ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการเตรียมเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ความบริสุทธิ์สูงได้กลายเป็นวัสดุที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบสำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อวกาศ และเคมีภัณฑ์ เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำความร้อน ความเสถียรทางเคมี และความแข็งแรงเชิงกลที่โดดเด่น ด้วยความต้องการอุปกรณ์เซรามิกประสิทธิภาพสูงและมลพิษต่ำที่เพิ่มขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมเซรามิก SiC ความบริสุทธิ์สูงที่มีประสิทธิภาพและปรับขนาดได้จึงกลายเป็นประเด็นวิจัยระดับโลก บทความนี้ทบทวนวิธีการเตรียมเซรามิก SiC ความบริสุทธิ์สูงที่สำคัญในปัจจุบันอย่างเป็นระบบ รวมถึงการเผาผนึกผลึกซ้ำ การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน (PS) การกดร้อน (HP) การเผาผนึกแบบพลาสมาประกายไฟ (SPS) และการผลิตแบบเติมแต่ง (AM) โดยเน้นการอภิปรายเกี่ยวกับกลไกการเผาผนึก พารามิเตอร์สำคัญ คุณสมบัติของวัสดุ และความท้าทายที่มีอยู่ของแต่ละกระบวนการ

การประยุกต์ใช้เซรามิก SiC ในด้านการทหารและวิศวกรรม

ปัจจุบัน ชิ้นส่วนเซรามิก SiC ความบริสุทธิ์สูงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์การผลิตเวเฟอร์ซิลิคอน โดยมีส่วนร่วมในกระบวนการหลักต่างๆ เช่น การออกซิเดชัน การพิมพ์หิน การกัด และการฝังไอออน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเวเฟอร์ การเพิ่มขนาดเวเฟอร์จึงกลายเป็นเทรนด์ที่สำคัญ เวเฟอร์หลักในปัจจุบันมีขนาด 300 มม. ซึ่งให้ความสมดุลระหว่างต้นทุนและกำลังการผลิตที่ดี อย่างไรก็ตาม การผลิตเวเฟอร์ขนาด 450 มม. จำนวนมากกำลังอยู่ในขั้นตอนการผลิตตามกฎของมัวร์ โดยทั่วไปแล้ว เวเฟอร์ขนาดใหญ่ต้องการความแข็งแรงเชิงโครงสร้างที่สูงขึ้นเพื่อต้านทานการบิดงอและการเสียรูป ซึ่งเป็นแรงผลักดันให้ความต้องการชิ้นส่วนเซรามิก SiC ขนาดใหญ่ ความแข็งแรงสูง และความบริสุทธิ์สูงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การผลิตแบบเติมแต่ง (การพิมพ์ 3 มิติ) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วที่ไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิก SiC ที่มีโครงสร้างซับซ้อน เนื่องจากโครงสร้างแบบชั้นต่อชั้นและความสามารถในการออกแบบที่ยืดหยุ่น ซึ่งดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวาง

เอกสารนี้จะวิเคราะห์วิธีการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงอย่างเป็นระบบ 5 วิธี ได้แก่ การหลอมตกผลึกใหม่ การหลอมไร้แรงดัน การกดร้อน การหลอมพลาสมาประกายไฟ และการผลิตแบบเติมแต่ง โดยเน้นที่กลไกการหลอม กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ คุณลักษณะประสิทธิภาพของวัสดุ และแนวโน้มการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ความต้องการวัตถุดิบซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง

I. การตกผลึกซ้ำโดยการเผาผนึก

ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ตกผลึกใหม่ (RSiC) เป็นวัสดุ SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งเตรียมโดยไม่ใช้สารช่วยเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง 2100–2500°C นับตั้งแต่เฟรดริกสันค้นพบปรากฏการณ์การตกผลึกใหม่เป็นครั้งแรกในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 RSiC ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากขอบเกรนที่สะอาดและไม่มีเฟสแก้วและสิ่งเจือปน ที่อุณหภูมิสูง SiC จะมีความดันไอค่อนข้างสูง และกลไกการเผาผนึกของ SiC ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระบวนการระเหย-ควบแน่น: เกรนละเอียดจะระเหยและสะสมตัวใหม่บนพื้นผิวของเกรนขนาดใหญ่ ส่งเสริมการเจริญเติบโตของคอและการเชื่อมติดโดยตรงระหว่างเกรน จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ

ในปี พ.ศ. 2533 ครีเกสมันน์ได้เตรียม RSiC ที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 79.1% โดยใช้วัสดุหล่อแบบสลิปที่อุณหภูมิ 2200°C โดยหน้าตัดแสดงโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยเกรนหยาบและรูพรุน ต่อมา ยีและคณะได้ใช้วัสดุหล่อแบบเจลเพื่อเตรียมวัตถุสีเขียว และเผาที่อุณหภูมิ 2450°C ได้เซรามิก RSiC ที่มีความหนาแน่นรวม 2.53 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร และความแข็งแรงดัด 55.4 เมกะปาสคาล

พื้นผิวแตกของ SEM ของ RSiC

เมื่อเปรียบเทียบกับ SiC ที่มีความหนาแน่นสูง RSiC มีความหนาแน่นต่ำกว่า (ประมาณ 2.5 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร) และมีรูพรุนเปิดประมาณ 20% ซึ่งเป็นข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพในการใช้งานที่ต้องการความแข็งแรงสูง ดังนั้น การปรับปรุงความหนาแน่นและสมบัติเชิงกลของ RSiC จึงกลายเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัย Sung และคณะ ได้เสนอวิธีการแทรกซึมซิลิคอนหลอมเหลวลงในวัสดุผสมคาร์บอน/β-SiC และตกผลึกใหม่ที่อุณหภูมิ 2200°C สามารถสร้างโครงสร้างเครือข่ายที่ประกอบด้วยเกรนหยาบของ α-SiC ได้สำเร็จ RSiC ที่ได้มีความหนาแน่น 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร และความแข็งแรงดัดงอ 134 เมกะปาสคาล ซึ่งรักษาเสถียรภาพเชิงกลที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง

เพื่อเพิ่มความหนาแน่นให้มากขึ้น Guo และคณะ ได้ใช้เทคโนโลยีการแทรกซึมและไพโรไลซิสของพอลิเมอร์ (PIP) สำหรับการบำบัด RSiC หลายรูปแบบ การใช้สารละลาย PCS/ไซลีนและสารละลาย SiC/PCS/ไซลีนเป็นสารแทรกซึม หลังจากรอบ PIP 3-6 รอบ ความหนาแน่นของ RSiC เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (สูงถึง 2.90 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร) พร้อมกับความแข็งแรงดัด นอกจากนี้ พวกเขายังได้เสนอกลยุทธ์แบบวงจรที่ผสมผสาน PIP และการตกผลึกใหม่เข้าด้วยกัน นั่นคือ การไพโรไลซิสที่อุณหภูมิ 1400°C ตามด้วยการตกผลึกใหม่ที่อุณหภูมิ 2400°C ซึ่งช่วยขจัดสิ่งอุดตันของอนุภาคและลดความพรุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุ RSiC ขั้นสุดท้ายมีความหนาแน่น 2.99 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร และความแข็งแรงดัด 162.3 เมกะปาสคาล ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ครอบคลุมอย่างโดดเด่น

ภาพ SEM ของวิวัฒนาการโครงสร้างจุลภาคของ RSiC ขัดเงาหลังจากวงจรการชุบโพลิเมอร์และการตกผลึกใหม่ด้วยไพโรไลซิส (PIP): RSiC เริ่มต้น (A) หลังจากวงจรการตกผลึกใหม่ด้วย PIP ครั้งแรก (B) และหลังจากวงจรที่สาม (C)

II. การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ผ่านการเผาแบบไร้แรงดันโดยทั่วไปจะเตรียมโดยใช้ผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงและละเอียดมากเป็นวัตถุดิบ โดยเติมสารช่วยเผาในปริมาณเล็กน้อย และเผาในบรรยากาศเฉื่อยหรือสุญญากาศที่อุณหภูมิ 1800–2150°C วิธีนี้เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่ที่มีโครงสร้างซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก SiC มีพันธะโควาเลนต์เป็นหลัก ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ตัวเองจึงต่ำมาก ทำให้การเพิ่มความหนาแน่นทำได้ยากหากไม่มีสารช่วยเผา

การเผาผนึกแบบไร้แรงดันสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทตามกลไกการเผาผนึก คือ การเผาผนึกในเฟสของเหลวไร้แรงดัน (PLS-SiC) และการเผาผนึกในสถานะของแข็งไร้แรงดัน (PSS-SiC)

1.1 PLS-SiC (การเผาผนึกเฟสของเหลว)

โดยทั่วไปแล้ว PLS-SiC จะถูกเผาที่อุณหภูมิต่ำกว่า 2000°C โดยการเติมสารช่วยเผาแบบยูเทคติกประมาณ 10% (เช่น Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ และออกไซด์ของธาตุหายาก RE₂O₃) เพื่อสร้างเฟสของเหลว ซึ่งส่งเสริมการจัดเรียงตัวของอนุภาคและการถ่ายเทมวลเพื่อให้เกิดความหนาแน่น กระบวนการนี้เหมาะสำหรับเซรามิก SiC ระดับอุตสาหกรรม แต่ยังไม่มีรายงานเกี่ยวกับความบริสุทธิ์สูงของ SiC ที่ได้จากการเผาในเฟสของเหลว

1.2 PSS-SiC (การเผาผนึกแบบโซลิดสเตต)

PSS-SiC เกี่ยวข้องกับการเพิ่มความหนาแน่นในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000°C ด้วยสารเติมแต่งประมาณ 1% โดยน้ำหนัก กระบวนการนี้อาศัยการแพร่ของอะตอมและการจัดเรียงตัวใหม่ของเกรนที่ขับเคลื่อนด้วยอุณหภูมิสูงเป็นหลัก เพื่อลดพลังงานพื้นผิวและทำให้เกิดการเพิ่มความหนาแน่น ระบบ BC (โบรอน-คาร์บอน) เป็นสารเติมแต่งที่พบได้ทั่วไป ซึ่งสามารถลดพลังงานขอบเกรนและกำจัด SiO₂ ออกจากพื้นผิว SiC อย่างไรก็ตาม สารเติมแต่ง BC แบบดั้งเดิมมักทำให้เกิดสิ่งเจือปนตกค้าง ทำให้ความบริสุทธิ์ของ SiC ลดลง

จากการควบคุมปริมาณสารเติมแต่ง (B 0.4% wt.%, C 1.8% wt.%) และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 2150°C เป็นเวลา 0.5 ชั่วโมง เซรามิก SiC ความบริสุทธิ์สูงที่มีความบริสุทธิ์ 99.6% wt.% และความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.4% ได้โครงสร้างจุลภาคแสดงเกรนแบบคอลัมน์ (บางเกรนยาวเกิน 450 ไมโครเมตร) มีรูพรุนเล็กน้อยที่ขอบเกรนและมีอนุภาคกราไฟต์อยู่ภายในเกรน เซรามิกเหล่านี้มีความแข็งแรงดัด 443 ± 27 MPa โมดูลัสยืดหยุ่น 420 ± 1 GPa และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน 3.84 × 10⁻⁶ K⁻¹ ในช่วงอุณหภูมิห้องถึง 600°C ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพโดยรวมที่ยอดเยี่ยม

โครงสร้างจุลภาคของ PSS-SiC: (A) ภาพ SEM หลังจากการขัดและการกัดกร่อนด้วย NaOH; (BD) ภาพ BSD หลังจากการขัดและการกัดกร่อน

III. การอัดร้อน การเผาผนึก

การเผาผนึกแบบกดร้อน (HP) เป็นเทคนิคการทำให้วัสดุมีความหนาแน่นสูง ซึ่งใช้ความร้อนและแรงดันแกนเดียวในเวลาเดียวกันกับวัสดุผงภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง แรงดันสูงยับยั้งการเกิดรูพรุนและจำกัดการเติบโตของเกรนได้อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่อุณหภูมิสูงส่งเสริมการหลอมรวมของเกรนและการก่อตัวของโครงสร้างที่หนาแน่น ซึ่งท้ายที่สุดแล้วผลิตเซรามิก SiC ที่มีความหนาแน่นสูงและบริสุทธิ์สูง เนื่องจากลักษณะการกดแบบมีทิศทาง กระบวนการนี้จึงมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการแอนไอโซทรอปีของเกรน ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกลและการสึกหรอ

เซรามิก SiC บริสุทธิ์นั้นยากที่จะเพิ่มความหนาแน่นโดยไม่ใช้สารเติมแต่ง จึงจำเป็นต้องเผาผนึกด้วยแรงดันสูงพิเศษ Nadeau และคณะ ประสบความสำเร็จในการเตรียม SiC ที่มีความหนาแน่นเต็มที่โดยไม่ใช้สารเติมแต่งที่อุณหภูมิ 2500°C และ 5000 MPa; Sun และคณะ ได้วัสดุมวลรวม β-SiC ที่มีค่าความแข็งแบบวิกเกอร์สสูงถึง 41.5 GPa ที่ 25 GPa และ 1400°C โดยใช้ความดัน 4 GPa เซรามิก SiC ที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ประมาณ 98% และ 99% ความแข็ง 35 GPa และโมดูลัสยืดหยุ่น 450 GPa ถูกเตรียมที่อุณหภูมิ 1500°C และ 1900°C ตามลำดับ การเผาผนึกผง SiC ขนาดไมครอนที่อุณหภูมิ 5 GPa และ 1500°C ให้เซรามิกที่มีความแข็ง 31.3 GPa และความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.4%

แม้ว่าผลลัพธ์เหล่านี้จะแสดงให้เห็นว่าความดันที่สูงมากสามารถทำให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นได้โดยไม่ต้องเติมสารเติมแต่ง แต่ความซับซ้อนและต้นทุนที่สูงของอุปกรณ์ที่จำเป็นก็เป็นข้อจำกัดในการใช้งานทางอุตสาหกรรม ดังนั้น ในการเตรียมวัสดุในทางปฏิบัติ มักใช้สารเติมแต่งปริมาณเล็กน้อยหรือการทำเม็ดผงเพื่อเพิ่มแรงขับเคลื่อนการเผาผนึก

โดยการเติมเรซินฟีนอลิก 4% โดยน้ำหนักเป็นสารเติมแต่ง และเผาผนึกที่อุณหภูมิ 2350°C และความดัน 50 MPa ทำให้ได้เซรามิก SiC ที่มีอัตราการเพิ่มความหนาแน่น 92% และความบริสุทธิ์ 99.998% การใช้สารเติมแต่งปริมาณน้อย (กรดบอริกและฟรุกโตส D) และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 2050°C และความดัน 40 MPa ทำให้ได้ SiC ความบริสุทธิ์สูงที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์มากกว่า 99.5% และมีปริมาณ B ตกค้างเพียง 556 ppm ภาพ SEM แสดงให้เห็นว่า เมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างที่เผาผนึกโดยไม่ใช้แรงดัน ตัวอย่างที่กดด้วยความร้อนจะมีเกรนขนาดเล็กกว่า รูพรุนน้อยกว่า และความหนาแน่นสูงกว่า ความแข็งแรงดัดอยู่ที่ 453.7 ± 44.9 MPa และโมดูลัสยืดหยุ่นอยู่ที่ 444.3 ± 1.1 GPa

การขยายเวลาการยึดที่อุณหภูมิ 1900°C ทำให้ขนาดเกรนเพิ่มขึ้นจาก 1.5 μm เป็น 1.8 μm และค่าการนำความร้อนดีขึ้นจาก 155 เป็น 167 W·m⁻¹·K⁻¹ พร้อมทั้งเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของพลาสมาอีกด้วย

ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ 1850°C และ 30 MPa การอัดร้อนและการอัดร้อนอย่างรวดเร็วของผง SiC แบบเม็ดและแบบอบอ่อน ได้เซรามิก β-SiC ที่มีความหนาแน่นเต็มที่โดยไม่มีสารเติมแต่งใดๆ โดยมีความหนาแน่น 3.2 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร และอุณหภูมิการเผาผนึกต่ำกว่ากระบวนการแบบดั้งเดิม 150–200°C เซรามิกเหล่านี้มีความแข็ง 2729 GPa ความเหนียวแตกหัก 5.25–5.30 MPa·m^1/2 และมีความต้านทานการคืบที่ดีเยี่ยม (อัตราการคืบ 9.9 × 10⁻¹⁰ s⁻¹ และ 3.8 × 10⁻⁹ s⁻¹ ที่อุณหภูมิ 1400°C/1450°C และ 100 MPa)

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

ในการวิจัยการพิมพ์ 3 มิติสำหรับเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก สารละลายเซรามิก ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการขึ้นรูปและประสิทธิภาพ ได้กลายเป็นประเด็นสำคัญทั้งในประเทศและต่างประเทศ การศึกษาในปัจจุบันโดยทั่วไปชี้ให้เห็นว่าพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ขนาดอนุภาคผง ความหนืดของสารละลาย และปริมาณของแข็ง ส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณภาพการขึ้นรูปและคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

งานวิจัยพบว่าสารละลายเซรามิกที่เตรียมโดยใช้ผงแบเรียมไททาเนตขนาดไมครอน ซับไมครอน และนาโน มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการสเตอริโอลิโทกราฟี (เช่น LCD-SLA) เมื่อขนาดอนุภาคลดลง ความหนืดของสารละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด โดยผงขนาดนาโนจะผลิตสารละลายที่มีความหนืดสูงถึงหลายพันล้าน mPa·s สารละลายที่มีผงขนาดไมครอนมีแนวโน้มที่จะเกิดการแยกชั้นและการลอกออกระหว่างการพิมพ์ ในขณะที่ผงขนาดซับไมครอนและนาโนมีพฤติกรรมการขึ้นรูปที่เสถียรกว่า หลังจากการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่างเซรามิกที่ได้จะมีความหนาแน่น 5.44 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริก (d₃₃) ประมาณ 200 pC/N และค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียต่ำ ซึ่งแสดงคุณสมบัติการตอบสนองทางกลไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม

นอกจากนี้ ในกระบวนการไมโครสเตอริโอลิโทกราฟี การปรับปริมาณของแข็งของสารละลายชนิด PZT (เช่น 75% โดยน้ำหนัก) ทำให้ได้วัตถุซินเทอร์ที่มีความหนาแน่น 7.35 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งมีค่าคงที่ของเพียโซอิเล็กทริกสูงถึง 600 pC/N ภายใต้สนามไฟฟ้าโพลลิ่ง งานวิจัยเกี่ยวกับการชดเชยการเสียรูปในระดับไมโครช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการขึ้นรูปได้อย่างมีนัยสำคัญ เพิ่มความแม่นยำทางเรขาคณิตได้มากถึง 80%

การศึกษาอีกชิ้นหนึ่งเกี่ยวกับเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกแบบ PMN-PT พบว่าปริมาณของแข็งมีอิทธิพลอย่างมากต่อโครงสร้างและสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก เมื่อปริมาณของแข็ง 80% โดยน้ำหนัก ผลผลิตพลอยได้จะปรากฏในเซรามิกได้ง่าย เมื่อปริมาณของแข็งเพิ่มขึ้นเป็น 82% โดยน้ำหนักขึ้นไป ผลผลิตพลอยได้จะค่อยๆ หายไป และโครงสร้างเซรามิกจะบริสุทธิ์ขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ที่ปริมาณของแข็ง 82% โดยน้ำหนัก เซรามิกแสดงสมบัติทางไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุด ได้แก่ ค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริก 730 pC/N ค่าสัมพัทธ์ของค่าการอนุญาต (permittivity) 7226 และค่าการสูญเสียไดอิเล็กทริกเพียง 0.07

โดยสรุป ขนาดของอนุภาค ปริมาณของแข็ง และคุณสมบัติการไหลของสารละลายเซรามิกไม่เพียงแต่ส่งผลต่อความเสถียรและความแม่นยำของกระบวนการพิมพ์เท่านั้น แต่ยังกำหนดความหนาแน่นและการตอบสนองของพีโซอิเล็กทริกของวัตถุที่ผ่านการเผาโดยตรงอีกด้วย ทำให้เป็นพารามิเตอร์สำคัญสำหรับการบรรลุเซรามิกพีโซอิเล็กทริกที่พิมพ์แบบ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพสูง

กระบวนการหลักของการพิมพ์ 3 มิติ LCD-SLA ของตัวอย่าง BT/UV

คุณสมบัติของเซรามิก PMN-PT ที่มีปริมาณของแข็งต่างกัน

IV. การเผาผนึกด้วยประกายพลาสมา

การเผาผนึกด้วยประกายพลาสมา (Spark Plasma Sintering: SPS) เป็นเทคโนโลยีการเผาผนึกขั้นสูงที่ใช้กระแสไฟฟ้าพัลส์และแรงดันเชิงกลที่กระทำกับผงพร้อมกันเพื่อให้เกิดความหนาแน่นอย่างรวดเร็ว ในกระบวนการนี้ กระแสไฟฟ้าจะให้ความร้อนโดยตรงแก่แม่พิมพ์และผง ทำให้เกิดความร้อนแบบจูลและพลาสมา ทำให้การเผาผนึกมีประสิทธิภาพภายในระยะเวลาอันสั้น (โดยทั่วไปภายใน 10 นาที) การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วช่วยส่งเสริมการแพร่กระจายบนพื้นผิว ในขณะที่การคายประจุประกายไฟช่วยกำจัดก๊าซและชั้นออกไซด์ที่ถูกดูดซับออกจากพื้นผิวของผง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเผาผนึก นอกจากนี้ ผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้ายังช่วยเพิ่มการแพร่กระจายของอะตอมอีกด้วย

เมื่อเทียบกับการอัดร้อนแบบดั้งเดิม SPS ใช้ความร้อนโดยตรงมากกว่า ทำให้มีความหนาแน่นที่อุณหภูมิต่ำกว่า ขณะเดียวกันก็ยับยั้งการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดและสม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น

• โดยไม่ใช้สารเติมแต่ง โดยใช้ผง SiC บดเป็นวัตถุดิบ เผาที่อุณหภูมิ 2100°C และความดัน 70 MPa เป็นเวลา 30 นาที ทำให้ได้ตัวอย่างที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98%
• การเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1,700°C และความดัน 40 MPa เป็นเวลา 10 นาที จะได้ลูกบาศก์ SiC ที่มีความหนาแน่น 98% และขนาดเกรนเพียง 30–50 นาโนเมตรเท่านั้น
• การใช้ผง SiC แบบเม็ดขนาด 80 µm และการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1860°C และความดัน 50 MPa เป็นเวลา 5 นาที ส่งผลให้ได้เซรามิก SiC ประสิทธิภาพสูงที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.5% ความแข็งระดับวิกเกอร์สที่ 28.5 GPa ความแข็งแรงในการดัดที่ 395 MPa และความเหนียวแตกหักที่ 4.5 MPa·m^1/2

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคแสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิการเผาเพิ่มขึ้นจาก 1,600°C เป็น 1,860°C ความพรุนของวัสดุจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยเข้าใกล้ความหนาแน่นเต็มที่ที่อุณหภูมิสูง

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

V. การผลิตแบบเติมแต่ง

การผลิตแบบเติมแต่ง (AM) ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันมหาศาลในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกที่ซับซ้อน เนื่องจากกระบวนการก่อสร้างแบบชั้นต่อชั้น สำหรับเซรามิก SiC มีการพัฒนาเทคโนโลยี AM มากมาย ได้แก่ การพ่นสารยึดเกาะ (BJ), 3DP, การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกเฉพาะ (SLS), การเขียนด้วยหมึกโดยตรง (DIW) และการพิมพ์ภาพสามมิติแบบสเตอริโอลิโทกราฟี (SL, DLP) อย่างไรก็ตาม 3DP และ DIW มีความแม่นยำต่ำกว่า ในขณะที่ SLS มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดความเค้นจากความร้อนและรอยแตก ในทางตรงกันข้าม BJ และ SL มีข้อได้เปรียบมากกว่าในการผลิตเซรามิกเชิงซ้อนที่มีความบริสุทธิ์สูงและความแม่นยำสูง

1. การฉีดสารยึดเกาะ (BJ)

เทคโนโลยี BJ เกี่ยวข้องกับการพ่นสารยึดเกาะทีละชั้นเพื่อยึดผง จากนั้นจึงทำการแยกสารยึดเกาะและเผาผนึกเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์เซรามิกขั้นสุดท้าย เซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงและเป็นผลึกอย่างสมบูรณ์สามารถผลิตได้สำเร็จ โดยการผสม BJ เข้ากับการแทรกซึมด้วยไอเคมี (CVI) กระบวนการนี้ประกอบด้วย:

① การสร้างวัตถุสีเขียวเซรามิก SiC โดยใช้ BJ
② การเพิ่มความหนาแน่นโดยใช้ CVI ที่อุณหภูมิ 1,000°C และ 200 Torr
③ เซรามิก SiC ขั้นสุดท้ายมีความหนาแน่น 2.95 g/cm³ มีค่าการนำความร้อน 37 W/m·K และความแข็งแรงในการดัด 297 MPa

แผนผังของการพิมพ์ด้วยกาว (BJ) (A) แบบจำลองการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ (CAD), (B) แผนผังของหลักการ BJ, (C) การพิมพ์ SiC ด้วย BJ, (D) การเพิ่มความหนาแน่นของ SiC โดยการแทรกซึมของไอเคมี (CVI)

2. สเตอริโอลิโทกราฟี (SL)

SL คือเทคโนโลยีการขึ้นรูปเซรามิกโดยใช้รังสี UV ที่มีความแม่นยำสูงมากและมีความสามารถในการขึ้นรูปโครงสร้างที่ซับซ้อน วิธีการนี้ใช้สารละลายเซรามิกไวแสงที่มีปริมาณของแข็งสูงและความหนืดต่ำเพื่อสร้างกรีนบอดีเซรามิก 3 มิติผ่านกระบวนการโฟโตพอลิเมอไรเซชัน ตามด้วยการแยกพันธะและการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

โดยใช้สารละลาย SiC ความเข้มข้น 35% ปริมาตร วัตถุสีเขียว 3 มิติคุณภาพสูงถูกเตรียมภายใต้การฉายรังสี UV 405 นาโนเมตร และเพิ่มความหนาแน่นด้วยกระบวนการเผาพอลิเมอร์ที่อุณหภูมิ 800°C และกระบวนการ PIP ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าตัวอย่างที่เตรียมด้วยสารละลายความเข้มข้น 35% ปริมาตร มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 84.8% ซึ่งสูงกว่ากลุ่มควบคุมที่ความเข้มข้น 30% และ 40%

การนำ SiO₂ ไลโปฟิลิกและเรซินอีพอกซีฟีนอลิก (PEA) มาปรับสภาพสารละลาย ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโฟโตพอลิเมอไรเซชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลังจากการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1600°C เป็นเวลา 4 ชั่วโมง พบว่าเกือบสมบูรณ์แล้วที่ปริมาณออกซิเจนสุดท้ายเพียง 0.12% ทำให้สามารถผลิตเซรามิก SiC ที่มีโครงสร้างซับซ้อนและมีความบริสุทธิ์สูงได้ในขั้นตอนเดียว โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการออกซิเดชันล่วงหน้าหรือกระบวนการซึมผ่านล่วงหน้า

ภาพประกอบโครงสร้างการพิมพ์และกระบวนการเผาผนึก ลักษณะของตัวอย่างหลังจากการอบแห้งที่ (A) 25°C, ไพโรไลซิสที่ (B) 1000°C และการเผาผนึกที่ (C) 1600°C

ด้วยการออกแบบสารละลายเซรามิก Si₃N₄ ที่ไวต่อแสงสำหรับการพิมพ์สามมิติแบบสเตอริโอลิโทกราฟี และใช้กระบวนการถอดพันธะ-พรีซินเทอร์ริ่ง และการบ่มที่อุณหภูมิสูง เซรามิก Si₃N₄ ที่มีความหนาแน่นเชิงทฤษฎี 93.3% ความต้านทานแรงดึง 279.8 MPa และความต้านทานแรงดัด 308.5–333.2 MPa จึงถูกเตรียมขึ้น การศึกษาพบว่าภายใต้สภาวะที่มีปริมาณของแข็ง 45% ปริมาตร และเวลาเปิดรับแสง 10 วินาที สามารถผลิตวัตถุสีเขียวแบบชั้นเดียวที่มีความแม่นยำในการบ่มระดับ IT77 กระบวนการถอดพันธะที่อุณหภูมิต่ำด้วยอัตราการให้ความร้อน 0.1 °C/นาที ช่วยให้ผลิตวัตถุสีเขียวที่ปราศจากรอยแตกร้าว

การเผาผนึกเป็นขั้นตอนสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายในการพิมพ์ภาพสามมิติ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเติมสารช่วยเผาผนึกสามารถปรับปรุงความหนาแน่นและสมบัติเชิงกลของเซรามิกได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้ CeO₂ เป็นสารช่วยเผาผนึกและเทคโนโลยีการเผาผนึกด้วยสนามไฟฟ้าเพื่อเตรียมเซรามิก Si₃N₄ ความหนาแน่นสูง พบว่า CeO₂ สามารถแยกตัวที่ขอบเกรน ส่งเสริมการเลื่อนของขอบเกรนและการเพิ่มความหนาแน่น เซรามิกที่ได้มีความแข็งแบบวิคเกอร์ส HV10/10 (1347.9 ± 2.4) และมีความเหนียวแตกหัก (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/² เมื่อใช้ MgO–Y₂O₃ เป็นสารเติมแต่ง ความเป็นเนื้อเดียวกันของโครงสร้างจุลภาคเซรามิกจึงเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ ที่ระดับการเจือปนรวม 8% ตามน้ำหนัก ความแข็งแรงในการดัดและการนำความร้อนจะถึง 915.54 MPa และ 59.58 W·m⁻¹·K⁻¹ ตามลำดับ

VI. บทสรุป

โดยสรุป เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ความบริสุทธิ์สูง ซึ่งเป็นวัสดุเซรามิกวิศวกรรมที่โดดเด่น ได้แสดงให้เห็นถึงโอกาสการใช้งานที่กว้างขวางในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อวกาศ และอุปกรณ์สำหรับสภาวะสุดขั้ว บทความนี้วิเคราะห์กระบวนการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ความบริสุทธิ์สูง 5 ขั้นตอน ได้แก่ การตกผลึกซ้ำ การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน การกดร้อน การเผาผนึกแบบพลาสมาประกายไฟ และการผลิตแบบเติมแต่ง พร้อมอภิปรายโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกการเพิ่มความหนาแน่น การปรับพารามิเตอร์สำคัญ ประสิทธิภาพของวัสดุ และข้อดีและข้อจำกัดที่เกี่ยวข้อง

เห็นได้ชัดว่ากระบวนการต่างๆ ล้วนมีลักษณะเฉพาะตัว ทั้งในด้านความบริสุทธิ์สูง ความหนาแน่นสูง โครงสร้างที่ซับซ้อน และความเป็นไปได้ทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง (Additive Manufacturing) ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่แข็งแกร่งในการผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนและชิ้นส่วนที่ปรับแต่งได้ตามความต้องการ โดยมีความก้าวหน้าในสาขาย่อยต่างๆ เช่น สเตอริโอลิโทกราฟี (Stereolithography) และไบน์เดอร์เจ็ทติ้ง (Binder Jetting) ทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับการเตรียมเซรามิก SiC ความบริสุทธิ์สูง

การวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงจะต้องเจาะลึกมากขึ้น ส่งเสริมการเปลี่ยนผ่านจากการใช้งานในระดับห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้งานทางวิศวกรรมที่มีความน่าเชื่อถือสูงขนาดใหญ่ จึงให้การสนับสนุนวัสดุที่สำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์และเทคโนโลยีสารสนเทศรุ่นถัดไป

XKH เป็นองค์กรเทคโนโลยีขั้นสูงที่เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและผลิตวัสดุเซรามิกประสิทธิภาพสูง มุ่งมั่นที่จะนำเสนอโซลูชันเฉพาะสำหรับลูกค้าในรูปแบบของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ความบริสุทธิ์สูง บริษัทมีเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุขั้นสูงและความสามารถในการประมวลผลที่แม่นยำ ธุรกิจของบริษัทครอบคลุมการวิจัย การผลิต การแปรรูปที่แม่นยำ และการปรับสภาพพื้นผิวเซรามิก SiC ความบริสุทธิ์สูง เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ พลังงานใหม่ การบินและอวกาศ และสาขาอื่นๆ สำหรับส่วนประกอบเซรามิกประสิทธิภาพสูง ด้วยกระบวนการเผาผนึกและเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่งที่ได้รับการพัฒนาอย่างเชี่ยวชาญ เราจึงสามารถให้บริการแบบครบวงจรแก่ลูกค้า ตั้งแต่การปรับปรุงสูตรวัสดุ การสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อน ไปจนถึงการประมวลผลที่แม่นยำ เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติเชิงกล เสถียรภาพทางความร้อน และความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม