అధిక స్వచ్ఛత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్ తయారీ సాంకేతికతలలో పురోగతి

అధిక-స్వచ్ఛత సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) సిరామిక్స్ వాటి అసాధారణ ఉష్ణ వాహకత, రసాయన స్థిరత్వం మరియు యాంత్రిక బలం కారణంగా సెమీకండక్టర్, ఏరోస్పేస్ మరియు రసాయన పరిశ్రమలలో కీలకమైన భాగాలకు అనువైన పదార్థాలుగా ఉద్భవించాయి. అధిక-పనితీరు, తక్కువ-కాలుష్యం కలిగిన సిరామిక్ పరికరాల కోసం పెరుగుతున్న డిమాండ్లతో, అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్స్ కోసం సమర్థవంతమైన మరియు స్కేలబుల్ తయారీ సాంకేతికతల అభివృద్ధి ప్రపంచ పరిశోధనా కేంద్రంగా మారింది. ఈ పత్రం అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్స్ కోసం ప్రస్తుత ప్రధాన తయారీ పద్ధతులను క్రమపద్ధతిలో సమీక్షిస్తుంది, వీటిలో రీక్రిస్టలైజేషన్ సింటరింగ్, ప్రెషర్‌లెస్ సింటరింగ్ (PS), హాట్ ప్రెస్సింగ్ (HP), స్పార్క్ ప్లాస్మా సింటరింగ్ (SPS) మరియు సంకలిత తయారీ (AM) ఉన్నాయి, సింటరింగ్ మెకానిజమ్స్, కీలక పారామితులు, పదార్థ లక్షణాలు మరియు ప్రతి ప్రక్రియ యొక్క ప్రస్తుత సవాళ్లను చర్చించడంపై ప్రాధాన్యతనిస్తుంది.

సైనిక మరియు ఇంజనీరింగ్ రంగాలలో SiC సిరామిక్స్ యొక్క అప్లికేషన్

ప్రస్తుతం, అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్ భాగాలు సిలికాన్ వేఫర్ తయారీ పరికరాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి, ఆక్సీకరణ, లితోగ్రఫీ, ఎచింగ్ మరియు అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ వంటి ప్రధాన ప్రక్రియలలో పాల్గొంటాయి. వేఫర్ టెక్నాలజీ పురోగతితో, వేఫర్ పరిమాణాలను పెంచడం ఒక ముఖ్యమైన ధోరణిగా మారింది. ప్రస్తుత ప్రధాన స్రవంతి వేఫర్ పరిమాణం 300 మిమీ, ఖర్చు మరియు ఉత్పత్తి సామర్థ్యం మధ్య మంచి సమతుల్యతను సాధిస్తోంది. అయితే, మూర్ చట్టం ప్రకారం, 450 మిమీ వేఫర్‌ల భారీ ఉత్పత్తి ఇప్పటికే ఎజెండాలో ఉంది. పెద్ద వేఫర్‌లకు సాధారణంగా వార్పింగ్ మరియు వైకల్యాన్ని నిరోధించడానికి అధిక నిర్మాణ బలం అవసరం, పెద్ద-పరిమాణం, అధిక-బలం, అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్ భాగాలకు పెరుగుతున్న డిమాండ్‌ను మరింత పెంచుతుంది. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, అచ్చులు అవసరం లేని వేగవంతమైన నమూనా సాంకేతికతగా సంకలిత తయారీ (3D ప్రింటింగ్), దాని పొరల వారీగా నిర్మాణం మరియు సౌకర్యవంతమైన డిజైన్ సామర్థ్యాల కారణంగా సంక్లిష్ట-నిర్మాణాత్మక SiC సిరామిక్ భాగాల తయారీలో అపారమైన సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శించింది, విస్తృత దృష్టిని ఆకర్షించింది.

ఈ పత్రం అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్స్ కోసం ఐదు ప్రాతినిధ్య తయారీ పద్ధతులను క్రమపద్ధతిలో విశ్లేషిస్తుంది - రీక్రిస్టలైజేషన్ సింటరింగ్, ప్రెజర్‌లెస్ సింటరింగ్, హాట్ ప్రెస్సింగ్, స్పార్క్ ప్లాస్మా సింటరింగ్ మరియు సంకలిత తయారీ - వాటి సింటరింగ్ విధానాలు, ప్రాసెస్ ఆప్టిమైజేషన్ వ్యూహాలు, మెటీరియల్ పనితీరు లక్షణాలు మరియు పారిశ్రామిక అనువర్తన అవకాశాలపై దృష్టి సారిస్తుంది.

అధిక స్వచ్ఛత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ ముడి పదార్థాల అవసరాలు

I. రీక్రిస్టలైజేషన్ సింటరింగ్

రీక్రిస్టలైజ్డ్ సిలికాన్ కార్బైడ్ (RSiC) అనేది 2100–2500°C అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద సింటరింగ్ సహాయాలు లేకుండా తయారు చేయబడిన అధిక-స్పష్టత కలిగిన SiC పదార్థం. ఫ్రెడ్రిక్సన్ 19వ శతాబ్దం చివరలో మొదటిసారిగా రీక్రిస్టలైజేషన్ దృగ్విషయాన్ని కనుగొన్నప్పటి నుండి, RSiC దాని శుభ్రమైన గ్రెయిన్ సరిహద్దులు మరియు గాజు దశలు మరియు మలినాలు లేకపోవడం వల్ల గణనీయమైన దృష్టిని ఆకర్షించింది. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, SiC సాపేక్షంగా అధిక ఆవిరి పీడనాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది మరియు దాని సింటరింగ్ విధానం ప్రధానంగా బాష్పీభవన-సంక్షేపణ ప్రక్రియను కలిగి ఉంటుంది: చక్కటి గ్రెయిన్‌లు ఆవిరైపోయి పెద్ద గ్రెయిన్‌ల ఉపరితలాలపై తిరిగి నిక్షిప్తం చేయబడతాయి, మెడ పెరుగుదలను మరియు గ్రెయిన్‌ల మధ్య ప్రత్యక్ష బంధాన్ని ప్రోత్సహిస్తాయి, తద్వారా పదార్థ బలాన్ని పెంచుతాయి.

1990లో, క్రీగెస్మాన్ 2200°C వద్ద స్లిప్ కాస్టింగ్ ఉపయోగించి 79.1% సాపేక్ష సాంద్రతతో RSiCని తయారు చేశాడు, క్రాస్-సెక్షన్ ముతక ధాన్యాలు మరియు రంధ్రాలతో కూడిన సూక్ష్మ నిర్మాణాన్ని చూపిస్తుంది. తదనంతరం, యి మరియు ఇతరులు ఆకుపచ్చ వస్తువులను తయారు చేయడానికి జెల్ కాస్టింగ్‌ను ఉపయోగించారు మరియు వాటిని 2450°C వద్ద సింటరింగ్ చేశారు, 2.53 g/cm³ బల్క్ సాంద్రత మరియు 55.4 MPa ఫ్లెక్చరల్ బలంతో RSiC సిరామిక్‌లను పొందారు.

RSiC యొక్క SEM ఫ్రాక్చర్ ఉపరితలం

దట్టమైన SiC తో పోలిస్తే, RSiC తక్కువ సాంద్రత (సుమారు 2.5 గ్రా/సెం.మీ³) మరియు దాదాపు 20% ఓపెన్ పోరోసిటీని కలిగి ఉంటుంది, ఇది అధిక-శక్తి అనువర్తనాల్లో దాని పనితీరును పరిమితం చేస్తుంది. అందువల్ల, RSiC యొక్క సాంద్రత మరియు యాంత్రిక లక్షణాలను మెరుగుపరచడం ఒక కీలకమైన పరిశోధనా కేంద్రంగా మారింది. సుంగ్ మరియు ఇతరులు కరిగిన సిలికాన్‌ను కార్బన్/β-SiC మిశ్రమ కాంపాక్ట్‌లలోకి చొరబడి 2200°C వద్ద తిరిగి స్ఫటికీకరించాలని ప్రతిపాదించారు, α-SiC ముతక ధాన్యాలతో కూడిన నెట్‌వర్క్ నిర్మాణాన్ని విజయవంతంగా నిర్మించారు. ఫలితంగా వచ్చిన RSiC 2.7 గ్రా/సెం.మీ³ సాంద్రత మరియు 134 MPa ఫ్లెక్చరల్ బలాన్ని సాధించింది, అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద అద్భుతమైన యాంత్రిక స్థిరత్వాన్ని కొనసాగించింది.

సాంద్రతను మరింత పెంచడానికి, గువో మరియు ఇతరులు RSiC యొక్క బహుళ చికిత్సల కోసం పాలిమర్ ఇన్‌ఫిల్ట్రేషన్ మరియు పైరోలిసిస్ (PIP) సాంకేతికతను ఉపయోగించారు. PCS/xylene సొల్యూషన్స్ మరియు SiC/PCS/xylene స్లర్రీలను ఇన్‌ఫిల్ట్రెంట్‌లుగా ఉపయోగించి, 3–6 PIP చక్రాల తర్వాత, RSiC యొక్క సాంద్రత గణనీయంగా మెరుగుపడింది (2.90 g/cm³ వరకు), దాని వశ్యత బలంతో పాటు. అదనంగా, వారు PIP మరియు పునఃస్ఫటికీకరణను కలిపే చక్రీయ వ్యూహాన్ని ప్రతిపాదించారు: 1400°C వద్ద పైరోలిసిస్ తరువాత 2400°C వద్ద పునఃస్ఫటికీకరణ, కణ అడ్డంకులను సమర్థవంతంగా తొలగించి, సచ్ఛిద్రతను తగ్గిస్తుంది. తుది RSiC పదార్థం 2.99 g/cm³ సాంద్రత మరియు 162.3 MPa వశ్యత బలాన్ని సాధించింది, ఇది అత్యుత్తమ సమగ్ర పనితీరును ప్రదర్శించింది.

పాలిమర్ ఇంప్రెగ్నేషన్ మరియు పైరోలిసిస్ (PIP)-రీక్రిస్టలైజేషన్ సైకిల్స్ తర్వాత పాలిష్ చేసిన RSiC యొక్క మైక్రోస్ట్రక్చర్ పరిణామం యొక్క SEM చిత్రాలు: ప్రారంభ RSiC (A), మొదటి PIP-రీక్రిస్టలైజేషన్ సైకిల్ (B) తర్వాత మరియు మూడవ సైకిల్ (C) తర్వాత.

II. ఒత్తిడి లేని సింటరింగ్

ప్రెషర్‌లెస్-సింటర్డ్ సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) సిరామిక్స్‌ను సాధారణంగా అధిక-స్వచ్ఛత, అల్ట్రాఫైన్ SiC పౌడర్‌ను ముడి పదార్థంగా ఉపయోగించి తయారు చేస్తారు, తక్కువ మొత్తంలో సింటరింగ్ సహాయాలను జోడించి, 1800–2150°C వద్ద జడ వాతావరణంలో లేదా వాక్యూమ్‌లో సింటరింగ్ చేస్తారు. ఈ పద్ధతి పెద్ద-పరిమాణ మరియు సంక్లిష్ట-నిర్మాణాత్మక సిరామిక్ భాగాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయితే, SiC ప్రధానంగా సమయోజనీయ బంధంతో ఉన్నందున, దాని స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకం చాలా తక్కువగా ఉంటుంది, సింటరింగ్ సహాయాలు లేకుండా సాంద్రతను కష్టతరం చేస్తుంది.

సింటరింగ్ విధానం ఆధారంగా, పీడనరహిత సింటరింగ్‌ను రెండు వర్గాలుగా విభజించవచ్చు: పీడనరహిత ద్రవ-దశ సింటరింగ్ (PLS-SiC) మరియు పీడనరహిత ఘన-స్థితి సింటరింగ్ (PSS-SiC).

1.1 PLS-SiC (ద్రవ-దశ సింటరింగ్)

PLS-SiC సాధారణంగా 2000°C కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద సింటరింగ్ చేయబడుతుంది, దీనిలో సుమారు 10 wt.% యూటెక్టిక్ సింటరింగ్ సహాయాలను (Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂, మరియు అరుదైన-భూమి ఆక్సైడ్లు RE₂O₃ వంటివి) జోడించి ద్రవ దశను ఏర్పరుస్తుంది, సాంద్రతను సాధించడానికి కణ పునర్వ్యవస్థీకరణ మరియు ద్రవ్యరాశి బదిలీని ప్రోత్సహిస్తుంది. ఈ ప్రక్రియ పారిశ్రామిక-గ్రేడ్ SiC సిరామిక్స్‌కు అనుకూలంగా ఉంటుంది, కానీ ద్రవ-దశ సింటరింగ్ ద్వారా అధిక-స్వచ్ఛత SiC సాధించబడిందని ఎటువంటి నివేదికలు లేవు.

1.2 PSS-SiC (సాలిడ్-స్టేట్ సింటరింగ్)

PSS-SiC లో 2000°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద సుమారు 1 wt.% సంకలనాలతో ఘన-స్థితి సాంద్రత ఉంటుంది. ఈ ప్రక్రియ ప్రధానంగా ఉపరితల శక్తిని తగ్గించడానికి మరియు సాంద్రతను సాధించడానికి అధిక ఉష్ణోగ్రతల ద్వారా నడిచే అణు వ్యాప్తి మరియు ధాన్యం పునర్వ్యవస్థీకరణపై ఆధారపడి ఉంటుంది. BC (బోరాన్-కార్బన్) వ్యవస్థ అనేది ఒక సాధారణ సంకలిత కలయిక, ఇది ధాన్యం సరిహద్దు శక్తిని తగ్గించగలదు మరియు SiC ఉపరితలం నుండి SiO₂ ను తొలగించగలదు. అయితే, సాంప్రదాయ BC సంకలనాలు తరచుగా అవశేష మలినాలను పరిచయం చేస్తాయి, SiC స్వచ్ఛతను తగ్గిస్తాయి.

సంకలిత పదార్థాన్ని (B 0.4 wt.%, C 1.8 wt.%) నియంత్రించడం ద్వారా మరియు 2150°C వద్ద 0.5 గంటల పాటు సింటరింగ్ చేయడం ద్వారా, 99.6 wt.% స్వచ్ఛత మరియు 98.4% సాపేక్ష సాంద్రత కలిగిన అధిక-స్వచ్ఛత SiC సిరామిక్‌లను పొందారు. సూక్ష్మ నిర్మాణం స్తంభ ధాన్యాలను (కొన్ని పొడవు 450 µm కంటే ఎక్కువ) చూపించింది, ధాన్యం సరిహద్దుల వద్ద చిన్న రంధ్రాలు మరియు ధాన్యాల లోపల గ్రాఫైట్ కణాలు ఉన్నాయి. సిరామిక్స్ 443 ± 27 MPa యొక్క వంపు బలాన్ని, 420 ± 1 GPa యొక్క సాగే మాడ్యులస్‌ను మరియు గది ఉష్ణోగ్రత నుండి 600°C వరకు పరిధిలో 3.84 × 10⁻⁶ K⁻¹ యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకాన్ని ప్రదర్శించింది, ఇది అద్భుతమైన మొత్తం పనితీరును ప్రదర్శిస్తుంది.

PSS-SiC యొక్క సూక్ష్మ నిర్మాణం: (A) పాలిషింగ్ మరియు NaOH ఎచింగ్ తర్వాత SEM ఇమేజ్; (BD) పాలిషింగ్ మరియు ఎచింగ్ తర్వాత BSD ఇమేజ్‌లు

III. హాట్ ప్రెస్సింగ్ సింటరింగ్

హాట్ ప్రెస్సింగ్ (HP) సింటరింగ్ అనేది అధిక-ఉష్ణోగ్రత మరియు అధిక-పీడన పరిస్థితులలో పొడి పదార్థాలకు వేడి మరియు ఏక అక్షసంబంధ పీడనాన్ని ఏకకాలంలో వర్తింపజేసే సాంద్రత సాంకేతికత. అధిక పీడనం రంధ్రాల నిర్మాణాన్ని గణనీయంగా నిరోధిస్తుంది మరియు ధాన్యం పెరుగుదలను పరిమితం చేస్తుంది, అయితే అధిక ఉష్ణోగ్రత ధాన్యం కలయికను మరియు దట్టమైన నిర్మాణాల ఏర్పాటును ప్రోత్సహిస్తుంది, చివరికి అధిక-సాంద్రత, అధిక-స్వచ్ఛత SiC సిరామిక్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. నొక్కడం యొక్క దిశాత్మక స్వభావం కారణంగా, ఈ ప్రక్రియ ధాన్యం అనిసోట్రోపిని ప్రేరేపిస్తుంది, ఇది యాంత్రిక మరియు ధరించే లక్షణాలను ప్రభావితం చేస్తుంది.

సంకలనాలు లేకుండా స్వచ్ఛమైన SiC సిరామిక్స్‌ను సాంద్రత చేయడం కష్టం, దీనికి అల్ట్రాహై-ప్రెజర్ సింటరింగ్ అవసరం. నడేయు మరియు ఇతరులు 2500°C మరియు 5000 MPa వద్ద సంకలనాలు లేకుండా పూర్తిగా దట్టమైన SiCని విజయవంతంగా తయారు చేశారు; సన్ మరియు ఇతరులు 25 GPa మరియు 1400°C వద్ద 41.5 GPa వరకు వికర్స్ కాఠిన్యం కలిగిన β-SiC బల్క్ పదార్థాలను పొందారు. 4 GPa పీడనాన్ని ఉపయోగించి, సుమారు 98% మరియు 99% సాపేక్ష సాంద్రతలు, 35 GPa కాఠిన్యం మరియు 450 GPa సాగే మాడ్యులస్ కలిగిన SiC సిరామిక్స్‌ను వరుసగా 1500°C మరియు 1900°C వద్ద తయారు చేశారు. 5 GPa మరియు 1500°C వద్ద సింటరింగ్ మైక్రాన్-పరిమాణ SiC పౌడర్ 31.3 GPa కాఠిన్యం మరియు 98.4% సాపేక్ష సాంద్రత కలిగిన సిరామిక్స్‌ను అందించింది.

ఈ ఫలితాలు అల్ట్రాహై ప్రెజర్ సంకలిత రహిత సాంద్రతను సాధించగలవని నిరూపిస్తున్నప్పటికీ, అవసరమైన పరికరాల సంక్లిష్టత మరియు అధిక ధర పారిశ్రామిక అనువర్తనాలను పరిమితం చేస్తాయి. అందువల్ల, ఆచరణాత్మక తయారీలో, సింటరింగ్ చోదక శక్తిని పెంచడానికి ట్రేస్ సంకలనాలు లేదా పౌడర్ గ్రాన్యులేషన్ తరచుగా ఉపయోగించబడతాయి.

4 wt.% ఫినోలిక్ రెసిన్‌ను సంకలితంగా జోడించి 2350°C మరియు 50 MPa వద్ద సింటరింగ్ చేయడం ద్వారా, 92% సాంద్రత రేటు మరియు 99.998% స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్‌లను పొందారు. తక్కువ సంకలిత మొత్తాలను (బోరిక్ ఆమ్లం మరియు D-ఫ్రక్టోజ్) మరియు 2050°C మరియు 40 MPa వద్ద సింటరింగ్ ఉపయోగించి, సాపేక్ష సాంద్రత >99.5% మరియు కేవలం 556 ppm యొక్క అవశేష B కంటెంట్‌తో అధిక-స్వచ్ఛత SiC తయారు చేయబడింది. SEM చిత్రాలు ఒత్తిడి లేని-సింటరింగ్ నమూనాలతో పోలిస్తే, వేడి-ఒత్తిడి చేయబడిన నమూనాలలో చిన్న ధాన్యాలు, తక్కువ రంధ్రాలు మరియు అధిక సాంద్రత ఉన్నాయని చూపించాయి. ఫ్లెక్చరల్ బలం 453.7 ± 44.9 MPa, మరియు ఎలాస్టిక్ మాడ్యులస్ 444.3 ± 1.1 GPaకి చేరుకుంది.

1900°C వద్ద హోల్డింగ్ సమయాన్ని పొడిగించడం ద్వారా, గ్రెయిన్ పరిమాణం 1.5 μm నుండి 1.8 μmకి పెరిగింది మరియు ఉష్ణ వాహకత 155 నుండి 167 W·m⁻¹·K⁻¹కి మెరుగుపడింది, అదే సమయంలో ప్లాస్మా తుప్పు నిరోధకతను కూడా పెంచుతుంది.

1850°C మరియు 30 MPa పరిస్థితులలో, గ్రాన్యులేటెడ్ మరియు ఎనియల్డ్ SiC పౌడర్ యొక్క హాట్ ప్రెస్సింగ్ మరియు వేగవంతమైన హాట్ ప్రెస్సింగ్ ఎటువంటి సంకలనాలు లేకుండా పూర్తిగా దట్టమైన β-SiC సిరామిక్‌లను అందించాయి, దీని సాంద్రత 3.2 g/cm³ మరియు సింటరింగ్ ఉష్ణోగ్రత 150–200°C సాంప్రదాయ ప్రక్రియల కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. సిరామిక్స్ 2729 GPa కాఠిన్యాన్ని, 5.25–5.30 MPa·m^1/2 ఫ్రాక్చర్ టఫ్‌నెస్‌ను మరియు అద్భుతమైన క్రీప్ రెసిస్టెన్స్‌ను (1400°C/1450°C మరియు 100 MPa వద్ద 9.9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ మరియు 3.8 × 10⁻⁹ s⁻¹ క్రీప్ రేట్లు) ప్రదర్శించాయి.

(ఎ) పాలిష్ చేసిన ఉపరితలం యొక్క SEM చిత్రం; (బి) పగులు ఉపరితలం యొక్క SEM చిత్రం; (సి, డి) పాలిష్ చేసిన ఉపరితలం యొక్క BSD చిత్రం

పైజోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్ కోసం 3D ప్రింటింగ్ పరిశోధనలో, సిరామిక్ స్లర్రీ, నిర్మాణం మరియు పనితీరును ప్రభావితం చేసే ప్రధాన అంశంగా, దేశీయంగా మరియు అంతర్జాతీయంగా కీలక దృష్టి కేంద్రంగా మారింది. ప్రస్తుత అధ్యయనాలు సాధారణంగా పౌడర్ పార్టికల్ సైజు, స్లర్రీ స్నిగ్ధత మరియు ఘన పదార్థం వంటి పారామితులు తుది ఉత్పత్తి యొక్క నిర్మాణ నాణ్యత మరియు పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలను గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తాయని సూచిస్తున్నాయి.

మైక్రాన్-, సబ్‌మైక్రాన్- మరియు నానో-సైజ్ బేరియం టైటనేట్ పౌడర్‌లను ఉపయోగించి తయారు చేయబడిన సిరామిక్ స్లర్రీలు స్టీరియోలితోగ్రఫీ (ఉదా., LCD-SLA) ప్రక్రియలలో గణనీయమైన తేడాలను ప్రదర్శిస్తాయని పరిశోధనలో తేలింది. కణ పరిమాణం తగ్గినప్పుడు, స్లర్రీ స్నిగ్ధత గణనీయంగా పెరుగుతుంది, నానో-సైజ్ పౌడర్‌లు స్నిగ్ధతలతో స్లర్రీలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, బిలియన్ల mPa·s చేరుకుంటాయి. మైక్రాన్-సైజ్ పౌడర్‌లతో స్లర్రీలు ప్రింటింగ్ సమయంలో డీలామినేషన్ మరియు పీలింగ్‌కు గురవుతాయి, అయితే సబ్‌మైక్రాన్ మరియు నానో-సైజ్ పౌడర్‌లు మరింత స్థిరమైన నిర్మాణ ప్రవర్తనను ప్రదర్శిస్తాయి. అధిక-ఉష్ణోగ్రత సింటరింగ్ తర్వాత, ఫలిత సిరామిక్ నమూనాలు 5.44 g/cm³ సాంద్రతను, సుమారు 200 pC/N యొక్క పైజోఎలెక్ట్రిక్ గుణకం (d₃₃) మరియు తక్కువ నష్ట కారకాలను సాధించాయి, ఇవి అద్భుతమైన ఎలక్ట్రోమెకానికల్ ప్రతిస్పందన లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి.

అదనంగా, మైక్రో-స్టీరియోలితోగ్రఫీ ప్రక్రియలలో, PZT-రకం స్లర్రీల (ఉదా., 75 wt.%) ఘన పదార్థాన్ని సర్దుబాటు చేయడం వలన 7.35 g/cm³ సాంద్రత కలిగిన సింటర్డ్ బాడీలు లభించాయి, పోలింగ్ ఎలక్ట్రిక్ క్షేత్రాల కింద 600 pC/N వరకు పైజోఎలెక్ట్రిక్ స్థిరాంకం సాధించబడింది. మైక్రో-స్కేల్ డిఫార్మేషన్ పరిహారంపై పరిశోధన నిర్మాణ ఖచ్చితత్వాన్ని గణనీయంగా మెరుగుపరిచింది, రేఖాగణిత ఖచ్చితత్వాన్ని 80% వరకు పెంచింది.

PMN-PT పైజోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్‌పై జరిగిన మరో అధ్యయనంలో ఘన పదార్థం సిరామిక్ నిర్మాణం మరియు విద్యుత్ లక్షణాలను తీవ్రంగా ప్రభావితం చేస్తుందని వెల్లడైంది. 80 wt.% ఘన పదార్థం వద్ద, ఉపఉత్పత్తులు సిరామిక్స్‌లో సులభంగా కనిపించాయి; ఘన పదార్థం 82 wt.% మరియు అంతకంటే ఎక్కువకు పెరిగినప్పుడు, ఉపఉత్పత్తులు క్రమంగా అదృశ్యమయ్యాయి మరియు సిరామిక్ నిర్మాణం గణనీయంగా మెరుగైన పనితీరుతో స్వచ్ఛంగా మారింది. 82 wt.% వద్ద, సిరామిక్స్ సరైన విద్యుత్ లక్షణాలను ప్రదర్శించాయి: 730 pC/N యొక్క పైజోఎలెక్ట్రిక్ స్థిరాంకం, 7226 యొక్క సాపేక్ష పర్మిటివిటీ మరియు 0.07 యొక్క విద్యుద్వాహక నష్టం మాత్రమే.

సారాంశంలో, సిరామిక్ స్లర్రీల యొక్క కణ పరిమాణం, ఘన పదార్థం మరియు భూగర్భ లక్షణాలు ముద్రణ ప్రక్రియ యొక్క స్థిరత్వం మరియు ఖచ్చితత్వాన్ని ప్రభావితం చేయడమే కాకుండా, సింటెర్డ్ బాడీల సాంద్రత మరియు పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రతిస్పందనను నేరుగా నిర్ణయిస్తాయి, ఇవి అధిక-పనితీరు గల 3D-ప్రింటెడ్ పైజోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్‌ను సాధించడానికి కీలకమైన పారామితులుగా చేస్తాయి.

BT/UV నమూనాల LCD-SLA 3D ప్రింటింగ్ యొక్క ప్రధాన ప్రక్రియ

విభిన్న ఘన పదార్థాలతో కూడిన PMN-PT సిరామిక్స్ యొక్క లక్షణాలు

IV. స్పార్క్ ప్లాస్మా సింటరింగ్

స్పార్క్ ప్లాస్మా సింటరింగ్ (SPS) అనేది ఒక అధునాతన సింటరింగ్ టెక్నాలజీ, ఇది పల్స్డ్ కరెంట్ మరియు యాంత్రిక పీడనాన్ని ఉపయోగించి పౌడర్లకు ఒకేసారి వర్తించే వేగవంతమైన సాంద్రతను సాధిస్తుంది. ఈ ప్రక్రియలో, కరెంట్ నేరుగా అచ్చు మరియు పొడిని వేడి చేస్తుంది, జూల్ వేడి మరియు ప్లాస్మాను ఉత్పత్తి చేస్తుంది, తక్కువ సమయంలో (సాధారణంగా 10 నిమిషాల్లోపు) సమర్థవంతమైన సింటరింగ్‌ను అనుమతిస్తుంది. వేగవంతమైన తాపన ఉపరితల వ్యాప్తిని ప్రోత్సహిస్తుంది, అయితే స్పార్క్ డిశ్చార్జ్ పౌడర్ ఉపరితలాల నుండి శోషించబడిన వాయువులు మరియు ఆక్సైడ్ పొరలను తొలగించడంలో సహాయపడుతుంది, సింటరింగ్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది. విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాల ద్వారా ప్రేరేపించబడిన ఎలక్ట్రోమైగ్రేషన్ ప్రభావం కూడా అణు వ్యాప్తిని పెంచుతుంది.

సాంప్రదాయ హాట్ ప్రెస్సింగ్‌తో పోలిస్తే, SPS ఎక్కువ ప్రత్యక్ష తాపనాన్ని ఉపయోగిస్తుంది, తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద సాంద్రతను అనుమతిస్తుంది, అదే సమయంలో ధాన్యం పెరుగుదలను సమర్థవంతంగా నిరోధిస్తుంది మరియు చక్కటి మరియు ఏకరీతి సూక్ష్మ నిర్మాణాలను పొందుతుంది. ఉదాహరణకు:

• సంకలనాలు లేకుండా, గ్రౌండ్ SiC పౌడర్‌ను ముడి పదార్థంగా ఉపయోగించి, 2100°C మరియు 70 MPa వద్ద 30 నిమిషాల పాటు సింటరింగ్ చేయడం వలన 98% సాపేక్ష సాంద్రత కలిగిన నమూనాలు లభించాయి.
• 1700°C మరియు 40 MPa వద్ద 10 నిమిషాలు సింటరింగ్ చేయడం వలన 98% సాంద్రత మరియు 30–50 nm మాత్రమే ఉన్న గ్రెయిన్ సైజులతో క్యూబిక్ SiC ఉత్పత్తి అయింది.
• 80 µm గ్రాన్యులర్ SiC పౌడర్‌ను ఉపయోగించి 1860°C మరియు 50 MPa వద్ద 5 నిమిషాలు సింటరింగ్ చేయడం వలన 98.5% సాపేక్ష సాంద్రత, 28.5 GPa యొక్క వికర్స్ మైక్రోహార్డ్‌నెస్, 395 MPa యొక్క ఫ్లెక్చరల్ బలం మరియు 4.5 MPa·m^1/2 యొక్క ఫ్రాక్చర్ టఫ్‌నెస్‌తో అధిక-పనితీరు గల SiC సిరామిక్స్ లభించాయి.

సూక్ష్మ నిర్మాణ విశ్లేషణ ప్రకారం సింటరింగ్ ఉష్ణోగ్రత 1600°C నుండి 1860°C కి పెరిగినప్పుడు, పదార్థ సచ్ఛిద్రత గణనీయంగా తగ్గింది, అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పూర్తి సాంద్రతకు చేరుకుంది.

వివిధ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద సింటరింగ్ చేయబడిన SiC సిరామిక్స్ యొక్క సూక్ష్మ నిర్మాణం: (A) 1600°C, (B) 1700°C, (C) 1790°C మరియు (D) 1860°C

V. సంకలిత తయారీ

సంకలిత తయారీ (AM) ఇటీవల దాని పొరల వారీగా నిర్మాణ ప్రక్రియ కారణంగా సంక్లిష్టమైన సిరామిక్ భాగాలను తయారు చేయడంలో అపారమైన సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శించింది. SiC సిరామిక్స్ కోసం, బైండర్ జెట్టింగ్ (BJ), 3DP, సెలెక్టివ్ లేజర్ సింటరింగ్ (SLS), డైరెక్ట్ ఇంక్ రైటింగ్ (DIW) మరియు స్టీరియోలితోగ్రఫీ (SL, DLP) వంటి బహుళ AM సాంకేతికతలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. అయితే, 3DP మరియు DIW తక్కువ ఖచ్చితత్వాన్ని కలిగి ఉంటాయి, అయితే SLS ఉష్ణ ఒత్తిడి మరియు పగుళ్లను ప్రేరేపిస్తాయి. దీనికి విరుద్ధంగా, అధిక-స్వచ్ఛత, అధిక-ఖచ్చితత్వ సంక్లిష్ట సిరామిక్‌లను ఉత్పత్తి చేయడంలో BJ మరియు SL ఎక్కువ ప్రయోజనాలను అందిస్తాయి.

1. బైండర్ జెట్టింగ్ (BJ)

BJ టెక్నాలజీలో బాండ్ పౌడర్‌కు బైండర్‌ను పొరల వారీగా చల్లడం, ఆ తర్వాత తుది సిరామిక్ ఉత్పత్తిని పొందడానికి డీబైండింగ్ మరియు సింటరింగ్ చేయడం జరుగుతుంది. BJని రసాయన ఆవిరి చొరబాటు (CVI)తో కలిపి, అధిక స్వచ్ఛత కలిగిన, పూర్తిగా స్ఫటికాకార SiC సిరామిక్‌లను విజయవంతంగా తయారు చేశారు. ఈ ప్రక్రియలో ఇవి ఉన్నాయి:

① BJ ఉపయోగించి SiC సిరామిక్ గ్రీన్ బాడీలను ఏర్పరచడం.
② 1000°C మరియు 200 టోర్ వద్ద CVI ద్వారా సాంద్రతను పెంచడం.
③ చివరి SiC సిరామిక్ సాంద్రత 2.95 g/cm³, ఉష్ణ వాహకత 37 W/m·K మరియు 297 MPa వంగుట బలం కలిగి ఉంది.

అంటుకునే జెట్ (BJ) ముద్రణ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం. (A) కంప్యూటర్-ఎయిడెడ్ డిజైన్ (CAD) మోడల్, (B) BJ సూత్రం యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం, (C) BJ ద్వారా SiC ముద్రణ, (D) రసాయన ఆవిరి చొరబాటు ద్వారా SiC సాంద్రత (CVI)

2. స్టీరియోలితోగ్రఫీ (SL)

SL అనేది UV-క్యూరింగ్ ఆధారిత సిరామిక్ ఫార్మింగ్ టెక్నాలజీ, ఇది చాలా ఎక్కువ ఖచ్చితత్వం మరియు సంక్లిష్ట నిర్మాణ తయారీ సామర్థ్యాలను కలిగి ఉంటుంది. ఈ పద్ధతి అధిక ఘన పదార్థం మరియు తక్కువ స్నిగ్ధత కలిగిన ఫోటోసెన్సిటివ్ సిరామిక్ స్లర్రీలను ఉపయోగించి ఫోటోపాలిమరైజేషన్ ద్వారా 3D సిరామిక్ గ్రీన్ బాడీలను ఏర్పరుస్తుంది, తరువాత డీబైండింగ్ మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత సింటరింగ్ ద్వారా తుది ఉత్పత్తిని పొందవచ్చు.

35 వాల్యూమ్.% SiC స్లర్రీని ఉపయోగించి, అధిక-నాణ్యత 3D గ్రీన్ బాడీలను 405 nm UV వికిరణం కింద తయారు చేశారు మరియు 800°C వద్ద పాలిమర్ బర్నౌట్ మరియు PIP చికిత్స ద్వారా మరింత సాంద్రతను పొందారు. 35 వాల్యూమ్.% స్లర్రీతో తయారు చేసిన నమూనాలు 84.8% సాపేక్ష సాంద్రతను సాధించాయని, 30% మరియు 40% నియంత్రణ సమూహాలను అధిగమించాయని ఫలితాలు చూపించాయి.

స్లర్రీని సవరించడానికి లిపోఫిలిక్ SiO₂ మరియు ఫినోలిక్ ఎపాక్సీ రెసిన్ (PEA) ను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా, ఫోటోపాలిమరైజేషన్ పనితీరు సమర్థవంతంగా మెరుగుపడింది. 1600°C వద్ద 4 గంటలు సింటరింగ్ చేసిన తర్వాత, దాదాపు పూర్తి స్థాయిలో SiC మార్పిడి సాధించబడింది, తుది ఆక్సిజన్ కంటెంట్ కేవలం 0.12% మాత్రమే, ప్రీ-ఆక్సీకరణ లేదా ప్రీ-ఇన్‌ఫిల్ట్రేషన్ దశలు లేకుండా అధిక-స్వచ్ఛత, సంక్లిష్ట-నిర్మాణాత్మక SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఒక-దశ తయారీని అనుమతిస్తుంది.

ప్రింటింగ్ నిర్మాణం మరియు దాని సింటరింగ్ ప్రక్రియ యొక్క దృష్టాంతం. (A) 25°C వద్ద ఎండబెట్టడం, (B) 1000°C వద్ద పైరోలైసిస్ మరియు (C) 1600°C వద్ద సింటరింగ్ తర్వాత నమూనా కనిపించడం.

స్టీరియోలితోగ్రఫీ 3D ప్రింటింగ్ కోసం ఫోటోసెన్సిటివ్ Si₃N₄ సిరామిక్ స్లర్రీలను రూపొందించడం ద్వారా మరియు డీబైండింగ్-ప్రెసింటరింగ్ మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత వృద్ధాప్య ప్రక్రియలను ఉపయోగించడం ద్వారా, 93.3% సైద్ధాంతిక సాంద్రత, 279.8 MPa తన్యత బలం మరియు 308.5–333.2 MPa ఫ్లెక్చరల్ బలం కలిగిన Si₃N₄ సిరామిక్‌లను తయారు చేశారు. 45 వాల్యూమ్.% ఘన కంటెంట్ మరియు 10 సెకన్ల ఎక్స్‌పోజర్ సమయం ఉన్న పరిస్థితులలో, IT77-స్థాయి క్యూరింగ్ ఖచ్చితత్వంతో సింగిల్-లేయర్ గ్రీన్ బాడీలను పొందవచ్చని అధ్యయనాలు కనుగొన్నాయి. 0.1 °C/min తాపన రేటుతో తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత డీబైండింగ్ ప్రక్రియ పగుళ్లు లేని గ్రీన్ బాడీలను ఉత్పత్తి చేయడంలో సహాయపడింది.

స్టీరియోలితోగ్రఫీలో తుది పనితీరును ప్రభావితం చేసే కీలకమైన దశ సింటరింగ్. సింటరింగ్ సహాయాలను జోడించడం వల్ల సిరామిక్ సాంద్రత మరియు యాంత్రిక లక్షణాలను సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తుందని పరిశోధనలు చూపిస్తున్నాయి. అధిక సాంద్రత కలిగిన Si₃N₄ సిరామిక్‌లను తయారు చేయడానికి సింటరింగ్ సహాయంగా మరియు విద్యుత్ క్షేత్ర-సహాయక సింటరింగ్ సాంకేతికతగా CeO₂ను ఉపయోగించడం ద్వారా, CeO₂ ధాన్యం సరిహద్దుల వద్ద వేరు చేయబడిందని, ధాన్యం సరిహద్దు జారడం మరియు సాంద్రతను ప్రోత్సహిస్తుందని కనుగొనబడింది. ఫలితంగా వచ్చిన సిరామిక్స్ HV10/10 (1347.9 ± 2.4) యొక్క వికర్స్ కాఠిన్యం మరియు (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/² యొక్క ఫ్రాక్చర్ గట్టిదనాన్ని ప్రదర్శించాయి. MgO–Y₂O₃ను సంకలనాలుగా ఉపయోగించడంతో, సిరామిక్ మైక్రోస్ట్రక్చర్ సజాతీయత మెరుగుపడింది, ఇది పనితీరును గణనీయంగా మెరుగుపరిచింది. మొత్తం డోపింగ్ స్థాయిలో 8 wt.% వద్ద, ఫ్లెక్చరల్ బలం మరియు ఉష్ణ వాహకత వరుసగా 915.54 MPa మరియు 59.58 W·m⁻¹·K⁻¹కి చేరుకున్నాయి.

VI. ముగింపు

సారాంశంలో, హై-ప్యూరిటీ సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) సిరామిక్స్, అత్యుత్తమ ఇంజనీరింగ్ సిరామిక్ పదార్థంగా, సెమీకండక్టర్లు, ఏరోస్పేస్ మరియు ఎక్స్‌ట్రీమ్-కండిషన్ పరికరాలలో విస్తృత అప్లికేషన్ అవకాశాలను ప్రదర్శించాయి. ఈ పత్రం అధిక-ప్యూరిటీ SiC సిరామిక్స్ కోసం ఐదు సాధారణ తయారీ మార్గాలను క్రమపద్ధతిలో విశ్లేషించింది - రీక్రిస్టలైజేషన్ సింటరింగ్, ప్రెషర్‌లెస్ సింటరింగ్, హాట్ ప్రెస్సింగ్, స్పార్క్ ప్లాస్మా సింటరింగ్ మరియు సంకలిత తయారీ - వాటి డెన్సిఫికేషన్ మెకానిజమ్స్, కీ పారామీటర్ ఆప్టిమైజేషన్, మెటీరియల్ పనితీరు మరియు సంబంధిత ప్రయోజనాలు మరియు పరిమితులపై వివరణాత్మక చర్చలతో.

అధిక స్వచ్ఛత, అధిక సాంద్రత, సంక్లిష్ట నిర్మాణాలు మరియు పారిశ్రామిక సాధ్యాసాధ్యాలను సాధించడంలో వేర్వేరు ప్రక్రియలు ప్రతి ఒక్కటి ప్రత్యేక లక్షణాలను కలిగి ఉన్నాయని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది. ముఖ్యంగా సంకలిత తయారీ సాంకేతికత, స్టీరియోలితోగ్రఫీ మరియు బైండర్ జెట్టింగ్ వంటి ఉప రంగాలలో పురోగతులతో, సంక్లిష్ట-ఆకారపు మరియు అనుకూలీకరించిన భాగాలను తయారు చేయడంలో బలమైన సామర్థ్యాన్ని చూపించింది, ఇది అధిక-స్వచ్ఛత SiC సిరామిక్ తయారీకి ముఖ్యమైన అభివృద్ధి దిశగా మారింది.

అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC సిరామిక్ తయారీపై భవిష్యత్తు పరిశోధనలు మరింత లోతుగా పరిశోధించాల్సిన అవసరం ఉంది, ప్రయోగశాల స్థాయి నుండి పెద్ద-స్థాయి, అత్యంత విశ్వసనీయమైన ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాలకు పరివర్తనను ప్రోత్సహిస్తుంది, తద్వారా హై-ఎండ్ పరికరాల తయారీ మరియు తదుపరి తరం సమాచార సాంకేతికతలకు కీలకమైన మెటీరియల్ మద్దతును అందిస్తుంది.

XKH అనేది అధిక-పనితీరు గల సిరామిక్ పదార్థాల పరిశోధన మరియు ఉత్పత్తిలో ప్రత్యేకత కలిగిన హైటెక్ సంస్థ. ఇది అధిక-పనితీరు గల సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) సిరామిక్స్ రూపంలో వినియోగదారులకు అనుకూలీకరించిన పరిష్కారాలను అందించడానికి అంకితం చేయబడింది. కంపెనీ అధునాతన పదార్థ తయారీ సాంకేతికతలు మరియు ఖచ్చితమైన ప్రాసెసింగ్ సామర్థ్యాలను కలిగి ఉంది. దీని వ్యాపారం అధిక-పనితీరు గల సిరామిక్ భాగాల కోసం సెమీకండక్టర్, కొత్త శక్తి, ఏరోస్పేస్ మరియు ఇతర రంగాల యొక్క కఠినమైన అవసరాలను తీర్చడం ద్వారా అధిక-పనితీరు గల SiC సిరామిక్స్ యొక్క పరిశోధన, ఉత్పత్తి, ఖచ్చితమైన ప్రాసెసింగ్ మరియు ఉపరితల చికిత్సను కలిగి ఉంటుంది. పరిణతి చెందిన సింటరింగ్ ప్రక్రియలు మరియు సంకలిత తయారీ సాంకేతికతలను ఉపయోగించుకుని, మేము కస్టమర్లకు మెటీరియల్ ఫార్ములా ఆప్టిమైజేషన్, సంక్లిష్ట నిర్మాణ నిర్మాణం నుండి ఖచ్చితమైన ప్రాసెసింగ్ వరకు వన్-స్టాప్ సేవను అందించగలము, ఉత్పత్తులు అద్భుతమైన యాంత్రిక లక్షణాలు, ఉష్ణ స్థిరత్వం మరియు తుప్పు నిరోధకతను కలిగి ఉన్నాయని నిర్ధారిస్తాము.