کاربید سیلیکون سیاه برای بوته

 کاربید سیلیکون (SiC) به دلیل خواص حرارتی، مکانیکی و شیمیایی استثنایی خود،  به طور گسترده در ساخت  بوته‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. بوته‌های SiC به ویژه در کاربردهای دما بالا، مانند ذوب فلزات، رشد کریستال (به عنوان مثال، شمش‌های سیلیکون) و فرآوری شیمیایی، ارزشمند هستند . در زیر مروری دقیق بر بوته‌های SiC، از جمله مزایا، انواع، روش‌های تولید و کاربردهای آنها ارائه شده است.

۱. چرا از کاربید سیلیکون برای بوته‌های ذوب استفاده کنیم؟

خواص کلیدی بوته‌های SiC:

• رسانایی حرارتی بالا  (~120 W/m·K) – گرمایش یکنواخت و انتقال حرارت کارآمد را تضمین می‌کند.

• مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی  – می‌تواند تغییرات سریع دما را بدون ترک خوردن تحمل کند.

• نقطه ذوب بالا  (~۲۷۰۰ درجه سانتیگراد) – مناسب برای فرآیندهای با دمای بسیار بالا.

• بی‌اثری شیمیایی  – در برابر خوردگی ناشی از فلزات مذاب (مانند آلومینیوم، مس، روی) و محیط‌های اسیدی/قلیایی مقاومت می‌کند.

• مقاومت مکانیکی  – سختی (~9.5 موس) و استحکام آن از تغییر شکل تحت بار جلوگیری می‌کند.

• عمر طولانی  – در بسیاری از کاربردها، بادوام‌تر از بوته‌های گرافیتی یا رسی-گرافیتی است.

2. انواع بوته‌های SiC

(الف) بوته‌های SiC زینتر شده (SSiC)

• ساخته شده با  پخت بدون فشار  یا  پرس گرم  پودر SiC با خلوص بالا.

• مزایا : چگالی بالا، مقاومت مکانیکی عالی و رسانایی حرارتی عالی.

• کاربردها : رشد کریستال نیمه‌هادی (مثلاً تک بلورهای سیلیکون)، ذوب فلزات با خلوص بالا.

(ب) بوته‌های SiC پیوند واکنشی (RB-SiC)

• با نفوذ سیلیکون مذاب به یک پیش‌قالب کربنی متخلخل و تشکیل SiC از طریق واکنش تولید می‌شود.

• مزایا : هزینه کمتر نسبت به SSiC، مقاومت خوب در برابر شوک حرارتی.

• معایب : حاوی سیلیکون آزاد (حدود ۸ تا ۱۵ درصد) است که مقاومت شیمیایی را در برخی محیط‌ها کاهش می‌دهد.

• کاربردها : ذوب فلزات غیر آهنی (مثلاً آلومینیوم، برنج).

(ج) بوته‌های SiC با پیوند رس

• با مخلوط کردن دانه‌های SiC با چسب‌های رسی و پختن ساخته می‌شود.

• مزایا : ارزان‌تر، ساخت آسان‌تر.

• معایب : رسانایی حرارتی و استحکام پایین‌تر در مقایسه با SiC خالص.

• کاربردها : ریخته‌گری برای ذوب فلزات غیر آهنی.

3. فرآیند تولید بوته‌های SiC

1. آماده‌سازی پودر : پودر SiC با خلوص بالا انتخاب می‌شود (معمولاً α-SiC برای تف‌جوشی).

2. شکل‌دهی :

   • پرس ایزواستاتیک  (برای SSiC) یا  ریخته‌گری دوغابی  (برای RB-SiC).

   • برای بوته‌های پیوندی با خاک رس، از پرس یا اکستروژن سنتی استفاده می‌شود.

3. تف‌جوشی/پیوند واکنشی :

   • SSiC : در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد تحت اتمسفر خنثی سینتر شده است.

   • RB-SiC : در تماس با سیلیکون تا دمای حدود ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شود.

4. ماشینکاری و پرداخت : سنگ‌زنی تا ابعاد دقیق.

5. کنترل کیفیت : آزمایش چگالی، تخلخل و مقاومت در برابر شوک حرارتی.

4. کاربردهای بوته‌های SiC

۵. مقایسه با سایر مواد قابل ذوب

→ SiC زمانی ترجیح داده می‌شود که مقاومت در برابر شوک حرارتی بالا و دوام بسیار مهم باشد.