سرامیک آلومینا با خواص جامع عالی خود جایگاهی بی بدیل در صنعت مدرن دارد. آنها می توانند به عنوان "اسکلت" برای تولید بسترهای مدار مجتمع یا به عنوان "زره" از تجهیزات محافظت در برابر سایش و پارگی شدید استفاده کنند. با این حال، هر ماده{2}}با عملکرد بالا با الزامات فرآیندی سختگیرانه همراه است. در فرآیند تولید واقعی سرامیکهای آلومینا، منافذ و شکافهای موجود در ریزساختار به طور مداوم چالش بزرگی را برای تکنسینهای تولید ایجاد میکنند. منافذ به نقاط تمرکز تنش تبدیل می شوند و به طور قابل توجهی استحکام مکانیکی مواد و قدرت میدان شکست را کاهش می دهند. از طرف دیگر، ترک ها مستقیماً تداوم مواد را مختل می کنند و منجر به ضایعات محصول در حین پخت یا خرابی ناگهانی در حین سرویس می شود. بنابراین، تجزیه و تحلیل عمیق علل این عیوب و تدوین استراتژیهای حذف موثر برای افزایش کیفیت سرامیکهای آلومینا حیاتی است.
علل ایجاد منافذ
منافذ حفره هایی هستند که در بدن متخلخل باقی می مانند که از منابع مختلفی منشأ می گیرند که در درجه اول به شرح زیر طبقه بندی می شوند:
حفره های بین ذره ای باقیمانده: این ناشی از مسائلی است که در مراحل آماده سازی و شکل گیری مواد اولیه وجود دارد. اگر پودر از ذرات یک اندازه تشکیل شده باشد یا دارای توزیع اندازه ذرات بیش از حد گسترده باشد، پدیده "پل" به راحتی در طول بسته بندی رخ می دهد، که منجر به ایجاد منافذ نامنظم و به هم پیوسته متعدد در داخل بدنه سبز رنگ می شود. در طی پرس خشک، فشار پرس ناهموار میتواند باعث شیب چگالی شود و در نتیجه مناطقی با تخلخل بالا در مناطق کم فشار- ایجاد شود.
تولید از ناخالصیهای فرار/تجزیهپذیر: اگر مواد خام حاوی ناخالصیهایی مانند کربناتها، سولفاتها، مواد آلی یا آب جذبشده باشند، در طی گرمایش تجزیه یا تبخیر میشوند و گازهایی مانند CO2، SO2 و H2O آزاد میکنند. اگر سرعت گرمایش خیلی سریع باشد، ممکن است این گازها به موقع خارج نشوند و در بدن سبز تجمع پیدا کنند و منافذ یا حتی تاول ایجاد کنند.
منافذ به دام افتاده توسط تبلور مجدد ثانویه: فرآیند پخت معمولی منافذ را از طریق حرکت مرز دانه از بین می برد. با این حال، هنگامی که چند دانه به طور غیر طبیعی رشد می کنند (تبلور مجدد ثانویه)، می توانند دانه های کوچک اطراف را ببلعد و منافذی را که در ابتدا در امتداد مرزهای دانه در داخل دانه ها توزیع شده اند به دام بیاندازند. هنگامی که منافذ در داخل دانهها به دام میافتند، دسترسی به مسیر انتشار سریع ایجاد شده توسط مرز دانهها را از دست میدهند، و حذف آنها از طریق تف جوشی بعدی بسیار دشوار است و در نتیجه منافذ بسته سرسخت ایجاد میشود.
انتشار بین ذره ای ناکافی: در طی پخت، انتشار مواد بین ذرات کلیدی برای دستیابی به چگالی است. اگر دمای تف جوشی خیلی پایین باشد، سرعت انتشار اتمی کند می شود و گردنه های تف جوشی بین ذرات به طور کامل ایجاد نمی شوند. حتی اگر مواد کمکی تف جوشی برای ترویج پخت فاز مایع معرفی شوند، تشکیل فاز مایع ناکافی یا ویسکوزیته بیش از حد بالا/سیالیت ضعیف مانع از خیس کردن موثر فاز مایع در سطح مشترک ذرات و پر کردن منافذ می شود و در نهایت منافذ باقیمانده در ماده باقی می ماند.
علل ایجاد ترک
در مقایسه با نقطه-نقطهای مانند توزیع منافذ، ترکها شکستگیهای خطی هستند که اغلب از تمرکز تنش در حین تف جوشی ناشی میشوند. هنگامی که تنش داخلی موضعی از حد مقاومت ماده در آن حالت فراتر رود، ترک ها شروع و منتشر می شوند و در نهایت منجر به شکست محصول می شوند. این تنش ها عمدتاً از موارد زیر منشأ می گیرند:
تنش حرارتی: در طول گرمایش یا سرمایش سریع، شیب دمایی قابل توجهی بین سطح داخلی و سطح یا بین بخش های ضخیم و نازک بدن سبز ایجاد می شود. انبساط یا انقباض حرارتی ناسازگار ناشی از این اختلاف دما باعث ایجاد تنش حرارتی قابل توجهی می شود که منجر به تغییر شکل یا ترک خوردن بدن می شود.
تنش تبدیل فاز: اگرچه تبدیل فاز در آلومینا به خودی خود نسبتاً ساده است (عمدتاً -Al2O3)، اگر مواد خام حاوی مواد افزودنی یا ناخالصیهای دیگر باشند، دگرگونیهای چندشکل ممکن است در طول پخت رخ دهد. اثر حجمی (انبساط یا انقباض) مرتبط با تبدیل فاز، اگر در یک چارچوب سفت و سخت رخ دهد، میتواند تنش داخلی را انباشته و باعث ایجاد ریزترکها شود.
تنش داخلی الاستیک: در حین پرس خشک، اگر نیروی اصطکاک وارده از دیواره قالب در حین قالبگیری بیش از حد باشد، یا اگر روش پرس نامناسب باشد (مثلاً پرس تک محوری)، تنش داخلی الاستیک ذخیره شده در بدنه سبز میتواند فوراً آزاد شود، که منجر به ایجاد ترکهای موازی در صفحات عمود بر لایه پرس میشود.
توزیع ناهمگن پودر و جداسازی ناخالصی: اگر مخلوط پودر ناهموار باشد، یا اگر ته نشین شدن در طی ریخته گری دوغاب رخ دهد، منجر به نرخ انقباض ناسازگار در نواحی مختلف بدن سبز در حین تف جوشی می شود. مناطق با انقباض بالاتر تنش کششی را از مناطق با انقباض کمتر تجربه می کنند. هنگامی که این تنش کششی از حد استحکام ماده فراتر رود، ترک ایجاد می شود. علاوه بر این، جداسازی ناخالصی در مرزهای دانه، استحکام پیوند مرز دانه را تضعیف می کند و به عنوان منبعی برای شروع ترک عمل می کند.
نقاط کنترل کلیدی در فرآیند تراکم
برای به دست آوردن -سرامیک آلومینا با کیفیت بالا با چگالی بالا و حداقل نقص، کنترل دقیق در کل فرآیند{1}}از پردازش پودر و شکلدهی تا زمانبندی پخت- ضروری است.
1. بهینه سازی ویژگی های پودر و تشکیل بدن سبز
درجه بندی با خلوص بالا، پودر فوق العاده ریز و اندازه ذرات: از پودر آلومینا با خلوص{0} بالا و فوق ریز (حتی در مقیاس-) برای افزایش نیروی محرکه تف جوشی استفاده کنید. از درجه بندی اندازه ذرات معقول (مخلوط کردن ذرات درشت و ریز) استفاده کنید تا به ذرات کوچک اجازه دهید فضاهای خالی ایجاد شده توسط بسته بندی ذرات بزرگ را پر کنند و تراکم بسته بندی بدن سبز را افزایش داده و منافذ بزرگ اولیه را کاهش دهند.
دانه بندی و هموژنیزاسیون: از دانه بندی خشک کن اسپری برای تبدیل پودر ریز به گرانول های کروی با جریان پذیری خوب و توزیع اندازه ذرات یکنواخت استفاده کنید و از پر شدن یکنواخت در هنگام پرس خشک یا پرس ایزواستاتیک اطمینان حاصل کنید. در ریخته گری لغزشی، رئولوژی، مقدار pH و محتوای جامد دوغاب را کنترل کنید تا از ته نشین شدن و جدا شدن ذرات جلوگیری شود.
تکنیک های شکل دهی پیشرفته: از فناوری پرس ایزواستاتیک سرد (CIP) استفاده کنید، که فشار یکنواخت را از همه جهات اعمال می کند، به طور قابل توجهی تراکم و یکنواختی بدنه سبز را بهبود می بخشد و به طور اساسی خطرات لمینیت و تغییرات چگالی را کاهش می دهد.
2. رژیم پخت دقیق
کنترل دما کلید چگالش سرامیکی است و نه تنها بر نیروی محرکه تف جوشی بلکه بر هر مرحله از فرسودگی بایندر تا رشد دانه تأثیر می گذارد.
نرخ گرمایش کنترلشده: در مرحله فرسودگی بایندر، نرخهای حرارت آهسته را برای افزودنیهای آلی (بایندرها، نرمکنندهها) و ناخالصیهای فرار، با دورههای نگهداری در دماهای بحرانی اعمال کنید. این به گازها زمان کافی برای خروج از منافذ مویرگی می دهد و از ایجاد تاول و ترک خوردن جلوگیری می کند. در طول مرحله تف جوشی، همچنین سرعت حرارت دهی را به طور مناسب کاهش دهید تا از مهاجرت مرزی دانه ها پیشی گرفته و از گیر افتادن منافذ در داخل دانه ها جلوگیری کنید.
کنترل دمای تف جوشی: در مرحله زینترینگ، دمای تف جوشی و زمان نگهداری را بهینه کنید و بهترین پارامترها را از طریق آزمایش (معمولاً بین 1600 تا 1750 درجه) تعیین کنید. این امر از تراکم ناقص به دلیل دماهای پایین یا رشد غیرعادی دانه و گیر افتادن منافذ به دلیل دمای بیش از حد جلوگیری می کند. بهعلاوه، برای دستیابی به چگالش در دماهای پایینتر، از کمکهای تف جوشی یا تکنیکهای پخت{4} در دمای پایین مانند تف جوشی با فشار داغ، تف جوشی پلاسمای جرقهای، یا تف جوشی در مایکروویو استفاده کنید.
مدیریت تنش در حین خنکسازی: در مرحله خنکسازی پس از تف جوشی، بهویژه هنگام عبور از محدوده دمای تبدیل فاز یا فواصل دمایی که در آن فازهای شیشهای وجود دارد، سرعت خنکسازی را به شدت کنترل کنید. استفاده از خنکسازی آهسته یا خنکسازی مرحلهای{1}}با دورههای نگهداری (بازپخت) به حذف یا کاهش تنش حرارتی و استرس تبدیل فاز کمک میکند و از تشکیل ریزترک در طول خنکسازی جلوگیری میکند. برای محصولات بزرگ یا پیچیده{3}}شکل، بازپخت پخت{4} در دمای کمتر از دمای پخت برای مدت طولانی می تواند به حذف تنش های داخلی باقیمانده کمک کند.