Silikon karbid kuchli Si–C bog'lanishiga va olmosga o'xshash tuzilishga ega bo'lgan kovalent birikma bo'lib, bir nechta politiplarda mavjud. Uning kuchli kovalent bog'lanishi SiC ni barqaror kristall tuzilish, kimyoviy barqarorlik, juda yuqori qattiqlik, korroziyaga chidamlilik va termokimyoviy barqarorlik bilan ta'minlaydi.
Kompozitlarni kremniy karbid bilan mustahkamlash armaturaning fizik tabiatiga ko'ra uch turga bo'linishi mumkin: kremniy karbid zarralari (SiCₚ), kremniy karbid mo'ylovlari (SiCw) va kremniy karbid tolalari (SiCf). Bular orasida kremniy karbid mo'ylovlari nano- dan mikrometre shkalasida yuqori darajada anizotropik qisqa{1} tolali kristalli materiallar bo'lib, ular bitta kristall tuzilishga, ma'lum bir aspekt nisbatiga (5–1000 mkm) va kesma maydoniga (-) ega.<0.052 mm²). Their structural characteristics determine their outstanding properties, such as high strength (>21 GPa), high elastic modulus (>490 GPa), high melting point (>2900 daraja), aşınma qarshilik va korroziyaga qarshilik. Ular juda kam sonli ichki nuqsonlarni o'z ichiga oladi, juda tartibli atomlarga ega va ularning kuchi va moduli mukammal kristallarning nazariy qiymatlariga yaqinlashadi va ularga "mo'ylovlar qiroli" unvonini beradi. Ushbu ajoyib xususiyatlar kremniy karbid mo'ylovlarini metall{3}}matritsa, keramika-matritsa va polimer{5}}matritsali kompozitlar uchun ideal mustahkamlovchi qiladi va ular hozirda mashinasozlik, elektronika, kimyo, energetika, aerokosmik, atrof-muhitni muhofaza qilish va boshqa ko'plab sohalarda keng qo'llaniladi.
Silikon karbid mo'ylovlarini tayyorlash usullari
Hozirgi vaqtda kremniy karbid mo'ylovlarini tayyorlash usullari asosan bug'-faza reaktsiyalari, suyuqlik-faza reaktsiyalari va qattiq{2}}faza reaktsiyalarini o'z ichiga oladi. Ularning orasida bug-fazali usullarga kimyoviy bugʻlanish va termal bugʻlanish kiradi; suyuq{5}}fazali usullarga sol-gel usuli kiradi; va qattiq{7}}faza usullari karbotermik pasaytirish va mikroto'lqinli isitishni o'z ichiga oladi.
Kimyoviy bug'ning cho'kishi (CVD)
CVD eng koʻp qoʻllaniladigan bug{0}fazali jarayondir. Birinchidan, substrat (masalan, grafit, keramika va boshqalar) reaksiya pechiga joylashtiriladi va uning yuzasiga katalizator bilan bir xilda qoplanadi. Keyin kremniy manbalari, uglerod manbalari va tashuvchi gaz (masalan, vodorod) o'choqqa kiritiladi va harorat, bosim va gaz oqimi tezligi kabi parametrlar sozlanadi. Yuqori haroratda gazsimon reaktivlar katalizator ta'sirida kimyoviy reaksiyalarga kirishadi va asta-sekin substrat yuzasida silikon karbid mo'ylovlari o'sib boradi. Reaksiyadan so'ng o'choq sovutiladi va o'stirilgan SiC mo'ylovlari bilan namuna olish uchun substrat chiqariladi.
Boshqa usullar bilan solishtirganda, CVD tomonidan ishlab chiqarilgan SiC mo'ylovlari yuqori tozaligi va rentabelligi, yaxshi kristalliligi, kam nuqsonlari va reaktsiya jarayonini nazorat qilish oson. Uskunalar oddiy, ishlash qulay va reaktsiya harorati nisbatan past. Biroq, CVD uskunalari qimmat, yuqori-tozalikdagi gazsimon xom ashyo va tashuvchi gazlar talab qilinadi va reaksiya cheklangan substrat yuzasida faqat moʻylovlarni oʻsishi mumkin, natijada ishlab chiqarish samaradorligi past va ishlab chiqarish cheklangan boʻlib,-katta miqyosdagi uzluksiz ishlab chiqarishni qiyinlashtiradi. Bu omillar preparat narxining yuqori bo'lishini ta'minlaydi va uning-katta sanoatda qo'llanilishini cheklaydi.
Termal bug'lanish usuli
SiC mo'ylovlarini tayyorlash uchun termal bug'lanish usulining asosiy jarayoni quyidagicha: birinchi navbatda, kremniy manbai (masalan, kremniy gofretlari, qotishma silisidlar yoki kremniy kukunlari) va uglerod manbai substrati (masalan, uglerod tolalari yoki grafit plitalari) yuqori haroratda grafit tigelga joylashtiriladi{{4}. Yuqori{6}}haroratli vodorod atmosferasida kremniy manbai qizdiriladi va eritiladi va kremniy bug'ini hosil qiladi, bu esa tashuvchi gaz tomonidan past haroratda uglerod manbasi substratiga o'tkaziladi. Uglerod va kremniy atomlari substratning faol joylarida kimyoviy reaksiyaga kirishib, maʼlum kristallografik yoʻnalishda kristallanadi va oxir-oqibatda bir oʻlchovli SiC moʻylovli massiv-yadrolanish{10}}oʻsish mexanizmi orqali substratda oʻsadi. Bu jarayonda harorat gradienti ayniqsa muhim: yuqori haroratli uchi xom ashyoning yetarli darajada bugʻlanishini taʼminlaydi, past harorat esa moʻylov oʻsishi uchun mos oʻta toʻyingan muhitni taʼminlaydi. Vakuum darajasini va atmosfera tarkibini nazorat qilish bug'ning tashish samaradorligi va reaktsiya yo'liga bevosita ta'sir qiladi.
Bu usul SiC mo'ylovlarini boshqariladigan tayyorlashda noyob afzalliklarni ko'rsatadi. Uning yutug‘i murakkab organik gaz manbalari va qimmatbaho metallar katalizatorlarini yo‘q qilish, bug{1}}fazali yo‘lni soddalashtirish, asbob-uskunalar narxini va jarayonning murakkabligini kamaytirish hamda katalizator qoldiqlari bilan ifloslanishning oldini olish, shu tariqa yuqori-toza mahsulotlarni ta’minlashdan iborat. Harorat va bosim kabi asosiy parametrlarni sinergetik nazorat qilish orqali mo'ylov diametrining aniq dizayni, tomonlar nisbati va sirt tuzilishiga erishish mumkin. Biroq, ushbu texnologiyani sanoatlashtirish hali ham qiyinchiliklarga duch kelmoqda. Yuqori{6}}haroratli reaksiya sharoitlari yuqori energiya sarfiga olib keladi va reaksiya pechining chidamliligi uchun jiddiy qiyinchiliklar tugʻdiradi, bu esa uning yirik-miqyosdagi ishlab chiqarish uchun iqtisodiy samaradorligini bevosita cheklaydi.
Sol-Gel usuli
Sol-gel usulida kremniy- va uglerod{2}}tarkibidagi prekursorlar (masalan, organosilanlar, fenolik smolalar, saxaroza va boshqalar) suyuq fazadagi erituvchida tarqaladi. Gidroliz va kondensatsiya reaktsiyalari natijasida zol hosil bo'ladi, keyinchalik u jelga aylanadi. Quritish va kalsinatsiyadan so'ng silikon karbid mo'ylovli materiallar olinadi. Hozirgi vaqtda sol-gel usuli asosan yuqori samarali, kichik-partiyalar namunalarini tayyorlash uchun laboratoriya tadqiqotlari bilan chegaralangan va keng miqyosda, uzluksiz{12}}ishlab chiqarishga erishish qiyin.
Karbotermik kamaytirish usuli
Karbotermik pasaytirish usuli SiC mo'ylovlarini sanoat ishlab chiqarish uchun muhim va iqtisodiy yo'nalishdir. Uning printsipi uglerodli materiallardan (masalan, uglerod qorasi, grafit va boshqalar) kremniy manbasini (odatda SiO₂, kvarts qumi, guruch qobig'i kulidan va boshqalar) kamaytirish uchun yuqori{5}}haroratli inert atmosferada gazsimon SiO va CO hosil qilishdir. muhitda SiC molekulalarini hosil qiladi, ular cho'kadi va mo'ylovlarga aylanadi.
Karbotermik kamaytirish usulining asosiy afzalliklari xom ashyoning keng mavjudligi, oddiy asbob-uskunalar talablari, nisbatan past sintez harorati va partiya ishlab chiqarishning qulayligi. Natijada paydo bo'lgan SiC mo'ylovlari 100:1 dan ortiq tomonlar nisbatiga ega bo'lishi mumkin va kompozitlarga mustahkamlovchi sifatida qo'shilsa, ular mexanik kuch va aşınma qarshiligini sezilarli darajada yaxshilaydi, bu esa yuqori haroratli strukturaviy komponentlarda almashtirib bo'lmaydigan qiymatni ko'rsatadi. Biroq, bu usul ham cheklovlarga ega. Chunki u avval yuqori haroratda bugʻ fazasini hosil qiladi, soʻngra bug{6}}fazali reaksiyalar orqali in situ moʻylov hosil qiladi, shuning uchun yuqori haroratli reaksiya jarayonini aniq nazorat qilish qiyin-. Bug 'kontsentratsiyasining o'zgarishi mo'ylov morfologiyasiga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin, bu esa diametri, uzunligi va bir xilligini aniq nazorat qilishni qiyinlashtiradi. Mahsulot tarkibida koʻpincha reaksiyaga kirishmagan SiO₂ yoki uglerod qoʻshimchalari mavjud boʻlib, ular tozalik va unumdorlikka taʼsir qiladi,{10}}keyin ishlov berishni talab qiladi. Bundan tashqari, ushbu usul bilan ishlab chiqarilgan SiC mo'ylovlari odatda SiC zarralarini o'z ichiga oladi va mo'ylovlarni zarrachalardan samarali ajratish hal qilinishi kerak bo'lgan muammo bo'lib qolmoqda.
Mikroto'lqinli pechda isitish usuli
Mikroto'lqinli isitish usuli tez isitish tezligi, kam energiya iste'moli va past sintez harorati tufayli tadqiqot nuqtasiga aylandi. SiC mo'ylovlarini tayyorlash uchun rivojlanayotgan texnologiya sifatida mikroto'lqinli isitish mikroto'lqinli energiyani isitish manbai sifatida ishlatadi, bu esa materiallarni o'z dielektrik yo'qotishlari orqali isitish va kerakli kimyoviy reaktsiyalarni bajarish imkonini beradi. Odatda ishlatiladigan mikroto'lqinli chastota 2,45 gigagertsli. An'anaviy pechlar bilan taqqoslaganda, mikroto'lqinli isitish materialning sirtini va ichki qismini bir vaqtning o'zida isitish imkonini beradi, bu materialning xususiyatlarini yaxshilash uchun foydalidir. Jarayon ketma-ket issiqlik to'planishi, mo'ylov shakllanishi va mo'ylov morfologiyasini optimallashtirish orqali o'tadi, turli haroratlar SiC mo'ylovlarining turli shakllariga olib keladi.
Mikroto'lqinli isitish yuqori isitish samaradorligi va energiyadan foydalanish, energiyani tejash, vaqtni tejash va atrof-muhitga zarar etkazish kabi afzalliklarni taqdim etadi. Biroq, yuqori haroratli mikroto'lqinli qurilmalar an'anaviy isitish uskunalariga qaraganda texnik jihatdan murakkab va qimmatroqdir. Mikroto'lqinli maydonning bir xil taqsimlanmagan-va mahalliy ishlab chiqarilgan SiC ning kuchli mikroto'lqinli so'rilishi mahalliy "issiq nuqtalar" va termal qochib ketish xavfini keltirib chiqarishi mumkin, bu mo'ylov o'sishi va boshqa jarayonlarning bir xilligiga ta'sir qiladi. Ushbu uskuna va jarayonni boshqarish muammolarini bartaraf etish SiC mo'ylovini tayyorlash sohasida mikroto'lqinli isitish texnologiyasini kengroq qo'llashga erishish uchun kalit bo'ladi.