Tozdan Katı Seramiğe: Şekillendirme ve Sinterleme Yöntemleri
SiC tozu tek başına güçlü, yoğun bir seramik değildir. Katı bir nesne oluşturmak için tozun şekillendirilmesi ve daha sonra sinterleme adı verilen bir işlemle bir araya getirilmesi gerekir. En önemli zorluk SiC'nin güçlü kovalent bağlara sahip olmasıdır, bu da sinterlemeyi çok zorlaştırır. Bu nedenle özel tekniklere ihtiyaç vardır. Üç ana yöntem şunlardır:
1. Sinterleme (Katı Hal Sinterleme)
Bu, karmaşık şekilli bileşenlerin yapımında en yaygın yöntemdir.
# Karıştırma: SiC tozu, tipik olarak az miktarda Bor (B) ve Karbon (C) olan bir sinterleme yardımcısı ile karıştırılır. Karbon, SiC parçacıkları üzerindeki oksit tabakasının çıkarılmasına yardımcı olur ve bor, atomik difüzyonu destekler.
# Şekillendirme: Toz karışımı "yeşil gövde" (sinterlenmemiş form) şeklinde şekillendirilir. Bu şu şekilde yapılabilir:
* Kuru Presleme: Basit şekiller için tek eksenli veya izostatik presleme.
* Ekstrüzyon: Borular veya çubuklar gibi uzun, sürekli şekiller için.
* Enjeksiyon Kalıplama: Çok karmaşık ve karmaşık şekiller için.
# Sinterleme: Yeşil gövde inert bir atmosferde (argon gibi) 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F) civarındaki sıcaklıklarda ısıtılır. Bu sıcaklıkta, parçacıklar temas noktalarında birbirlerine yayılır ve minimum gözenekliliğe sahip yoğun, katı bir seramik oluşturmak üzere birbirine bağlanır.
Sonuç: Sinterlenmiş Silisyum Karbür (SSiC). Yüksek saflığa, mükemmel aşınma direncine ve iyi mekanik dayanıma sahiptir.
2. Reaksiyon Bağlama (veya Silikonlaştırma)
Bu yöntem, minimum büzülme ile net şekle yakın bir parça oluşturur.
# Şekillendirme: Gözenekli yeşil bir gövde halinde SiC tozu ve Karbon (örn. grafit) karışımı oluşturulur.
# Sızma: Yeşil gövde daha sonra vakum altında bir fırına erimiş silikon metal (Si) ile temas ettirilir.
# Reaksiyon: Erimiş silikon, kılcal etkiyle gözenekli gövdeye çekilir. Daha sonra orijinal SiC parçacıklarını birbirine bağlayan yeni silisyum karbür (Si + C → SiC) oluşturmak için gövde içindeki karbonla reaksiyona girer.
# Aşırı Silikon: Reaksiyon tarafından doldurulmayan boşluklar artık silikon metali ile doldurulur.
Sonuç: Reaksiyona Bağlı Silikon Karbür (RBSC) veya Silikonlu Silisyum Karbür. SSiC'den daha yoğundur ancak %5-15 oranında serbest silikon içerir, bu da SSiC'ye kıyasla yüksek sıcaklık dayanımını ve kimyasal direncini düşürür.
3. Sıcak Presleme
Bu yöntem en yüksek yoğunluğu ve dayanıklılığı sağlar ancak daha pahalıdır ve basit şekillerle sınırlıdır.
# İşlem: SiC tozu (sinterleme yardımcılarıyla birlikte) genellikle grafitten yapılmış bir kalıba yerleştirilir.
# Eşzamanlı Isı ve Basınç: Kalıp, sinterleme sıcaklıklarına (~1900°C - 2000°C) ısıtılırken aynı anda çok yüksek tek eksenli basınç (onlarca MPa) uygulanır.
# Faydası: Isı ve basıncın kombinasyonu, yoğunlaştırmayı basınçsız sinterlemeye göre daha etkili bir şekilde ve daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirir.
Sonuç: Sıcak Preslenmiş Silisyum Karbür (HPSiC). Üstün mekanik özelliklere sahiptir ancak genellikle elmas aletlerle daha sonra işlenmesini gerektiren plakalar veya bloklar gibi basit şekillerde üretilir.
Son Adım: İşleme
Sinterlemeden sonra bileşen son şekline yaklaşmıştır ancak çoğu zaman hassas işleme gerektirir. SiC son derece sert olduğundan (Mohs ölçeğinde 9,5, elmasa yakın), bu yalnızca elmas emdirilmiş taşlama taşları veya aletleri kullanılarak yapılabilir.
Özetle, silisyum karbür seramik yapmak, önce ultra sert tozun sentezlenmesini ve ardından onu güçlü, dayanıklı bir mühendislik malzemesine yoğunlaştırmak için özel, yüksek sıcaklık tekniklerinin kullanılmasını içeren çok adımlı bir süreçtir.
Beğenebilirsin: Zirkonya Seramik, Seramik Bileşen
