يشير السيراميك المتقدم، والمعروف أيضًا باسم السيراميك الخاص، إلى مواد خزفية تم إعدادها على أساس السيراميك التقليدي باستخدام تقنيات كيميائية وفيزيائية متقدمة، مع خصائص ممتازة في المجالات الميكانيكية والحرارية والبصرية والصوتية والكهربائية. بالمقارنة مع المعادن ومواد البوليمر، تتمتع المواد الخزفية المتقدمة بخصائص هيكلية لا تضاهى مثل الصلابة العالية، والمعامل العالي، والمقاومة لدرجات الحرارة العالية-، ومقاومة التآكل، بالإضافة إلى الخصائص الوظيفية الممتازة مثل العزل الكهربائي، ونقل الضوء، وشفافية الأمواج. ولذلك، يتم استخدامها بشكل متزايد في مجال الطيران، وتكنولوجيا المعلومات، والدفاع الوطني والصناعة العسكرية، والطب الحيوي، ومجالات الطاقة الجديدة.
تشتمل عملية تحضير السيراميك المتقدم بشكل أساسي على تحضير المسحوق، وتشكيل الجسم الأخضر، والتلبيد. من بين هذه العوامل، يعتبر التشكيل والتلبيد من العوامل المباشرة التي تحدد خصائص منتجات السيراميك. يشير التشكيل إلى تحويل المسحوق إلى جسم أخضر بأبعاد وشكل محدد وقوة ميكانيكية معينة. يشير التلبيد إلى العملية التي يقوم فيها الجسم الأخضر، عند درجة حرارة عالية أقل من نقطة انصهاره، بإزالة المسام وتكثيفها وتشكيل جسم متكلس بقوة معينة.
01 تحضير المسحوق
يمكن تلخيص طرق تحضير مساحيق السيراميك المتقدمة بشكل أساسي في ثلاث فئات: طرق الطور-الصلبة، وطرق الطور-السائلة، وطرق الطور-الغازية.
تستخدم طريقة الطور الصلب- المواد الصلبة كمواد خام أولية لتحضير مساحيق السيراميك متناهية الصغر. تتضمن الأمثلة تفاعل الحالة الصلبة-عالي الحرارة-، والاختزال الكربوثيرمالي، وتفاعل الغاز الصلب-، والتحلل الحراري للملح، والتوليف الذاتي-الانتشار العالي للاحتراق-. ويتميز بأنه مناسب للإنتاج الضخم وبتكلفة منخفضة نسبيًا، ولكن في بعض الأحيان توجد شوائب.
تتميز طريقة -الطور السائل بالتحكم السهل في التركيب الكيميائي، والخلط الموحد على المستوى الأيوني أو الجزيئي، والقدرة على تحضير مساحيق سيراميك بحجم النانو- ودون الميكرون- ذات درجة نقاء عالية ونشاط تلبيد جيد. إنها مناسبة بشكل خاص لتصنيع مساحيق أكسيد -أكسيد فردي أو مساحيق أكسيد -مركبة للسيراميك الإنشائي والسيراميك الوظيفي، وبالتالي يتم استخدامها على نطاق واسع. تتضمن طرق الطور السائل- الشائعة الترسيب الكيميائي، والطرق الحرارية المائية، وطرق هلام المحلول-.
تعمل طريقة الطور الغازي- على تصنيع مسحوق السيراميك المطلوب من خلال التفاعلات الكيميائية للغازات المتفاعلة في بيئة ذات درجة حرارة عالية-محليًا. ويشمل ترسيب البخار الكيميائي، وتركيب طور غاز البلازما-، وغيرها. المساحيق التي يتم تصنيعها بواسطة طرق الطور الغازي- لها مساحة سطح محددة كبيرة وتمتص الرطوبة أو التكتلات بسهولة، مما يجعلها غير مناسبة لتلبيد-السيراميك الإنشائي عالي الكثافة والمواد الخزفية الإلكترونية. بالإضافة إلى ذلك، فإن المواد الخام ومعدات تصنيع التفاعل المستخدمة في طرق الطور الغازي-باهظة الثمن ولها قدرة إنتاجية صغيرة جدًا، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف إعداد المسحوق.
02 عمليات التشكيل
وفقًا لخصائص التدفق والريولوجية للجسم، يمكن تقسيم طرق التشكيل إلى ثلاث فئات: تشكيل الجسم الجاف بالضغط، وتشكيل الجسم البلاستيكي، وتشكيل الملاط.
يتضمن التشكيل بالضغط، والذي يسمى أيضًا القولبة بالضغط، إضافة كمية صغيرة من المادة الرابطة إلى المسحوق (يتم التحكم في محتوى الرطوبة عند 4%-7%، أو حتى منخفض يصل إلى 1%-4%) للتحبيب، ثم وضع المسحوق المحبب في قالب وضغطه تحت مكبس لتشكيل جسم أخضر ذو شكل معين. ينقسم تشكيل الضغط إلى الضغط الجاف والضغط المتوازن.
يستخدم تشكيل البلاستيك جسمًا بلاستيكيًا كمواد أولية ويستخدم الضغط الناتج عن حركة القالب لتشويه الجسم بشكل بلاستيكي إلى جسم أخضر. تتكون المواد البلاستيكية بشكل أساسي من مسحوق السيراميك، والمواد الرابطة، والملدنات، والمذيبات، وعملية تحضير المواد الخام الخاصة بها تتطلب جهدًا كبيرًا. يحتوي الجسم البلاستيكي على كمية كبيرة نسبيًا من عامل التشكيل، ولكن بشكل عام لا تزيد عن 30%. تشمل طرق تشكيل البلاستيك البثق، وتقويم الشريط، وقولبة الحقن، وغيرها.
يستخدم تشكيل الملاط تعليقًا سيراميكيًا قابلاً للتدفق كمادة خام. بالإضافة إلى جزيئات المسحوق، يحتوي الملاط أيضًا على ماء ومشتت. يشمل تشكيل الملاط أساسًا الصب المنزلق، والصب الجيلي، وصب الشريط، وغيرها.
ينتمي كل من تشكيل البلاستيك وتشكيل الملاط إلى عمليات التشكيل الرطب. بالمقارنة مع التشكيل الجاف، يمكن للعمليات الرطبة التحكم بسهولة أكبر في تكتل المسحوق وتقليل محتوى الشوائب، وبالتالي إنتاج منتجات سيراميك ذات أشكال معقدة.
مع استمرار توسع مجالات تطبيق السيراميك المتقدم، ظهرت تقنيات جديدة مثل الترسيب بالطرد المركزي، والترسيب الكهربي، وصب التخثر المباشر، وتصنيع الشكل الحر الصلب واحدًا تلو الآخر.
03 عمليات التلبيد
تحتاج الأجسام الخزفية الخضراء إلى التلبد للحصول على بنية مجهرية كثيفة. في الأساس، التلبيد هو عملية انتشار متبادل بين مكونات المسحوق المختلفة. من خلال تعزيز الترابط بين الجزيئات، فإنه يمنح المواد الخزفية بنية مجهرية موحدة وشكلًا مستقرًا وقوة ميكانيكية عالية نسبيًا. تشمل عمليات التلبيد الشائعة التلبيد بدون ضغط، والتلبيد بالضغط المتوازن على الساخن، وتلبد البلازما الشرارة، وغيرها.
التلبيد بدون ضغط هو تلبيد المواد تحت الضغط الجوي دون ممارسة الضغط. يتم تنفيذ هذه الطريقة عمومًا تحت الأكسجين أو في جو غازي خاص. أثناء التلبيد بدون ضغط، لا يتعرض الجسم الأخضر المتشكل للضغط الخارجي؛ يتم ببساطة تسخين مجموع جزيئات المسحوق تحت الضغط الجوي وتحويله إلى جسم حبيبي مرتبط.
يشير التلبيد بضغط الغاز إلى تطبيق ضغط غاز معين أثناء تلبيد السيراميك بدرجة حرارة عالية-، في نطاق 1-10 ميجا باسكال (أي 10-100 ضغط جوي)، لمنع تحلل المواد الخزفية وفقدان وزنها عند درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة درجة حرارة التلبيد، وتعزيز التكثيف بشكل أكبر، وإنتاج منتجات سيراميك عالية الكثافة -.
التلبيد بالضغط الساخن- عبارة عن عملية تكثيف تجمع بين الضغط الميكانيكي ودرجة الحرارة المرتفعة. من خلال تطبيق الضغط المحوري والتسخين في القالب في نفس الوقت، فإنه يعزز بشكل كبير القوة الدافعة للتلبيد. تتمتع هذه العملية بثلاث مزايا أساسية: تحقيق التكثيف السريع، وتقصير دورة التلبيد، وتحسين الخواص الميكانيكية للمواد بشكل كبير. وهي مناسبة بشكل خاص لتحضير السيراميك عالي الأداء-.
يستخدم تلبيد الضغط المتوازن الساخن غازًا خاملًا كوسيط ويحقق تكثيف السيراميك تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع ثابت. بالنسبة لبعض المواد الخزفية ذات معاملات الانتشار الذاتي المنخفضة- والتي يصعب تكثيفها عن طريق التلبيد التقليدي، يمكن استخدام التلبيد بالضغط المتوازن على الساخن لزيادة القوة الدافعة للانتشار. يلبي الضغط المتساوي الضغط الساخن ظروف-الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية-المطلوبة لتلبيد السيراميك الشفاف وله مزايا فريدة في تلبيد الأجسام الخزفية الخضراء الشفافة.
يستخدم تلبيد شرارة البلازما (SPS) تسخين جول المباشر الناتج عن تيار مباشر نابض، بمساعدة الضغط الميكانيكي. نظرًا لخصائص التلبيد الخاصة به، يمكن استخدامه لتحضير السيراميك فائق الحرارة-عالي الحرارة-بسرعة. بالنسبة للسيراميك ذو درجة الحرارة العالية جدًا-- مثل Ta2AlC، وTaC، وZrB2-SiC، يمكن أن تحقق عملية SPS أوقات تلبيد قصيرة، وتأثيرات تقوية واضحة للحبيبات الدقيقة، وخصائص ميكانيكية محسنة بشكل كبير، ومقاومة أكسدة معززة.
تضيف عملية التلبيد البارد، تحت ضغط عالٍ، مذيبًا عابرًا إلى المسحوق لتعزيز إعادة ترتيب الجسيمات وانتشارها، وبالتالي تعزيز تكثيف مسحوق السيراميك عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا وفي وقت قصير نسبيًا. تخلق هذه العملية إمكانية تلبيد بدرجة حرارة منخفضة-لتحضير سيراميك هيكلي ووظيفي عالي الأداء-. في الوقت الحاضر، تم تطبيق هذه العملية بنجاح على تحضير وتلبيد مواد مختلفة، بما في ذلك سيراميك الأكسيد النموذجي، ومركبات السيراميك/السيراميك، والسيراميك العازل للميكروويف، والسيراميك الكهروإجهادي، والإلكتروليتات الصلبة، والمواد الكهروحرارية، ومركبات المواد النانوية السيراميكية/ثنائية الأبعاد.
تعتمد تقنية التلبيد بالضغط التذبذبي على -التلبيد بالضغط الساخن وتغيير الضغط الثابت إلى ضغط ديناميكي. من خلال إعادة ترتيب الجسيمات الناتجة عن الضغط التذبذبي المستمر، فإنه يزيد من كثافة تعبئة المسحوق قبل التلبيد. في الوقت نفسه، يوفر الضغط المتذبذب قوة دافعة أكبر للتلبيد لتلبيد المسحوق، مما يساعد على تعزيز دوران الحبوب والانزلاق وتدفق البلاستيك داخل الجسم الملبد، وبالتالي تسريع تكثيف الجسم الأخضر. تم استخدام هذه العملية في تحضير العديد من السيراميك الإنشائي، وتم بنجاح تطوير مواد خزفية عالية الأداء مثل ZrO2 وAl2O3 وSi3N4.