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 القطع الميكانيكية في البيئات القاسية. إلا أن إضافة الماء إلى مسحوق الألومينا وحرقه على درجة حرارة عالية لا يكفي لإنتاج 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 عالٍ 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، مما يُخفّض درجة حرارة تلبيد سيراميك الألومينا، مما يزيد من كفاءة عملية التلبيد وتوفير الطاقة.
(1) يُعدّ ثاني أكسيد التيتانيوم (ثاني أكسيد التيتانيوم₂) أحد المواد المُستخدمة بكثرة في عمليات التلبيد. أثناء عملية التلبيد، يتفاعل مع الألومينا لتكوين مادة يوتكتيكية، مما يُخفّض درجة حرارة ظهور الطور السائل. يُشبه هذا عملية الطهي، حيث تُسرّع إضافة بعض التوابل الخاصة من وصول المكونات إلى حالة الطهي المثالية. لا يقتصر استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم كمادة مُستخدمة على خفض درجة حرارة التلبيد فحسب، بل يُحسّن أيضًا صلابة سيراميك الألومينا إلى حدٍّ ما. على سبيل المثال، في بعض قواطع سيراميك الألومينا المُستخدمة في عمليات القطع، يُمكن لإضافة كمية مناسبة من ثاني أكسيد التيتانيوم أن تجعل القواطع أكثر مقاومةً للتآكل مع الحفاظ على صلابتها العالية، مما يُطيل عمرها الافتراضي.
(2) يُعدّ أكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) أيضًا مادةً مُصهِرةً مهمةً. فهو يُثبِّط تحوّل الطور البلوري للألومينا عند درجات الحرارة العالية، مُحافظًا على استقرار البنية الخزفية. بالنسبة لمنتجات سيراميك الألومينا ذات المتطلبات العالية للاستقرار الحراري، مثل قواعد المكونات الإلكترونية المُستخدمة في بيئات ذات درجات حرارة عالية، فإن إضافة أكسيد الإيتريوم تُعطي المكونات الخزفية مقاومةً جيدةً للصدمات الحرارية، مما يجعلها أقل عُرضةً للتشقق في البيئات ذات التغيرات الحرارية السريعة.
(3) يُخفِّض أكسيد الكالسيوم (أكسيد الكالسيوم) أيضًا درجة حرارة التلبيد. يُمكنه تكوين مادة يوتكتيكية مع الألومينا، مما يُقلِّل استهلاك الطاقة، ويمنع نمو الحبيبات المفرط، مما يُساعد على الحصول على سيراميك ذي بنية دقيقة الحبيبات. عادةً ما يتميز السيراميك ذو البنية الدقيقة بقوة ومتانة أعلى. في بعض أجزاء سيراميك الألومينا التي تحتاج إلى تحمُّل قوى خارجية كبيرة، مثل المكونات المقاومة للتآكل في المعدات الميكانيكية، يُمكن لإضافة أكسيد الكالسيوم تحسين أدائها.
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 التقوية والتصلب يُشبه إضافة طبقة من ""armor"" إلى مكونات سيراميك الألومينا، مما يُعزز قوتها ومتانتها بفعالية.
كربيد السيليكون (كربيد السيليكون) هو عامل تقوية وتصلب شائع الاستخدام. تتوزع جزيئاته بالتساوي في مصفوفة الألومينا. عند تعرض المكون الخزفي لقوى خارجية، يمكن لجزيئات كربيد السيليكون أن تعيق انتشار الشقوق. يشبه هذا وضع عوائق على الطريق: عندما يصطدم الشق بهذه الجزيئات، 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 الخدمة للمحامل بشكل كبير.
يُعدّ نيتريد البورون (ب ن) أيضًا أحد عوامل التقوية والتصلب. يُمكنه تحسين أداء احتكاك السيراميك وتعزيز متانته وصلابته. في بعض مكونات سيراميك الألومينا التي تتطلب أداء احتكاك جيدًا، مثل حلقات السيراميك المستخدمة في الختم، يُمكن لإضافة نيتريد البورون تقليل الاحتكاك والتآكل بين المكونات، وتحسين أداء الختم، وتعزيز متانة المكونات وزيادة متانتها. مع 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) تُستخدم أكاسيد العناصر الأرضية النادرة، مثل اللانثانوم والسيريوم، لتحسين الخواص الكهربائية. في بعض مكونات سيراميك الألومينا المستخدمة في مجال الإلكترونيات، مثل ركائز السيراميك للدوائر عالية التردد، يُمكن لإضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة تعديل ثابت العزل الكهربائي وظلّ فقدان السيراميك، مما يُحسّن أدائها الكهربائي، ويجعلها أكثر ملاءمةً للعمل في بيئات عالية التردد، ويُوسّع نطاق تطبيقاتها في مجال الإلكترونيات.
(٢) الملونات هي مواد تُضفي ألوانًا على مكونات سيراميك الألومينا. تتفاعل الملونات، مثل أكسيد الكروم وأكسيد الكوبالت، مع الألومينا لإنتاج سيراميك بألوان مختلفة. في بعض المنتجات الخزفية ذات المتطلبات الزخرفية، مثل أدوات المائدة الخزفية والحلي الزخرفية، تُضفي إضافة الملونات جمالًا وتنوعًا على مكونات السيراميك، مما يُلبي الاحتياجات الجمالية لمختلف المستهلكين.
4. المواد الرابطة ومساعدات القولبة: تعمل على تحسين سيولة المسحوق وقوة القولبة.
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، كغراء، حيث تربط مساحيق الألومينا معًا أثناء تشكيل الجسم الأخضر، مما يمنحه قوةً معينةً للمعالجة والتلبيد اللاحقين. لنأخذ صب الشريط كمثال: يمكن لكحول البولي فينيل (بولي فينيل أسيتات) توزيع مساحيق الألومينا بالتساوي في مذيب لتشكيل عجينة ذات لزوجة وسيولة مناسبتين، تُصبّ بعد ذلك في غشاء أخضر خلال عملية صب الشريط. بعد جفاف الغشاء الأخضر، تحافظ المواد الرابطة مثل بولي فينيل أسيتات على شكلها وبنيتها، مما يمنع تشوهها أثناء المعالجة اللاحقة.
تشمل مساعدات التشكيل مواد التشحيم والمشتتات وغيرها. تُقلل مواد التشحيم الاحتكاك بين المسحوق والقالب، وتُقلل من تآكل القالب، وتضمن كثافة موحدة للجزء الأخضر. في عملية الضغط الجاف، تُسهّل إضافة كمية مناسبة من مواد التشحيم ملء المسحوق في القالب، مما يُحسّن كثافة الجزء الأخضر. من ناحية أخرى، تضمن المشتتات توزيعًا موحدًا للمسحوق في الملاط لتجنب التكتل. في عملية التشكيل بالحقن، تلعب المشتتات دورًا بالغ الأهمية، إذ تُمكّن الملاط من تحقيق سيولة جيدة، مما يُسهّل حقنه في القالب لتشكيل مكونات سيراميكية معقدة الشكل.
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. مع التطور التكنولوجي المستمر، قد تظهر أنواع جديدة من المواد المضافة مستقبلًا، مما يتيح إمكانيات أكبر لتحسين أداء مكونات سيراميك الألومينا وتوسيع نطاق تطبيقاتها.
