सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के लिए विशेष तैयारी तकनीकें

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिरेमिकसामग्रियों में उच्च तापमान शक्ति, मजबूत ऑक्सीकरण प्रतिरोध, बेहतर पहनने के प्रतिरोध, थर्मल स्थिरता, कम थर्मल विस्तार गुणांक, उच्च थर्मल चालकता, उच्च कठोरता, थर्मल शॉक प्रतिरोध और रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध सहित उत्कृष्ट गुणों की एक श्रृंखला होती है। ये विशेषताएँ SiC सिरेमिक को ऑटोमोटिव, मैकेनिकल और रासायनिक उद्योगों, पर्यावरण संरक्षण, अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी, सूचना इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा जैसे विभिन्न क्षेत्रों में तेजी से लागू करती हैं।SiC सिरेमिकअपने उत्कृष्ट प्रदर्शन के कारण कई औद्योगिक क्षेत्रों में एक अपूरणीय संरचनात्मक सिरेमिक सामग्री बन गए हैं।

वे कौन सी संरचनात्मक विशेषताएँ हैं जो बढ़ती हैं?SiC सिरेमिक?

के श्रेष्ठ गुणSiC सिरेमिकउनकी अनूठी संरचना से गहरा संबंध है। SiC बहुत मजबूत सहसंयोजक बंधन वाला एक यौगिक है, जहां Si-C बंधन का आयनिक चरित्र केवल 12% है। इसके परिणामस्वरूप उच्च शक्ति और एक बड़ा लोचदार मापांक होता है, जो उत्कृष्ट पहनने का प्रतिरोध प्रदान करता है। शुद्ध SiC का संक्षारण HCl, HNO3, H2SO4, या HF जैसे अम्लीय विलयनों से नहीं होता है और न ही NaOH जैसे क्षारीय विलयनों से होता है। जबकि हवा में गर्म करने पर यह ऑक्सीकरण करता है, सतह पर SiO2 परत का निर्माण आगे ऑक्सीजन प्रसार को रोकता है, जिससे ऑक्सीकरण दर कम रहती है। इसके अतिरिक्त, SiC अर्धचालक गुणों को प्रदर्शित करता है, जब थोड़ी मात्रा में अशुद्धियाँ पेश की जाती हैं तो अच्छी विद्युत चालकता और उत्कृष्ट तापीय चालकता होती है।

SiC के विभिन्न क्रिस्टल रूप इसके गुणों को कैसे प्रभावित करते हैं?

SiC दो मुख्य क्रिस्टल रूपों में मौजूद है: α और β। β-SiC में एक घन क्रिस्टल संरचना होती है, जिसमें Si और C फलक-केंद्रित घन जालक बनाते हैं। α-SiC 4H, 15R और 6H सहित 100 से अधिक पॉलीटाइप में मौजूद है, 6H औद्योगिक अनुप्रयोगों में सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। इन बहुप्रकारों की स्थिरता तापमान के साथ बदलती रहती है। 1600°C से नीचे, SiC β रूप में मौजूद होता है, जबकि 1600°C से ऊपर, β-SiC धीरे-धीरे विभिन्न α-SiC पॉलीटाइप में बदल जाता है। उदाहरण के लिए, 4H-SiC लगभग 2000°C बनता है, जबकि 15R और 6H पॉलीटाइप को आसानी से बनने के लिए 2100°C से ऊपर तापमान की आवश्यकता होती है। 6H पॉलीटाइप 2200°C से ऊपर भी स्थिर रहता है। इन बहुप्रकारों के बीच मुक्त ऊर्जा में छोटे अंतर का मतलब है कि छोटी अशुद्धियाँ भी उनके थर्मल स्थिरता संबंधों को बदल सकती हैं।

SiC पाउडर के उत्पादन की तकनीकें क्या हैं?

SiC पाउडर की तैयारी को कच्चे माल की प्रारंभिक अवस्था के आधार पर ठोस-चरण संश्लेषण और तरल-चरण संश्लेषण में वर्गीकृत किया जा सकता है।

ठोस-चरण संश्लेषण में शामिल विधियाँ क्या हैं? 

ठोस-चरण संश्लेषण में मुख्य रूप से कार्बोथर्मल कमी और प्रत्यक्ष सिलिकॉन-कार्बन प्रतिक्रियाएं शामिल हैं। कार्बोथर्मल कटौती विधि में एचेसन प्रक्रिया, ऊर्ध्वाधर भट्टी विधि और उच्च तापमान वाली रोटरी भट्टी विधि शामिल है। एचेसन द्वारा आविष्कृत एचेसन प्रक्रिया में एचेसन विद्युत भट्टी में कार्बन द्वारा क्वार्ट्ज रेत में सिलिका की कमी शामिल है, जो उच्च तापमान और मजबूत विद्युत क्षेत्रों के तहत एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा संचालित होती है। औद्योगिक उत्पादन के एक शताब्दी से अधिक लंबे इतिहास वाली यह विधि अपेक्षाकृत मोटे SiC कणों का उत्पादन करती है और इसमें बिजली की खपत अधिक होती है, जिसका अधिकांश भाग गर्मी के रूप में नष्ट हो जाता है।

1970 के दशक में, एचेसन प्रक्रिया में सुधार के कारण 1980 के दशक में विकास हुआ, जैसे β-SiC पाउडर को संश्लेषित करने के लिए ऊर्ध्वाधर भट्टियां और उच्च तापमान वाली रोटरी भट्टियां, 1990 के दशक में और प्रगति हुई। ओहसाकी एट अल. पाया गया कि SiO2 और Si पाउडर के मिश्रण को गर्म करने से निकलने वाली SiO गैस सक्रिय कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करती है, तापमान में वृद्धि और लंबे समय तक धारण करने से पाउडर का विशिष्ट सतह क्षेत्र कम हो जाता है क्योंकि अधिक SiO गैस निकलती है। प्रत्यक्ष सिलिकॉन-कार्बन प्रतिक्रिया विधि, स्व-प्रचारित उच्च-तापमान संश्लेषण का एक अनुप्रयोग, जिसमें बाहरी ताप स्रोत के साथ प्रतिक्रियाशील शरीर को प्रज्वलित करना और प्रक्रिया को बनाए रखने के लिए संश्लेषण के दौरान जारी रासायनिक प्रतिक्रिया गर्मी का उपयोग करना शामिल है। इस विधि में कम ऊर्जा खपत, सरल उपकरण और प्रक्रियाएं और उच्च उत्पादकता है, हालांकि प्रतिक्रिया को नियंत्रित करना मुश्किल है। सिलिकॉन और कार्बन के बीच कमजोर एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया इसे प्रज्वलित करना और कमरे के तापमान पर बनाए रखना चुनौतीपूर्ण बनाती है, जिससे अतिरिक्त ऊर्जा स्रोतों जैसे कि रासायनिक भट्टियां, प्रत्यक्ष वर्तमान, प्रीहीटिंग या सहायक विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है।

तरल-चरण विधियों का उपयोग करके SiC पाउडर को कैसे संश्लेषित किया जाता है? 

तरल-चरण संश्लेषण विधियों में सोल-जेल और पॉलिमर अपघटन तकनीक शामिल हैं। इवेल एट अल. सबसे पहले सोल-जेल विधि प्रस्तावित की गई, जिसे बाद में 1952 के आसपास सिरेमिक तैयारी के लिए लागू किया गया। यह विधि एल्कोऑक्साइड अग्रदूतों को तैयार करने के लिए तरल रासायनिक अभिकर्मकों का उपयोग करती है, जिन्हें एक सजातीय समाधान बनाने के लिए कम तापमान पर भंग कर दिया जाता है। उपयुक्त जेलिंग एजेंटों को जोड़ने से, एल्कोक्साइड एक स्थिर सोल प्रणाली बनाने के लिए हाइड्रोलिसिस और पोलीमराइजेशन से गुजरता है। लंबे समय तक खड़े रहने या सूखने के बाद, Si और C आणविक स्तर पर समान रूप से मिश्रित हो जाते हैं। इस मिश्रण को 1460-1600°C तक गर्म करने से कार्बोथर्मल कमी प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है जिससे बारीक SiC पाउडर बनता है। सोल-जेल प्रसंस्करण के दौरान नियंत्रित करने के लिए प्रमुख मापदंडों में समाधान पीएच, एकाग्रता, प्रतिक्रिया तापमान और समय शामिल हैं। यह विधि विभिन्न ट्रेस घटकों के सजातीय जोड़ की सुविधा प्रदान करती है लेकिन इसमें स्वास्थ्य के लिए हानिकारक अवशिष्ट हाइड्रॉक्सिल और कार्बनिक सॉल्वैंट्स, उच्च कच्चे माल की लागत और प्रसंस्करण के दौरान महत्वपूर्ण संकोचन जैसी कमियां हैं।

कार्बनिक पॉलिमर का उच्च तापमान अपघटन SiC के उत्पादन के लिए एक और प्रभावी तरीका है:

जेल पॉलीसिलोक्सेन को गर्म करके उन्हें छोटे मोनोमर्स में विघटित किया जाता है, जिससे अंततः SiO2 और C बनते हैं, जो फिर SiC पाउडर का उत्पादन करने के लिए कार्बोथर्मल कमी से गुजरते हैं।

पॉलीकार्बोसिलेन को गर्म करके उन्हें छोटे मोनोमर्स में विघटित किया जाता है, जिससे एक ढांचा बनता है जिसके परिणामस्वरूप अंततः SiC पाउडर बनता है। हाल की सोल-जेल तकनीकों ने SiO2-आधारित सोल/जेल सामग्रियों के उत्पादन को सक्षम किया है, जिससे जेल के भीतर सिंटरिंग और टफनिंग एडिटिव्स का सजातीय वितरण सुनिश्चित होता है, जो उच्च प्रदर्शन वाले SiC सिरेमिक पाउडर के निर्माण की सुविधा प्रदान करता है।

दबाव रहित सिंटरिंग को एक आशाजनक तकनीक क्यों माना जाता है?SiC सिरेमिक?

दबाव रहित सिंटरिंग को अत्यधिक आशाजनक विधि माना जाता हैसिंटरिंग SiC. सिंटरिंग तंत्र के आधार पर, इसे ठोस-चरण सिंटरिंग और तरल-चरण सिंटरिंग में विभाजित किया जा सकता है। एस. प्रोएहाज़्का ने अल्ट्रा-फाइन β-SiC पाउडर (2% से कम ऑक्सीजन सामग्री के साथ) में उचित मात्रा में B और C जोड़कर और सामान्य दबाव में 2020°C पर सिंटरिंग करके SiC सिंटर निकायों के लिए 98% से अधिक सापेक्ष घनत्व प्राप्त किया। ए. मुल्ला एट अल. 1850-1950 डिग्री सेल्सियस पर सिंटर 0.5μm β-SiC (कण सतह पर SiO2 की थोड़ी मात्रा के साथ) में एडिटिव्स के रूप में Al2O3 और Y2O3 का उपयोग किया गया, जिससे सैद्धांतिक घनत्व के 95% से अधिक सापेक्ष घनत्व और औसत के साथ बारीक अनाज प्राप्त हुआ। 1.5μm का आकार.

हॉट प्रेस सिंटरिंग कैसे बढ़ती हैSiC सिरेमिक?

नादेउ ने बताया कि शुद्ध SiC को बिना किसी सिंटरिंग सहायता के केवल अत्यधिक उच्च तापमान पर सघन रूप से सिंटर किया जा सकता है, जिससे कई लोगों को हॉट प्रेस सिंटरिंग का पता लगाने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। कई अध्ययनों ने SiC के घनत्व पर B, Al, Ni, Fe, Cr और अन्य धातुओं को जोड़ने के प्रभावों की जांच की है, जिसमें Al और Fe को हॉट प्रेस सिंटरिंग को बढ़ावा देने के लिए सबसे प्रभावी पाया गया है। एफ.एफ. लैंग ने Al2O3 की अलग-अलग मात्रा के साथ हॉट प्रेस-सिन्डर्ड SiC के प्रदर्शन की जांच की, और विघटन-पुनर्ग्रहण तंत्र को घनत्व के लिए जिम्मेदार ठहराया। हालाँकि, हॉट प्रेस सिंटरिंग केवल साधारण आकार के SiC घटकों का उत्पादन कर सकती है, और एकल सिंटरिंग प्रक्रिया में उत्पाद की मात्रा सीमित है, जो इसे औद्योगिक उत्पादन के लिए कम उपयुक्त बनाती है।

SiC के लिए रिएक्शन सिंटरिंग के क्या लाभ और सीमाएँ हैं?

प्रतिक्रिया-सिंटेड SiC, जिसे स्व-बंधित SiC के रूप में भी जाना जाता है, इसमें द्रव्यमान बढ़ाने, सरंध्रता को कम करने और इसे एक मजबूत, आयामी सटीक उत्पाद में बदलने के लिए गैसीय या तरल चरणों के साथ एक छिद्रपूर्ण हरे शरीर पर प्रतिक्रिया करना शामिल है। इस प्रक्रिया में α-SiC पाउडर और ग्रेफाइट को एक निश्चित अनुपात में मिलाना, लगभग 1650°C तक गर्म करना और पिघले हुए Si या गैसीय Si के साथ हरे शरीर में घुसपैठ करना शामिल है, जो ग्रेफाइट के साथ प्रतिक्रिया करके β-SiC बनाता है, और मौजूदा α-SiC को बांधता है। कण. पूर्ण सी घुसपैठ के परिणामस्वरूप पूरी तरह से सघन, आयामी रूप से स्थिर प्रतिक्रिया-सिंटेड शरीर बनता है। अन्य सिंटरिंग विधियों की तुलना में, प्रतिक्रिया सिंटरिंग में घनत्व के दौरान न्यूनतम आयामी परिवर्तन शामिल होते हैं, जिससे सटीक घटकों के निर्माण की अनुमति मिलती है। हालाँकि, पापयुक्त शरीर में पर्याप्त मात्रा में SiC की उपस्थिति के कारण उच्च तापमान का प्रदर्शन ख़राब हो जाता है।

सारांश,SiC सिरेमिकदबाव रहित सिंटरिंग, हॉट प्रेस सिंटरिंग, हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग और प्रतिक्रिया सिंटरिंग द्वारा उत्पादित अलग-अलग प्रदर्शन विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं।SiC सिरेमिकगर्म प्रेस और गर्म आइसोस्टैटिक दबाव से आम तौर पर उच्च sintered घनत्व और flexural ताकत होती है, जबकि प्रतिक्रिया-sintered SiC में अपेक्षाकृत कम मान होते हैं। के यांत्रिक गुणSiC सिरेमिकविभिन्न सिंटरिंग एडिटिव्स के साथ भी भिन्न होता है। दबाव रहित, गर्म प्रेस, और प्रतिक्रिया-सिंटेडSiC सिरेमिकमजबूत अम्लों और क्षारों के प्रति अच्छा प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, लेकिन प्रतिक्रिया-सिंटेड SiC में HF जैसे मजबूत अम्लों के प्रति कम संक्षारण प्रतिरोध होता है। उच्च तापमान प्रदर्शन के संदर्भ में, लगभग सभीSiC सिरेमिक900°C से नीचे शक्ति में सुधार दिखाएं, जबकि मुक्त Si की उपस्थिति के कारण प्रतिक्रिया-सिन्डर्ड SiC की लचीली ताकत 1400°C से ऊपर तेजी से घट जाती है। दबाव रहित और गर्म आइसोस्टैटिक दबाव का उच्च तापमान प्रदर्शनSiC सिरेमिकमुख्य रूप से उपयोग किए गए एडिटिव्स के प्रकार पर निर्भर करता है।

जबकि प्रत्येक सिंटरिंग विधि के लिएSiC सिरेमिकइसकी अपनी खूबियाँ हैं, प्रौद्योगिकी की तीव्र प्रगति के लिए निरंतर सुधार की आवश्यकता हैSiC सिरेमिकप्रदर्शन, विनिर्माण तकनीक और लागत में कमी। निम्न-तापमान सिंटरिंग प्राप्त करनाSiC सिरेमिकऊर्जा की खपत और उत्पादन लागत को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है, जिससे औद्योगीकरण को बढ़ावा मिलेगाSiC सिरेमिकउत्पाद.**

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