Silicon Carbide da aka haɗa da nitride: Jarumi a gaban tsanantawar masana'antu

A aikina na ƙwararren masanin kayan wuta da na yi sama da shekaru 20, na ga sabbin ƙirƙira da dama suna zuwa suna wucewa. Amma silicon carbide da aka haɗa da nitride? Wannan shi ne ɗaya daga cikin waɗanda suka tsaya, kuma da dalili mai kyau. Shi ne kayan da kake komawa gare shi idan zafin ya yi yawa, tsatsa ta yi ƙarfi, kuma kana buƙatar wani abu da ba zai daina aiki a tsakiyar aikin samarwa ba. Ana yawan gajarta shi da NBSiC ko kuma SiC nitride bonded, wannan kayan hana ƙonewa ya haɗa ƙarfi da juriya na silicon carbide da ƙarfin haɗawa na silicon nitride don samar da samfur mai ƙarfi, inganci, kuma mai matuƙar amfani a fannoni da dama. Ko da ba shi ne zaɓi mafi jan hankali ba, yadda yake aiki a ainihin yanayi ya sa ya zama abin so ga injiniyoyi a fannin sarrafa ƙarfe, keramiki, da sauran fannoni. Mu yi nazari dalla-dalla kan abin da ke sa shi ya yi aiki—daga yadda aka haɗa shi zuwa inda yake yin fice, har ma da matsalolin da ya kamata ka kula da su. Idan kana zaɓar kayan aiki don ayyukan zafi mai yawa, wannan na iya taimaka maka ka yanke shawara ko shi ne ya dace.

Ginshikin silicon carbide da aka haɗa da nitride ya ta'allaka ne ga sinadaran asali da kuma hikimar yadda aka haɗa su. Dukkan abin ya fara ne da ƙwayoyin silicon carbide, waɗanda ake samarwa ta hanyar tsarin Acheson na gargajiya: dumama haɗin yashi mai silica da carbon zuwa matuƙar zafi, sama da 2000°C, a cikin tanda mai arc na lantarki. Wannan yana samar da waɗannan ƙwayoyin SiC masu ƙarfi da tsari na kristal, waɗanda aka san su da ɗorewarsu. Don haɗa su, masana'antun suna haɗa foda siliki sannan su siffanta haɗin zuwa siffofi kamar tubalan ko bututu. Sannan sai mataki mafi muhimmanci—gasa a cikin yanayin nitrogen a zafin jiki na 1400 zuwa 1500°C. A nan, silicon na haɗuwa da nitrogen don samar da silicon nitride (Si3N4), wanda ke girma a matsayin cibiyar ƙananan kristaloli masu haɗa ƙwayoyin SiC a wurinsu. Sakamakon haka shi ne haɗadden abu inda SiC ke ɗaukar kashi 80% ko fiye na yawan sa, yayin da nitride ke aiki a matsayin mai haɗawa mai ƙarfi da muhimmanci. Ba a buƙatar ƙarin manne ko laka, wanda ke sa abubuwa su kasance masu tsarki kuma masu aiki sosai. Idan ka duba ƙananan tsarin, abin birgewa ne: Si3N4 yana bayyana a matsayin gashi masu tsawo da suka yi lanƙwasa da ƙwayoyin SiC masu siffar tubali, suna ƙirƙirar matris mai cunkoso amma mai ramuka da aka sarrafa.

Dangane da kaddarori, wannan kayan yana da ƙarfi sosai a fannoni da dama masu muhimmanci. A bangaren zafi, zai iya jure zafin aiki har zuwa 1650°C a yanayi mai haifar da oksida, kuma wani lokaci ma fi haka a yanayi mai rage oksida. A yayin da aka fallasa shi ga iska, wani fim na silika mai kariya yana samuwa a saman sa, yana toshe shi daga ƙarin rushewa. Haka kuma, gagarumar gagarumin gudanar da zafi—yawanci 20 zuwa 40 W/m·K—tana da matuƙar amfani a aikace-aikacen da ke buƙatar rarraba zafi daidai, kamar a na'urorin dumama. Tare da ƙimar faɗaɗa zafi kusan 4.0 x 10^-6 a kowane °C, yana jure matsin lamba na saurin dumama da sanyaya waɗanda za su iya karya wasu zaɓuɓɓuka masu rauni. A bangaren injiniya, ƙarfin matsawa sau da yawa yakan wuce 200 MPa, kuma juriya ga gogayya tana daga mafi inganci, godiya ga ƙimar tauri na SiC da ke kusa da na lu'u-lu'u. Na gudanar da gwaje-gwaje inda samfura suka jure zubewar slag da aka kwaikwayo wanda zai cinye bulo-bulo na alumina a rabi lokacin.

Sannan akwai juriya ta sinadarai. SiC da aka haɗa da nitride yana jure wa nau'o'in masu lalata da dama—acid, baz, ƙarafa masu narke, da gishiri. A misali, a lokacin narke aluminium, yana kare kansa daga hare-haren fluoride da ke lalata sauran kayan wuta masu juriya. Kaurin wannan kayan yana tsakanin 2.7 da 3.1 g/cm³, wanda ke sa shi ya fi yawancin seramiki masu nauyi haske, abin da ke sauƙaƙa girkawa a manyan gine-gine. Yawan ramuka yawanci yana tsakanin 10-20%, wanda ke ba da damar ɗan yawo na iskar gas ba tare da raunana duka ba. Amma ya kamata a lura cewa a yanayi mai danshi da zafin gaske sama da 1400°C, matakin nitride na iya rushewa ta ruwa, wanda ke haifar da lalacewa. Don haka, abubuwan muhalli suna taka muhimmiyar rawa wajen tsawon rayuwarsa.

Idan ana maganar aikace-aikace, SiC da aka haɗa da nitride yana haskakawa a muhallai inda gazawa ba za ta yiwu ba. A masana'antar ƙarfe, ana amfani da shi sosai wajen rufin tanda mai fashewa, musamman a ƙananan bututun hayaki da wuraren ƙasa na tanda da ke fuskantar zafi mai tsanani da bugun injiniya. Na taɓa ba da shawara kan sake shimfiɗa inda amfani da SiC ya tsawaita aikin daga watanni 8 zuwa sama da shekaru 2, yana rage kuɗaɗe sosai. Ga ƙananan ƙarfe marasa ferros kamar tagulla ko zinc, ana amfani da shi a cikin tukwane na narkewa, magudanun fitar da ƙarfe, da magudanun taruwa; saman sa ba ya manne da sauƙi, don haka ƙarfe ba ya manne kuma ba ya haifar da toshewa. A masana'antar kayan yumbu, yana aiki a matsayin matattara da tallafi na murhu, yana jure sake-sake na gasa ba tare da lankwasawa ba.

Banda masana'antu na gargajiya, za ka same shi a cikin masana'antun mayar da sharar gida zuwa makamashi da ke kewaye da na'urorin ƙonawa don hana hayaki mai lalata, ko a cikin sarrafa sinadarai don tukwane da ke ɗaukar abubuwan da ke da saurin maye. Kwanan nan, ana ganinsa a cikin tsarin makamashi na ci gaba, kamar reaktocin syngas ko na'urorin tara hasken rana. Siffarsa tana da sassauci—ana matsa shi zuwa bulo na al'ada ko siffofi na musamman, tare da girma-girma daban-daban. A lokacin girkawa, haɗa shi da siminti masu dacewa da SiC don samun sakamako mafi kyau. Farashi? Yafi tsada fiye da bulo na wuta na yau da kullum, watakila $5–10 kowace kilo, amma a wuraren da ake yawan lalacewa, yana dawo da kansa cikin sauri ta hanyar rage gyara.

Tabbas, kamar kowanne kayan, yana da iyakokinsa. Tsarin kera yana buƙatar daidaito; idan nitridation bai kammala ba, za ka iya samun wurare masu rauni da ke da sauƙin lalacewa. Sarrafawa da aikin injina suna haifar da ƙura wadda ke zama barazana ga lafiya—za ta iya haifar da ciwon daji—don haka koyaushe a dage kan kyakkyawan sarrafa ƙura da kayan kariya. Daga mahangar muhalli, kera shi na cinye yawan makamashi, amma ci gaban sake sarrafawa yana taimakawa: wasu ayyuka suna dawo da kashi 60–70% na SiC daga tsofaffin layuka. Ci gaban nan gaba ya haɗa da nau'uka masu ƙarfi tare da ƙarin zaren auduga don ƙarin juriya ga fashewa, ko ma sassa da aka buga a 3D don rage sharar gida.

A taƙaice, silicon carbide da aka haɗa da nitride ba wai wata ƙarin kayan jure zafi ba ne kawai—shi ne abokin aikin da aka tabbatar wajen magance mafi ƙalubalen zafi da na sinadarai. Dangane da ƙwarewata a fagen, shi ne zaɓi da sau da yawa ke sa ayyuka marasa inganci su zama masu inganci, kamar a masana'antar aluminium inda ya ninka rayuwar tukunyar narkewa. Idan kuna tunanin amfani da shi, ku tantance yanayinku da kyau—zazzabi, fuskantar sinadarai, matsin lamba na injiniya—ku kuma duba ka'idojin da suka dace kamar ASTM C863. Ku tuntuɓi manyan masana'antun samarwa kamar Saint-Gobain ko ESK Ceramics don ƙarin bayani. A cikin ƙoƙarin samar da masana'antu masu dorewa a yau, kayan irin wannan suna da muhimmanci, suna haɗa amintuwa da yiwuwar samun ci gaba mafi girma.