ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ความบริสุทธิ์สูง

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่มีความบริสุทธิ์สูงได้กลายเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนสำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อวกาศ และเคมี เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม เสถียรภาพทางเคมี และความแข็งแรงเชิงกลสูง ด้วยความต้องการอุปกรณ์เซรามิกประสิทธิภาพสูงและมลพิษต่ำที่เพิ่มขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงที่มีประสิทธิภาพและสามารถขยายขนาดได้จึงกลายเป็นประเด็นวิจัยระดับโลก บทความนี้ได้ทบทวนวิธีการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงที่สำคัญในปัจจุบันอย่างเป็นระบบ รวมถึงการเผาผนึกแบบรีคริสตัลไลเซชัน การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน (PS) การอัดร้อน (HP) การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ (SPS) และการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) โดยเน้นการอภิปรายกลไกการเผาผนึก พารามิเตอร์สำคัญ คุณสมบัติของวัสดุ และความท้าทายที่มีอยู่ของแต่ละกระบวนการ

การประยุกต์ใช้เซรามิก SiC ในด้านการทหารและวิศวกรรม

ปัจจุบัน ชิ้นส่วนเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์การผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน โดยมีส่วนร่วมในกระบวนการหลัก เช่น การออกซิเดชัน การพิมพ์หิน การกัด และการฝังไอออน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเวเฟอร์ การเพิ่มขนาดของเวเฟอร์จึงกลายเป็นแนวโน้มที่สำคัญ ขนาดเวเฟอร์หลักในปัจจุบันคือ 300 มม. ซึ่งมีความสมดุลที่ดีระหว่างต้นทุนและกำลังการผลิต อย่างไรก็ตาม ด้วยแรงผลักดันจากกฎของมัวร์ การผลิตเวเฟอร์ขนาด 450 มม. จำนวนมากกำลังอยู่ในวาระการประชุม เวเฟอร์ขนาดใหญ่โดยทั่วไปต้องการความแข็งแรงของโครงสร้างที่สูงขึ้นเพื่อต้านทานการบิดเบี้ยวและการเสียรูป ซึ่งยิ่งผลักดันความต้องการชิ้นส่วนเซรามิก SiC ขนาดใหญ่ ความแข็งแรงสูง และความบริสุทธิ์สูงที่เพิ่มขึ้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (การพิมพ์ 3 มิติ) ในฐานะเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วที่ไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันมหาศาลในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิก SiC ที่มีโครงสร้างซับซ้อน เนื่องจากโครงสร้างแบบชั้นต่อชั้นและความสามารถในการออกแบบที่ยืดหยุ่น จึงดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวาง

บทความนี้จะวิเคราะห์อย่างเป็นระบบถึงวิธีการเตรียมเซรามิก SiC บริสุทธิ์สูง 5 วิธี ได้แก่ การเผาผนึกแบบรีคริสตัลไลน์ การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน การอัดร้อน การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ และการผลิตแบบเติมแต่ง โดยมุ่งเน้นที่กลไกการเผาผนึก กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของวัสดุ และโอกาสในการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ข้อกำหนดวัตถุดิบซิลิคอนคาร์ไบด์ความบริสุทธิ์สูง

I. การเผาผนึกแบบรีคริสตัลไลน์

ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการตกผลึกใหม่ (RSiC) เป็นวัสดุ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งเตรียมได้โดยไม่ใช้สารช่วยในการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง 2100–2500°C นับตั้งแต่ Fredriksson ค้นพบปรากฏการณ์การตกผลึกใหม่เป็นครั้งแรกในปลายศตวรรษที่ 19 RSiC ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีขอบเขตของผลึกที่สะอาดและปราศจากเฟสแก้วและสิ่งเจือปน ที่อุณหภูมิสูง SiC จะมีแรงดันไอค่อนข้างสูง และกลไกการเผาผนึกส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระบวนการระเหยและการควบแน่น: ผลึกขนาดเล็กจะระเหยและตกตะกอนใหม่บนพื้นผิวของผลึกขนาดใหญ่ ส่งเสริมการเติบโตของคอเชื่อมและการยึดติดโดยตรงระหว่างผลึก จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ

ในปี 1990 Kriegesmann ได้เตรียม RSiC ที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 79.1% โดยใช้การหล่อแบบสลิปที่อุณหภูมิ 2200°C ซึ่งภาคตัดขวางแสดงให้เห็นโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยเม็ดหยาบและรูพรุน ต่อมา Yi และคณะได้ใช้การหล่อแบบเจลเพื่อเตรียมชิ้นงานดิบและเผาที่อุณหภูมิ 2450°C ทำให้ได้เซรามิก RSiC ที่มีความหนาแน่นรวม 2.53 กรัม/ซม³ และความแข็งแรงดัด 55.4 MPa

พื้นผิวการแตกหักของ RSiC ที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)

เมื่อเปรียบเทียบกับ SiC ที่มีความหนาแน่นสูง RSiC มีความหนาแน่นต่ำกว่า (ประมาณ 2.5 กรัม/ซม³) และมีรูพรุนเปิดประมาณ 20% ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพในการใช้งานที่ต้องการความแข็งแรงสูง ดังนั้น การปรับปรุงความหนาแน่นและคุณสมบัติทางกลของ RSiC จึงกลายเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัย Sung และคณะได้เสนอวิธีการแทรกซึมซิลิคอนหลอมเหลวเข้าไปในวัสดุผสมคาร์บอน/β-SiC และทำการตกผลึกใหม่ที่อุณหภูมิ 2200°C ซึ่งประสบความสำเร็จในการสร้างโครงสร้างเครือข่ายที่ประกอบด้วยเม็ดหยาบ α-SiC RSiC ที่ได้มีค่าความหนาแน่น 2.7 กรัม/ซม³ และความแข็งแรงดัดงอ 134 MPa พร้อมทั้งรักษาเสถียรภาพทางกลที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง

เพื่อเพิ่มความหนาแน่นให้ดียิ่งขึ้น Guo และคณะได้ใช้เทคโนโลยีการแทรกซึมของพอลิเมอร์และการเผาไหม้ (PIP) สำหรับการบำบัด RSiC หลายรอบ โดยใช้สารละลาย PCS/ไซลีนและสารแขวนลอย SiC/PCS/ไซลีนเป็นสารแทรกซึม หลังจากผ่านกระบวนการ PIP 3-6 รอบ ความหนาแน่นของ RSiC ก็ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด (สูงถึง 2.90 g/cm³) พร้อมกับความแข็งแรงดัดงอที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ พวกเขายังเสนอวิธีการแบบวนรอบที่ผสมผสาน PIP และการตกผลึกใหม่: การเผาไหม้ที่ 1400°C ตามด้วยการตกผลึกใหม่ที่ 2400°C ซึ่งช่วยขจัดสิ่งอุดตันของอนุภาคและลดรูพรุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุ RSiC ที่ได้สุดท้ายมีความหนาแน่น 2.99 g/cm³ และความแข็งแรงดัดงอ 162.3 MPa แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพโดยรวมที่โดดเด่น

ภาพถ่าย SEM แสดงวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคของ RSiC ที่ขัดเงาหลังผ่านกระบวนการอัดฉีดพอลิเมอร์และการตกผลึกใหม่ด้วยความร้อน (PIP): RSiC เริ่มต้น (A), หลังผ่านกระบวนการตกผลึกใหม่ด้วย PIP รอบแรก (B), และหลังผ่านรอบที่สาม (C)

II. การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ขึ้นรูปโดยวิธีเผาผนึกแบบไร้แรงดัน โดยทั่วไปจะเตรียมโดยใช้ผง SiC บริสุทธิ์สูงและละเอียดมากเป็นวัตถุดิบ โดยเติมสารช่วยในการเผาผนึกในปริมาณเล็กน้อย และเผาผนึกในบรรยากาศเฉื่อยหรือสุญญากาศที่อุณหภูมิ 1800–2150°C วิธีนี้เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่และมีโครงสร้างซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก SiC มีพันธะโควาเลนต์เป็นหลัก ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายตัวเองจึงต่ำมาก ทำให้การเพิ่มความหนาแน่นทำได้ยากหากไม่มีสารช่วยในการเผาผนึก

โดยพิจารณาจากกลไกการเผาผนึก การเผาผนึกแบบไร้แรงดันสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ การเผาผนึกแบบไร้แรงดันในเฟสของเหลว (PLS-SiC) และการเผาผนึกแบบไร้แรงดันในสถานะของแข็ง (PSS-SiC)

1.1 PLS-SiC (การเผาผนึกในเฟสของเหลว)

โดยทั่วไปแล้ว PLS-SiC จะถูกเผาผนึกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 2000°C โดยการเติมสารช่วยเผาผนึกแบบยูเทคติกประมาณ 10% โดยน้ำหนัก (เช่น Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ และออกไซด์ของธาตุหายาก RE₂O₃) เพื่อสร้างเฟสของเหลว ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการจัดเรียงตัวของอนุภาคและการถ่ายโอนมวลเพื่อให้เกิดความหนาแน่นสูงขึ้น กระบวนการนี้เหมาะสมสำหรับเซรามิก SiC เกรดอุตสาหกรรม แต่ยังไม่มีรายงานเกี่ยวกับการผลิต SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยวิธีการเผาผนึกแบบเฟสของเหลว

1.2 PSS-SiC (การเผาผนึกแบบของแข็ง)

PSS-SiC เกี่ยวข้องกับการเพิ่มความหนาแน่นในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000°C โดยมีสารเติมแต่งประมาณ 1% โดยน้ำหนัก กระบวนการนี้อาศัยการแพร่กระจายของอะตอมและการจัดเรียงตัวใหม่ของเกรนเป็นหลัก ซึ่งเกิดจากอุณหภูมิสูงเพื่อลดพลังงานพื้นผิวและเพิ่มความหนาแน่น ระบบ BC (โบรอน-คาร์บอน) เป็นส่วนผสมของสารเติมแต่งที่ใช้กันทั่วไป ซึ่งสามารถลดพลังงานขอบเกรนและกำจัด SiO₂ ออกจากพื้นผิว SiC ได้ อย่างไรก็ตาม สารเติมแต่ง BC แบบดั้งเดิมมักทำให้เกิดสิ่งเจือปนตกค้าง ลดความบริสุทธิ์ของ SiC

ด้วยการควบคุมปริมาณสารเติมแต่ง (B 0.4 wt.%, C 1.8 wt.%) และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 2150°C เป็นเวลา 0.5 ชั่วโมง ทำให้ได้เซรามิก SiC บริสุทธิ์สูงที่มีความบริสุทธิ์ 99.6 wt.% และความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.4% โครงสร้างจุลภาคแสดงให้เห็นเกรนแบบเสา (บางเกรนมีความยาวเกิน 450 µm) โดยมีรูพรุนเล็กน้อยที่ขอบเกรนและอนุภาคกราไฟต์อยู่ภายในเกรน เซรามิกเหล่านี้แสดงความแข็งแรงดัดงอ 443 ± 27 MPa โมดูลัสยืดหยุ่น 420 ± 1 GPa และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน 3.84 × 10⁻⁶ K⁻¹ ในช่วงอุณหภูมิห้องถึง 600°C ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพโดยรวมที่ยอดเยี่ยม

โครงสร้างจุลภาคของ PSS-SiC: (A) ภาพ SEM หลังการขัดเงาและการกัดด้วย NaOH; (BD) ภาพ BSD หลังการขัดเงาและการกัด

III. การเผาผนึกด้วยการอัดร้อน

การเผาผนึกด้วยการอัดร้อน (HP sintering) เป็นเทคนิคการเพิ่มความหนาแน่นที่ใช้ความร้อนและแรงดันในทิศทางเดียวกับผงวัสดุภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันสูง แรงดันสูงช่วยยับยั้งการเกิดรูพรุนและจำกัดการเจริญเติบโตของเกรน ในขณะที่อุณหภูมิสูงช่วยส่งเสริมการหลอมรวมของเกรนและการก่อตัวของโครงสร้างที่หนาแน่น ทำให้ได้เซรามิก SiC ที่มีความหนาแน่นสูงและความบริสุทธิ์สูง เนื่องจากลักษณะการอัดแบบมีทิศทาง กระบวนการนี้จึงมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอของเกรน ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลและการสึกหรอ

เซรามิก SiC บริสุทธิ์นั้นยากต่อการทำให้มีความหนาแน่นสูงโดยปราศจากสารเติมแต่ง ต้องใช้การเผาผนึกด้วยแรงดันสูงมาก Nadeau และคณะประสบความสำเร็จในการเตรียม SiC ที่มีความหนาแน่นเต็มที่โดยปราศจากสารเติมแต่งที่อุณหภูมิ 2500°C และแรงดัน 5000 MPa; Sun และคณะได้วัสดุ β-SiC ขนาดใหญ่ที่มีความแข็งแบบวิคเกอร์สูงถึง 41.5 GPa ที่แรงดัน 25 GPa และอุณหภูมิ 1400°C โดยใช้แรงดัน 4 GPa สามารถเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ประมาณ 98% และ 99% ความแข็ง 35 GPa และโมดูลัสยืดหยุ่น 450 GPa ได้ที่อุณหภูมิ 1500°C และ 1900°C ตามลำดับ การเผาผนึกผง SiC ขนาดไมครอนที่แรงดัน 5 GPa และอุณหภูมิ 1500°C ทำให้ได้เซรามิกที่มีความแข็ง 31.3 GPa และความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.4%

แม้ว่าผลลัพธ์เหล่านี้จะแสดงให้เห็นว่าแรงดันสูงมากสามารถทำให้เกิดการอัดแน่นโดยไม่ต้องใช้สารเติมแต่ง แต่ความซับซ้อนและต้นทุนสูงของอุปกรณ์ที่จำเป็นนั้นจำกัดการใช้งานในอุตสาหกรรม ดังนั้น ในการเตรียมการในทางปฏิบัติ จึงมักใช้สารเติมแต่งในปริมาณเล็กน้อยหรือการบดผงเพื่อเพิ่มแรงขับเคลื่อนในการเผาผนึก

โดยการเติมเรซินฟีนอล 4% โดยน้ำหนักเป็นสารเติมแต่ง และเผาที่อุณหภูมิ 2350°C และความดัน 50 MPa ทำให้ได้เซรามิก SiC ที่มีอัตราการเพิ่มความหนาแน่น 92% และความบริสุทธิ์ 99.998% นอกจากนี้ การใช้สารเติมแต่งในปริมาณน้อย (กรดบอริกและ D-ฟรุกโตส) และเผาที่อุณหภูมิ 2050°C และความดัน 40 MPa ทำให้ได้ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ >99.5% และปริมาณ B ที่เหลืออยู่เพียง 556 ppm ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) แสดงให้เห็นว่า เมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างที่เผาโดยไม่ใช้แรงดัน ตัวอย่างที่เผาด้วยความร้อนมีขนาดเกรนเล็กกว่า มีรูพรุนน้อยกว่า และมีความหนาแน่นสูงกว่า ความแข็งแรงดัดงออยู่ที่ 453.7 ± 44.9 MPa และโมดูลัสยืดหยุ่นอยู่ที่ 444.3 ± 1.1 GPa

ด้วยการเพิ่มระยะเวลาการคงอุณหภูมิไว้ที่ 1900°C ขนาดของเกรนเพิ่มขึ้นจาก 1.5 μm เป็น 1.8 μm และค่าการนำความร้อนดีขึ้นจาก 155 เป็น 167 W·m⁻¹·K⁻¹ ในขณะเดียวกันก็ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนของพลาสมาด้วย

ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ 1850°C และความดัน 30 MPa การอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนและการอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วของผง SiC ที่เป็นเม็ดและผ่านการอบอ่อนแล้ว ทำให้ได้เซรามิก β-SiC ที่มีความหนาแน่นสมบูรณ์โดยไม่ต้องใช้สารเติมแต่งใดๆ โดยมีความหนาแน่น 3.2 g/cm³ และอุณหภูมิการเผาผนึกที่ต่ำกว่ากระบวนการแบบดั้งเดิม 150–200°C เซรามิกดังกล่าวแสดงความแข็ง 2729 GPa ความเหนียวแตกหัก 5.25–5.30 MPa·m^1/2 และความต้านทานการคืบที่ดีเยี่ยม (อัตราการคืบ 9.9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ และ 3.8 × 10⁻⁹ s⁻¹ ที่ 1400°C/1450°C และ 100 MPa)

(A) ภาพ SEM ของพื้นผิวที่ขัดเงา; (B) ภาพ SEM ของพื้นผิวที่แตกหัก; (C, D) ภาพ BSD ของพื้นผิวที่ขัดเงา

ในการวิจัยการพิมพ์ 3 มิติสำหรับเซรามิกส์เพียโซอิเล็กทริก สารละลายเซรามิกส์ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการขึ้นรูปและประสิทธิภาพ ได้กลายเป็นประเด็นสำคัญทั้งในประเทศและต่างประเทศ งานวิจัยในปัจจุบันโดยทั่วไปชี้ให้เห็นว่าพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ขนาดอนุภาคผง ความหนืดของสารละลาย และปริมาณของแข็ง มีผลอย่างมากต่อคุณภาพการขึ้นรูปและคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

งานวิจัยพบว่า สารละลายเซรามิกที่เตรียมโดยใช้ผงแบเรียมไททาเนตขนาดไมครอน ซับไมครอน และนาโน แสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการสเตอริโอลิโทกราฟี (เช่น LCD-SLA) เมื่อขนาดอนุภาคเล็ลง ความหนืดของสารละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด โดยผงขนาดนาโนจะผลิตสารละลายที่มีความหนืดสูงถึงหลายพันล้าน mPa·s สารละลายที่มีผงขนาดไมครอนมีแนวโน้มที่จะเกิดการแยกชั้นและการลอกออกระหว่างการพิมพ์ ในขณะที่ผงขนาดซับไมครอนและนาโนแสดงพฤติกรรมการขึ้นรูปที่เสถียรกว่า หลังจากเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่างเซรามิกที่ได้มีความหนาแน่น 5.44 g/cm³ ค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริก (d₃₃) ประมาณ 200 pC/N และค่าการสูญเสียต่ำ แสดงคุณสมบัติการตอบสนองทางกลไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

นอกจากนี้ ในกระบวนการไมโครสเตอริโอลิโทกราฟี การปรับปริมาณของแข็งในสารละลายประเภท PZT (เช่น 75% โดยน้ำหนัก) ทำให้ได้ชิ้นงานเผาผนึกที่มีความหนาแน่น 7.35 กรัม/ซม³ และได้ค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริกสูงถึง 600 pC/N ภายใต้สนามไฟฟ้าโพลาไรซ์ การวิจัยเกี่ยวกับการชดเชยการเสียรูปในระดับไมโครช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการขึ้นรูปอย่างมีนัยสำคัญ เพิ่มความแม่นยำทางเรขาคณิตได้มากถึง 80%

การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก PMN-PT เผยให้เห็นว่าปริมาณของแข็งมีอิทธิพลอย่างมากต่อโครงสร้างของเซรามิกและคุณสมบัติทางไฟฟ้า ที่ปริมาณของแข็ง 80% โดยน้ำหนัก จะเกิดสารประกอบข้างเคียงขึ้นในเซรามิกได้ง่าย แต่เมื่อปริมาณของแข็งเพิ่มขึ้นเป็น 82% โดยน้ำหนักขึ้นไป สารประกอบข้างเคียงจะค่อยๆ หายไป และโครงสร้างของเซรามิกจะบริสุทธิ์มากขึ้น พร้อมประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ที่ปริมาณของแข็ง 82% โดยน้ำหนัก เซรามิกแสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีที่สุด ได้แก่ ค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริก 730 pC/N ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ 7226 และการสูญเสียไดอิเล็กทริกเพียง 0.07

โดยสรุปแล้ว ขนาดอนุภาค ปริมาณของแข็ง และคุณสมบัติทางรีโอโลยีของสารละลายเซรามิก ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อเสถียรภาพและความแม่นยำของกระบวนการพิมพ์เท่านั้น แต่ยังกำหนดความหนาแน่นและการตอบสนองทางไฟฟ้าของชิ้นงานที่ผ่านการเผาผนึกโดยตรง ทำให้พารามิเตอร์เหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการสร้างเซรามิกไฟฟ้าแบบ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพสูง

กระบวนการหลักของการพิมพ์ 3 มิติแบบ LCD-SLA สำหรับชิ้นงาน BT/UV

คุณสมบัติของเซรามิก PMN-PT ที่มีปริมาณของแข็งแตกต่างกัน

IV. การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ

การเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบสปาร์ค (Spark Plasma Sintering หรือ SPS) เป็นเทคโนโลยีการเผาผนึกขั้นสูงที่ใช้กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์และแรงดันเชิงกลพร้อมกันกับผงโลหะเพื่อให้เกิดการอัดแน่นอย่างรวดเร็ว ในกระบวนการนี้ กระแสไฟฟ้าจะให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์และผงโลหะโดยตรง ทำให้เกิดความร้อนจูลและพลาสมา ซึ่งช่วยให้การเผาผนึกมีประสิทธิภาพในเวลาอันสั้น (โดยทั่วไปภายใน 10 นาที) การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วช่วยส่งเสริมการแพร่กระจายของพื้นผิว ในขณะที่การปล่อยประกายไฟช่วยกำจัดก๊าซที่ดูดซับและชั้นออกไซด์ออกจากพื้นผิวของผงโลหะ ทำให้ประสิทธิภาพการเผาผนึกดีขึ้น นอกจากนี้ ผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้ายังช่วยเพิ่มการแพร่กระจายของอะตอมอีกด้วย

เมื่อเปรียบเทียบกับการอัดขึ้นรูปด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม กระบวนการ SPS ใช้ความร้อนโดยตรงมากกว่า ทำให้สามารถเพิ่มความหนาแน่นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ในขณะเดียวกันก็ยับยั้งการเจริญเติบโตของเกรนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดและสม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น:

• หากไม่ใส่สารเติมแต่ง การใช้ผงซิลิกาคาร์ไบด์บดละเอียดเป็นวัตถุดิบ และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 2100°C และความดัน 70 MPa เป็นเวลา 30 นาที จะได้ชิ้นงานที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98%
• การเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1700°C และความดัน 40 MPa เป็นเวลา 10 นาที ทำให้ได้ SiC รูปทรงลูกบาศก์ที่มีความหนาแน่น 98% และขนาดเกรนเพียง 30–50 นาโนเมตร
• การใช้ผง SiC แบบเม็ดขนาด 80 µm และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1860°C และความดัน 50 MPa เป็นเวลา 5 นาที ส่งผลให้ได้เซรามิก SiC ประสิทธิภาพสูงที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.5% ความแข็งระดับไมโครวิกเกอร์ 28.5 GPa ความแข็งแรงดัดงอ 395 MPa และความเหนียวแตกหัก 4.5 MPa·m^1/2

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคแสดงให้เห็นว่า เมื่ออุณหภูมิการเผาผนึกเพิ่มขึ้นจาก 1600°C เป็น 1860°C ความพรุนของวัสดุลดลงอย่างมีนัยสำคัญ จนเข้าใกล้ความหนาแน่นเต็มที่ที่อุณหภูมิสูง

โครงสร้างจุลภาคของเซรามิก SiC ที่เผาที่อุณหภูมิต่างกัน: (A) 1600°C, (B) 1700°C, (C) 1790°C และ (D) 1860°C

วี. การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing)

การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM) เพิ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันมหาศาลในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกที่ซับซ้อน เนื่องจากกระบวนการสร้างแบบทีละชั้น สำหรับเซรามิก SiC นั้น มีการพัฒนาเทคโนโลยี AM หลายอย่าง เช่น การฉีดสารยึดเกาะ (Binder Jetting: BJ), การพิมพ์ 3 มิติ (3DP), การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด (Selective Laser Sintering: SLS), การเขียนหมึกโดยตรง (Direct Ink Writing: DIW) และสเตอริโอลิโทกราฟี (Stereolithography: SL, DLP) อย่างไรก็ตาม 3DP และ DIW มีความแม่นยำต่ำกว่า ในขณะที่ SLS มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนและรอยแตก ในทางตรงกันข้าม BJ และ SL มีข้อได้เปรียบมากกว่าในการผลิตเซรามิกที่ซับซ้อน มีความบริสุทธิ์สูง และมีความแม่นยำสูง

1. การพิมพ์แบบ Binder Jetting (BJ)

เทคโนโลยี BJ เกี่ยวข้องกับการพ่นสารยึดเกาะทีละชั้นเพื่อเชื่อมผงเข้าด้วยกัน ตามด้วยการกำจัดสารยึดเกาะและการเผาผนึกเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์เซรามิกขั้นสุดท้าย การผสมผสานเทคโนโลยี BJ กับการแทรกซึมไอสารเคมี (CVI) ทำให้สามารถเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงและเป็นผลึกสมบูรณ์ได้สำเร็จ กระบวนการนี้ประกอบด้วย:

① การขึ้นรูปชิ้นงานเซรามิก SiC ด้วยกระบวนการ BJ
② การเพิ่มความหนาแน่นโดยใช้ CVI ที่อุณหภูมิ 1000°C และความดัน 200 Torr
③ เซรามิก SiC ขั้นสุดท้ายมีความหนาแน่น 2.95 กรัม/ซม³ ค่าการนำความร้อน 37 วัตต์/เมตร·เคลวิน และความแข็งแรงดัดงอ 297 เมกะปาสคาล

แผนภาพแสดงหลักการพิมพ์แบบเจ็ทกาว (BJ) (A) แบบจำลองการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) (B) แผนภาพแสดงหลักการของ BJ (C) การพิมพ์ SiC ด้วย BJ (D) การเพิ่มความหนาแน่นของ SiC ด้วยการแทรกซึมไอสารเคมี (CVI)

2. สเตอริโอลิโทกราฟี (SL)

SL เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปเซรามิกโดยใช้รังสียูวี ซึ่งมีความแม่นยำสูงมากและสามารถสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ วิธีนี้ใช้สารละลายเซรามิกไวแสงที่มีปริมาณของแข็งสูงและความหนืดต่ำในการขึ้นรูปชิ้นงานเซรามิก 3 มิติโดยผ่านกระบวนการพอลิเมอไรเซชันด้วยแสง ตามด้วยการกำจัดสารยึดเกาะและการเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

โดยใช้สารละลายซิลิกาคาร์ไบด์ (SiC) ความเข้มข้น 35% โดยปริมาตร ได้เตรียมชิ้นงานดิบสามมิติคุณภาพสูงภายใต้การฉายรังสี UV ที่ความยาวคลื่น 405 นาโนเมตร และเพิ่มความหนาแน่นยิ่งขึ้นด้วยการเผาไหม้พอลิเมอร์ที่อุณหภูมิ 800°C และการบำบัดด้วย PIP ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าตัวอย่างที่เตรียมด้วยสารละลายความเข้มข้น 35% โดยปริมาตร มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 84.8% ซึ่งสูงกว่ากลุ่มควบคุมที่มีความเข้มข้น 30% และ 40%

ด้วยการเติมซิลิกา (SiO₂) ที่ชอบไขมันและเรซินอีพ็อกซีฟีนอล (PEA) เพื่อปรับปรุงสารละลาย ทำให้ประสิทธิภาพการเกิดพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด หลังจากเผาที่อุณหภูมิ 1600°C เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ก็สามารถเปลี่ยนเป็น SiC ได้เกือบสมบูรณ์ โดยมีปริมาณออกซิเจนสุดท้ายเพียง 0.12% ทำให้สามารถผลิตเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีโครงสร้างซับซ้อนได้ในขั้นตอนเดียว โดยไม่ต้องมีขั้นตอนการออกซิเดชันหรือการแทรกซึมล่วงหน้า

ภาพประกอบแสดงโครงสร้างการพิมพ์และกระบวนการเผาผนึก ลักษณะของชิ้นงานหลังจากอบแห้งที่อุณหภูมิ (A) 25°C, การเผาไหม้ที่อุณหภูมิ (B) 1000°C และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ (C) 1600°C

ด้วยการออกแบบสารละลายเซรามิก Si₃N₄ ที่ไวต่อแสงสำหรับการพิมพ์ 3 มิติแบบสเตอริโอลิโทกราฟี และการใช้กระบวนการกำจัดสารยึดเกาะ-การเผาเบื้องต้น และการบ่มที่อุณหภูมิสูง ทำให้สามารถเตรียมเซรามิก Si₃N₄ ที่มีความหนาแน่นตามทฤษฎี 93.3% ความแข็งแรงดึง 279.8 MPa และความแข็งแรงดัด 308.5–333.2 MPa ได้ จากการศึกษาพบว่า ภายใต้สภาวะที่มีปริมาณของแข็ง 45% โดยปริมาตร และเวลาการฉายแสง 10 วินาที สามารถผลิตชิ้นงานดิบแบบชั้นเดียวที่มีความแม่นยำในการบ่มระดับ IT77 ได้ กระบวนการกำจัดสารยึดเกาะที่อุณหภูมิต่ำด้วยอัตราการให้ความร้อน 0.1 °C/นาที ช่วยให้ได้ชิ้นงานดิบที่ปราศจากรอยแตก

การเผาผนึกเป็นขั้นตอนสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายในการพิมพ์สามมิติแบบสเตอริโอลิโทกราฟี งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเติมสารช่วยในการเผาผนึกสามารถปรับปรุงความหนาแน่นและคุณสมบัติทางกลของเซรามิกได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้ CeO₂ เป็นสารช่วยในการเผาผนึกและเทคโนโลยีการเผาผนึกด้วยสนามไฟฟ้าเพื่อเตรียมเซรามิก Si₃N₄ ความหนาแน่นสูง พบว่า CeO₂ จะแยกตัวอยู่ที่ขอบเกรน ส่งเสริมการเลื่อนตัวของขอบเกรนและการเพิ่มความหนาแน่น เซรามิกที่ได้มีค่าความแข็งวิคเกอร์ส HV10/10 (1347.9 ± 2.4) และความเหนียวแตกหัก (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/² การใช้ MgO–Y₂O₃ เป็นสารเติมแต่งช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาคของเซรามิก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับการเจือปนรวม 8 wt.% ความแข็งแรงดัดงอและการนำความร้อนอยู่ที่ 915.54 MPa และ 59.58 W·m⁻¹·K⁻¹ ตามลำดับ

VI. บทสรุป

โดยสรุปแล้ว เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่มีความบริสุทธิ์สูง เป็นวัสดุเซรามิกทางวิศวกรรมที่โดดเด่น ซึ่งแสดงให้เห็นถึงโอกาสในการใช้งานที่หลากหลายในด้านเซมิคอนดักเตอร์ อวกาศ และอุปกรณ์ที่ใช้งานในสภาวะสุดขั้ว บทความนี้ได้วิเคราะห์อย่างเป็นระบบถึง 5 วิธีการผลิตเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง ได้แก่ การเผาผนึกแบบรีคริสตัลไลน์ การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน การอัดร้อน การเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบสปาร์ค และการผลิตแบบเติมแต่ง โดยมีการอภิปรายอย่างละเอียดเกี่ยวกับกลไกการเพิ่มความหนาแน่น การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ที่สำคัญ ประสิทธิภาพของวัสดุ และข้อดีและข้อจำกัดของแต่ละวิธี

เป็นที่ชัดเจนว่ากระบวนการต่างๆ แต่ละกระบวนการมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันในแง่ของการบรรลุความบริสุทธิ์สูง ความหนาแน่นสูง โครงสร้างที่ซับซ้อน และความเป็นไปได้ในอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่แข็งแกร่งในการผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนและปรับแต่งได้ตามต้องการ ด้วยความก้าวหน้าในสาขาย่อยต่างๆ เช่น สเตอริโอลิโทกราฟี (Stereolithography) และการฉีดสารยึดเกาะ (Binder Jetting) ทำให้เป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

การวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงจำเป็นต้องเจาะลึกยิ่งขึ้น เพื่อส่งเสริมการเปลี่ยนผ่านจากระดับห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้งานทางวิศวกรรมขนาดใหญ่ที่มีความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งจะช่วยให้ได้รับวัสดุที่สำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์ระดับสูงและเทคโนโลยีสารสนเทศยุคใหม่

XKH เป็นบริษัทเทคโนโลยีขั้นสูงที่เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและการผลิตวัสดุเซรามิกประสิทธิภาพสูง บริษัททุ่มเทให้กับการนำเสนอโซลูชันที่ปรับแต่งได้ตามความต้องการของลูกค้าในรูปแบบของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) บริสุทธิ์สูง บริษัทฯ มีเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุขั้นสูงและความสามารถในการประมวลผลที่แม่นยำ ธุรกิจของบริษัทครอบคลุมการวิจัย การผลิต การประมวลผลที่แม่นยำ และการปรับสภาพพื้นผิวของเซรามิก SiC บริสุทธิ์สูง เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ พลังงานใหม่ อวกาศ และสาขาอื่นๆ สำหรับชิ้นส่วนเซรามิกประสิทธิภาพสูง ด้วยการใช้กระบวนการเผาผนึกที่พัฒนาแล้วและเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ เราสามารถให้บริการแบบครบวงจรแก่ลูกค้า ตั้งแต่การปรับสูตรวัสดุให้เหมาะสม การขึ้นรูปโครงสร้างที่ซับซ้อน ไปจนถึงการประมวลผลที่แม่นยำ เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม เสถียรภาพทางความร้อน และความต้านทานการกัดกร่อน