เซรามิกขั้นสูงทำอย่างไร? ปัจจัยสำคัญสามประการ: การเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ

เซรามิกขั้นสูงหรือที่เรียกว่าเซรามิกพิเศษ หมายถึงวัสดุเซรามิกที่เตรียมจากเซรามิกแบบดั้งเดิมโดยใช้เทคโนโลยีเคมีและกายภาพขั้นสูง โดยมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในด้านกลศาสตร์ ความร้อน แสง เสียง และไฟฟ้า เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะและวัสดุโพลีเมอร์ วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีคุณสมบัติทางโครงสร้างที่ไม่มีใครเทียบได้ เช่น ความแข็งสูง โมดูลัสสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง- และทนต่อการกัดกร่อน ตลอดจนคุณสมบัติการทำงานที่ดีเยี่ยม เช่น ฉนวนไฟฟ้า การส่งผ่านแสง และความโปร่งใสของคลื่น ดังนั้นจึงมีการใช้มากขึ้นในการบินและอวกาศ เทคโนโลยีสารสนเทศ อุตสาหกรรมการป้องกันประเทศและการทหาร ชีวการแพทย์ และพลังงานใหม่

กระบวนการเตรียมเซรามิกขั้นสูงส่วนใหญ่ประกอบด้วยการเตรียมผง การขึ้นรูปสีเขียว และการเผาผนึก การขึ้นรูปและการเผาผนึกเป็นปัจจัยโดยตรงที่กำหนดคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์เซรามิก การขึ้นรูปหมายถึงการทำให้ผงกลายเป็นตัวสีเขียวโดยมีขนาดและรูปร่างที่ระบุและมีความแข็งแรงเชิงกลที่แน่นอน การเผาผนึกหมายถึงกระบวนการที่วัตถุสีเขียวซึ่งมีอุณหภูมิสูงต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ขจัดรูขุมขน เพิ่มความหนาแน่น และสร้างตัวเผาผนึกที่มีความแข็งแกร่งบางอย่าง

01 การเตรียมผง

วิธีการเตรียมผงเซรามิกขั้นสูงสามารถสรุปได้เป็นสามประเภทหลักๆ ได้แก่ วิธีเฟสของแข็ง- วิธีเฟสของเหลว- และวิธีเฟสแก๊ส-

วิธีเฟสของแข็ง-ใช้สารที่เป็นของแข็งเป็นวัตถุดิบเริ่มต้นในการเตรียมผงเซรามิกที่มีขนาดเล็กมาก ตัวอย่าง ได้แก่ ปฏิกิริยาของสถานะของแข็งที่อุณหภูมิสูง-สูง- การลดความร้อนของคาร์บอเทอร์มอล ปฏิกิริยาของก๊าซที่เป็นของแข็ง- การสลายตัวด้วยความร้อนของเกลือ และการสังเคราะห์การเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูง-โดยตัวเอง มีลักษณะเฉพาะคือเหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ แต่บางครั้งก็มีสิ่งเจือปนอยู่

วิธีเฟสของเหลว-มีลักษณะเฉพาะด้วยการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีได้ง่าย การผสมสม่ำเสมอในระดับไอออนิกหรือโมเลกุล และความสามารถในการเตรียมผงเซรามิกขนาดนาโน- และซับไมครอน-ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีฤทธิ์ในการเผาผนึกที่ดี เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสังเคราะห์ผงออกไซด์เดี่ยว-หรือคอมโพสิต-สำหรับเซรามิกโครงสร้างและเซรามิกเชิงฟังก์ชัน จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย วิธีเฟสของเหลว-ทั่วไปประกอบด้วยวิธีตกตะกอนทางเคมี วิธีไฮโดรเทอร์มอล และวิธีโซล-

วิธีเฟสก๊าซ-จะสังเคราะห์ผงเซรามิกที่ต้องการผ่านปฏิกิริยาทางเคมีของก๊าซตัวทำปฏิกิริยาในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-ในท้องถิ่น ซึ่งรวมถึงการสะสมไอสารเคมี การสังเคราะห์เฟสก๊าซพลาสมา- และอื่นๆ ผงที่สังเคราะห์โดยวิธีเฟสก๊าซ-จะมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และดูดซับความชื้นหรือจับตัวเป็นก้อนได้ง่าย ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการเผาเซรามิกโครงสร้างที่มีความหนาแน่นสูง-และวัสดุเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ วัตถุดิบและอุปกรณ์สังเคราะห์ปฏิกิริยาที่ใช้ในวิธีขั้นตอนก๊าซ-มีราคาแพงและมีกำลังการผลิตที่น้อยมาก ส่งผลให้มีต้นทุนการเตรียมผงสูง

02 กระบวนการขึ้นรูป

ตามการไหลและคุณสมบัติทางรีโอโลยีของร่างกาย วิธีการขึ้นรูปสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ การขึ้นรูปแบบกดแห้ง การขึ้นรูปพลาสติก และการขึ้นรูปแบบสารละลาย

การขึ้นรูปแบบกดหรือที่เรียกว่าการขึ้นรูปแบบอัด เกี่ยวข้องกับการเติมสารยึดเกาะจำนวนเล็กน้อยลงในผง (ปริมาณความชื้นที่ควบคุมที่ 4%–7% หรือแม้แต่ต่ำถึง 1%–4%) สำหรับการเป็นเม็ด จากนั้นจึงวางผงที่เป็นเม็ดในแม่พิมพ์ และกดไว้ใต้การกดเพื่อสร้างตัวสีเขียวที่มีรูปร่างบางอย่าง การกดขึ้นรูปแบ่งออกเป็นการกดแบบแห้งและการกดแบบไอโซสแตติก

การขึ้นรูปพลาสติกใช้ตัวเครื่องพลาสติกเป็นวัสดุตั้งต้น และใช้แรงดันที่เกิดจากการเคลื่อนตัวของแม่พิมพ์เพื่อทำให้ตัวเครื่องเปลี่ยนรูปเป็นพลาสติกสีเขียว วัสดุพลาสติกส่วนใหญ่ประกอบด้วยผงเซรามิก สารยึดเกาะ พลาสติไซเซอร์ และตัวทำละลาย และกระบวนการเตรียมวัตถุดิบก็มีความต้องการสูง ตัวพลาสติกมีสารขึ้นรูปค่อนข้างมาก แต่โดยทั่วไปจะไม่เกิน 30% วิธีการขึ้นรูปพลาสติก ได้แก่ การอัดรีด การรีดด้วยเทป การฉีดขึ้นรูป และอื่นๆ

การขึ้นรูปสารละลายใช้สารแขวนลอยเซรามิกที่ไหลได้เป็นวัตถุดิบ นอกจากอนุภาคผงแล้วสารละลายยังประกอบด้วยน้ำและสารช่วยกระจายตัวอีกด้วย การขึ้นรูปสารละลายส่วนใหญ่ประกอบด้วยการหล่อแบบสลิป การหล่อแบบเจล การหล่อแบบเทป และอื่นๆ

ทั้งการขึ้นรูปพลาสติกและการขึ้นรูปสารละลายอยู่ในกระบวนการขึ้นรูปแบบเปียก เมื่อเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปแบบแห้ง กระบวนการแบบเปียกสามารถควบคุมการเกาะตัวของผงและลดปริมาณสิ่งเจือปนได้ง่ายกว่า จึงทำให้ได้ผลิตภัณฑ์เซรามิกที่มีรูปร่างที่ซับซ้อน

ในขณะที่การใช้งานเซรามิกขั้นสูงยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การตกตะกอนแบบแรงเหวี่ยง การสะสมด้วยไฟฟ้า การหล่อแบบแข็งตัวโดยตรง และการผลิตรูปทรงอิสระที่เป็นของแข็ง ได้ถือกำเนิดขึ้นทีละส่วน

03 กระบวนการเผาผนึก

ตัวเซรามิกสีเขียวจำเป็นต้องเผาเพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคที่มีความหนาแน่น โดยพื้นฐานแล้ว การเผาผนึกเป็นกระบวนการแพร่กระจายระหว่างส่วนประกอบที่เป็นผงต่างๆ ด้วยการเสริมสร้างพันธะระหว่างอนุภาค ทำให้วัสดุเซรามิกมีโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ รูปร่างที่มั่นคง และมีความแข็งแรงเชิงกลค่อนข้างสูง กระบวนการเผาผนึกทั่วไป ได้แก่ การเผาผนึกแบบไร้ความดัน การเผาผนึกแบบกดไอโซสแตติกแบบร้อน การเผาแบบพลาสมาแบบประกายไฟ และอื่นๆ

การเผาผนึกแบบไร้แรงดันเป็นการเผาวัสดุภายใต้ความดันบรรยากาศโดยไม่ต้องใช้แรงดัน โดยทั่วไปวิธีนี้จะดำเนินการภายใต้ออกซิเจนหรือบรรยากาศก๊าซพิเศษ ในระหว่างการเผาผนึกแบบไร้แรงดัน ตัวสีเขียวที่ขึ้นรูปจะไม่ถูกกดดันจากภายนอก การรวมตัวของอนุภาคผงจะถูกทำให้ร้อนภายใต้ความดันบรรยากาศ และเปลี่ยนสภาพเป็นเนื้อเกรนที่เชื่อมติดกัน

การเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สหมายถึงการใช้แรงดันแก๊สในระหว่างการเผาเซรามิกที่อุณหภูมิสูง- ในช่วง 1–10 MPa (เช่น 10–100 atm) เพื่อระงับการสลายตัวและการสูญเสียน้ำหนักของวัสดุเซรามิกที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถเพิ่มอุณหภูมิการเผาผนึก ส่งเสริมให้มีความหนาแน่นมากขึ้น และให้ผลผลิตผลิตภัณฑ์เซรามิกที่มีความหนาแน่นสูง-

การเผาผนึกแบบรีดร้อน-เป็นกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นที่ผสมผสานแรงดันเชิงกลและอุณหภูมิสูง โดยการใช้แรงดันตามแนวแกนและการให้ความร้อนในแม่พิมพ์ไปพร้อมๆ กัน จะช่วยเพิ่มแรงผลักดันในการเผาผนึกได้อย่างมาก กระบวนการนี้มีข้อดีหลักสามประการ: ทำให้มีความหนาแน่นได้อย่างรวดเร็ว ลดรอบการเผาผนึก และปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุได้อย่างมาก เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมเซรามิกประสิทธิภาพสูง-

การเผาผนึกแบบกดไอโซสแตติกแบบร้อนใช้ก๊าซเฉื่อยเป็นตัวกลาง และทำให้เกิดความหนาแน่นของเซรามิกภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันสูงคงที่ สำหรับวัสดุเซรามิกบางชนิดที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในตัวเองต่ำ-ซึ่งยากต่อความหนาแน่นโดยการเผาผนึกแบบธรรมดา การเผาผนึกแบบกดไอโซสแตติกแบบร้อนสามารถใช้เพื่อเพิ่มแรงผลักดันในการแพร่กระจาย การเผาผนึกแบบกดไอโซสแตติกแบบร้อนเป็นไปตาม-ความดันและอุณหภูมิสูง-ที่จำเป็นสำหรับการเผาเซรามิกโปร่งใส และมีข้อได้เปรียบเฉพาะในการเผาตัวเซรามิกสีเขียวใส

การเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบประกายไฟ (SPS) ใช้การให้ความร้อนโดยตรงแบบจูลซึ่งสร้างขึ้นโดยกระแสตรงแบบพัลส์ ซึ่งได้รับความช่วยเหลือจากแรงดันเชิงกล เนื่องจากมีลักษณะการเผาผนึก จึงสามารถใช้เพื่อเตรียมเซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ-สูง-ได้อย่างรวดเร็ว สำหรับเซรามิกอุณหภูมิสูง-สูง-เป็นพิเศษ เช่น Ta2AlC, TaC และ ZrB2-SiC กระบวนการ SPS สามารถบรรลุเวลาการเผาผนึกที่สั้น เอฟเฟกต์การเสริมความแข็งของเกรนละเอียดที่ชัดเจน สมบัติทางกลที่ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้น

กระบวนการเผาผนึกเย็นภายใต้ความดันสูง จะเพิ่มตัวทำละลายชั่วคราวให้กับผงเพื่อส่งเสริมการจัดเรียงและการแพร่กระจายของอนุภาค ดังนั้นจึงส่งเสริมให้เกิดความหนาแน่นของผงเซรามิกที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและในเวลาอันสั้น กระบวนการนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ที่-การเผาผนึกที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเตรียม-เซรามิกเชิงโครงสร้างและเชิงฟังก์ชันที่มีประสิทธิภาพสูง ในปัจจุบัน กระบวนการนี้ได้ถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในการเตรียมและการเผาวัสดุต่างๆ รวมถึงเซรามิกออกไซด์ทั่วไป เซรามิก/เซรามิกคอมโพสิต เซรามิกไดอิเล็กทริกไมโครเวฟ เซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกและเพียโซอิเล็กทริก อิเล็กโทรไลต์แข็ง วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก และคอมโพสิตเซรามิก/วัสดุนาโน 2D

เทคโนโลยีการเผาผนึกด้วยแรงดันออสซิลลาทอรีอาศัยการเผาผนึกแบบกดร้อน-และเปลี่ยนแรงดันคงที่เป็นแรงดันแบบไดนามิก ด้วยการจัดเรียงอนุภาคใหม่ที่เกิดจากแรงดันออสซิลเลเตอร์อย่างต่อเนื่อง จะทำให้ความหนาแน่นของการอัดตัวของผงเพิ่มขึ้นก่อนการเผาผนึก ในเวลาเดียวกัน แรงดันออสซิลเลเตอร์ทำให้เกิดแรงผลักดันในการเผาผนึกที่มากขึ้นสำหรับการเผาผง ซึ่งช่วยส่งเสริมการหมุนและการเลื่อนของเกรนและการไหลของพลาสติกภายในตัวเผาผนึก จึงช่วยเร่งความหนาแน่นของตัวสีเขียว กระบวนการนี้ถูกนำมาใช้ในการเตรียมเซรามิกโครงสร้างต่างๆ และวัสดุเซรามิกสมรรถนะสูง- เช่น ZrO2, Al2O3 และ Si3N4 ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ