تكتسب سيراميك كربيد السيليكون قوة جذب في الصناعة على الرغم من التحديات

في عصرنا الذي يتسم بالتقدم التكنولوجي السريع، أصبح علم المواد ذا أهمية متزايدة. مع ازدياد الطلب على البيئات الصناعية، غالبًا ما تفشل المواد التقليدية في تلبية المتطلبات القصوى لدرجات الحرارة المرتفعة والظروف المسببة للتآكل. من بين المواد الخزفية المتقدمة، يبرز كربيد السيليكون (SiC) بخصائصه الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية، ويحظى باهتمام كبير في مجال الطيران والإلكترونيات والهندسة الكيميائية والقطاعات الصناعية الأخرى.

كربيد السيليكون عبارة عن مركب من ذرات السيليكون والكربون المرتبطة بروابط تساهمية قوية. إنه موجود في أشكال بلورية متعددة، مع كون α-SiC (البنية السداسية) أكثر شيوعًا في التطبيقات الصناعية وβ-SiC (البنية المكعبة) يُظهر وعدًا في تطبيقات أشباه الموصلات نظرًا لحركيته العالية للإلكترون.

تم اكتشاف المادة بالصدفة في عام 1893 من قبل المخترع الأمريكي إدوارد جودريتش أتشيسون أثناء محاولته تصنيع الماس. أدى هذا الاكتشاف بالصدفة إلى الإنتاج الصناعي لمواد كاشطة SiC، مع توسع التطبيقات تدريجيًا لتشمل المواد المقاومة للحرارة والمكونات الإلكترونية.

مع نقطة انصهار تبلغ 2700 درجة مئوية، تحافظ سيراميك SiC على السلامة الهيكلية تحت الحرارة الشديدة بسبب روابطها التساهمية القوية. وهذا يجعلها مثالية لمكونات الفرن، وفوهات الموقد، وأثاث الفرن في إنتاج الصلب وصناعات تلبيد السيراميك. في تطبيقات الفضاء الجوي، يمكن لشفرات التوربينات المعتمدة على كربيد السيليكون أن تحسن بشكل كبير كفاءة المحرك ونسب الدفع إلى الوزن.

بتصنيف 2500-3000 فولت على مقياس فيكرز، فإن سيراميك SiC يتفوق على السيراميك التقليدي مثل الألومينا (1500-2000 فولت) في الصلابة. كما أن قوتها الانثناءية (400-800 ميجا باسكال) تضاعف أيضًا قوة الألومينا، مما يجعلها لا تقدر بثمن بالنسبة للأختام الميكانيكية، وطلاء الدروع، والمكونات المقاومة للتآكل في معدات البترول والتعدين.

توفر روابط Si-C القوية مقاومة متميزة للأحماض والقلويات والعوامل المؤكسدة. في المعالجة الكيميائية والتطبيقات البيئية، تعمل مكونات SiC على إطالة عمر المعدات بشكل كبير في معالجة الوسائط المسببة للتآكل، بدءًا من خطوط الأنابيب وحتى أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي.

على الرغم من أنه لا يطابق التوصيل الحراري لنتريد الألومنيوم، فإن تصنيف SiC الذي يتراوح بين 120-270 واط/م · كلفن يجعله فعالًا لتبريد إلكترونيات الطاقة والمبادلات الحرارية الصناعية. تتيح الموصلية الكهربائية القابلة للضبط من خلال المنشطات استخدام تطبيقات أشباه الموصلات المتنوعة.

مثل معظم أنواع السيراميك، يعاني SiC من صلابة منخفضة للكسر. تركز الأبحاث على دمج عوامل التقوية (أنابيب الكربون النانوية، والجرافين)، والتحكم في حجم الحبوب، وتعديلات السطح للتخفيف من هذا القيد.

التغيرات السريعة في درجات الحرارة يمكن أن تؤدي إلى التشقق. وتشمل الحلول تعديل معاملات التمدد الحراري، وتعزيز التوصيل الحراري، وشبكات الشقوق الدقيقة التي يتم التحكم فيها هندسيًا لامتصاص الضغط.

إن المواد الخام باهظة الثمن والتصنيع المعقد ومتطلبات الآلات الدقيقة تحد حاليًا من اعتمادها على نطاق واسع. وتشمل الأساليب الناشئة مصادر المواد الأولية البديلة، وعمليات التلبيد المبسطة، وتقنيات التصنيع المتقدمة لتقليل التكاليف.

تشمل تقنيات الإنتاج الرئيسية ما يلي:

• تلبيد:ضغط مسحوق فعال من حيث التكلفة وانصهار بدرجة حرارة عالية
• ترابط التفاعل:التكوين في الموقع من مخاليط السيليكون والكربون
• ترسيب البخار:إنتاج الأغشية الرقيقة عالية النقاء للإلكترونيات
• طرق بديلة:بما في ذلك sol-gel والتوليف الذاتي لدرجات الحرارة العالية

تعمل أجهزة الطاقة SiC على تمكين العاكسات والمحولات الأكثر كفاءة، والتي تم اعتمادها بالفعل من قبل رواد الصناعة مثل Tesla وBYD لتوسيع نطاق البطارية.

تستفيد مكونات توربينات الجيل التالي وأجزاء محركات الصواريخ من قدرات SiC في درجات الحرارة العالية لتحسين الدفع وكفاءة استهلاك الوقود.

تُحدث رقائق SiC ثورة في إلكترونيات الطاقة للبنية التحتية وأنظمة الطاقة لـ 5G، مما يوفر أداءً فائقًا للسيليكون التقليدي.

تشمل التطبيقات الإضافية الطاقة النووية (تكسية الوقود)، والمزروعات الطبية (استبدال المفاصل)، والمواد الكاشطة المتقدمة للتصنيع الدقيق.

بينما يعالج الباحثون الهشاشة وحواجز التكلفة من خلال استراتيجيات تشديد جديدة وطرق إنتاج قابلة للتطوير، فإن سيراميك كربيد السيليكون يستعد لتحويل صناعات متعددة. وستعمل التطورات المستمرة على ترسيخ دورها في تمكين تقنيات الجيل التالي في قطاعات الطاقة والنقل والتصنيع المتقدم.