من المواد المضافة مستقبلًا، مما يتيح إمكانيات أكبر لتحسين أداء مكونات سيراميك الألومينا وتوسيع نطاق تطبيقاتها.