উচ্চ-বিশুদ্ধতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিক প্রস্তুতি প্রযুক্তিতে অগ্রগতি

উচ্চ-বিশুদ্ধতা সিলিকন কার্বাইড (SiC) সিরামিকগুলি তাদের ব্যতিক্রমী তাপ পরিবাহিতা, রাসায়নিক স্থিতিশীলতা এবং যান্ত্রিক শক্তির কারণে সেমিকন্ডাক্টর, মহাকাশ এবং রাসায়নিক শিল্পে গুরুত্বপূর্ণ উপাদানগুলির জন্য আদর্শ উপকরণ হিসাবে আবির্ভূত হয়েছে। উচ্চ-কার্যক্ষমতা, কম-দূষণকারী সিরামিক ডিভাইসের ক্রমবর্ধমান চাহিদার সাথে সাথে, উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিকের জন্য দক্ষ এবং স্কেলযোগ্য প্রস্তুতি প্রযুক্তির বিকাশ বিশ্বব্যাপী গবেষণার কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে। এই গবেষণাপত্রটি পদ্ধতিগতভাবে উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিকের জন্য বর্তমান প্রধান প্রস্তুতি পদ্ধতিগুলি পর্যালোচনা করে, যার মধ্যে রয়েছে পুনঃক্রিস্টালাইজেশন সিন্টারিং, প্রেসারলেস সিন্টারিং (PS), হট প্রেসিং (HP), স্পার্ক প্লাজমা সিন্টারিং (SPS), এবং অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং (AM), সিন্টারিং প্রক্রিয়া, মূল পরামিতি, উপাদান বৈশিষ্ট্য এবং প্রতিটি প্রক্রিয়ার বিদ্যমান চ্যালেঞ্জগুলি নিয়ে আলোচনা করার উপর জোর দেওয়া হয়েছে।

সামরিক ও প্রকৌশল ক্ষেত্রে SiC সিরামিকের প্রয়োগ

বর্তমানে, সিলিকন ওয়েফার উৎপাদন সরঞ্জামগুলিতে উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিক উপাদানগুলি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়, যা জারণ, লিথোগ্রাফি, এচিং এবং আয়ন ইমপ্লান্টেশনের মতো মূল প্রক্রিয়াগুলিতে অংশগ্রহণ করে। ওয়েফার প্রযুক্তির অগ্রগতির সাথে সাথে, ওয়েফারের আকার বৃদ্ধি একটি উল্লেখযোগ্য প্রবণতা হয়ে উঠেছে। বর্তমান মূলধারার ওয়েফারের আকার 300 মিমি, যা খরচ এবং উৎপাদন ক্ষমতার মধ্যে একটি ভাল ভারসাম্য অর্জন করে। তবে, মুরের আইন দ্বারা চালিত, 450 মিমি ওয়েফারের ব্যাপক উৎপাদন ইতিমধ্যেই এজেন্ডায় রয়েছে। বৃহত্তর ওয়েফারগুলিতে সাধারণত ওয়ার্পিং এবং বিকৃতি প্রতিরোধ করার জন্য উচ্চতর কাঠামোগত শক্তির প্রয়োজন হয়, যা বৃহৎ আকারের, উচ্চ-শক্তি, উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিক উপাদানগুলির ক্রমবর্ধমান চাহিদাকে আরও বাড়িয়ে তোলে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং (3D প্রিন্টিং), একটি দ্রুত প্রোটোটাইপিং প্রযুক্তি হিসাবে যার জন্য কোনও ছাঁচের প্রয়োজন হয় না, তার স্তর-স্তর নির্মাণ এবং নমনীয় নকশা ক্ষমতার কারণে জটিল-কাঠামোগত SiC সিরামিক যন্ত্রাংশ তৈরিতে অসাধারণ সম্ভাবনা প্রদর্শন করেছে, যা ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে।

এই গবেষণাপত্রটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা সম্পন্ন SiC সিরামিকের জন্য পাঁচটি প্রতিনিধিত্বমূলক প্রস্তুতি পদ্ধতি - পুনঃক্রিস্টালাইজেশন সিন্টারিং, চাপহীন সিন্টারিং, হট প্রেসিং, স্পার্ক প্লাজমা সিন্টারিং এবং অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং - পদ্ধতিগতভাবে বিশ্লেষণ করবে, যা তাদের সিন্টারিং প্রক্রিয়া, প্রক্রিয়া অপ্টিমাইজেশন কৌশল, উপাদানের কর্মক্ষমতা বৈশিষ্ট্য এবং শিল্প প্রয়োগের সম্ভাবনার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করবে।

উচ্চ-বিশুদ্ধতা সিলিকন কার্বাইড কাঁচামালের প্রয়োজনীয়তা

I. পুনঃক্রিস্টালাইজেশন সিন্টারিং

পুনঃক্রিস্টালাইজড সিলিকন কার্বাইড (RSiC) হল একটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা সম্পন্ন SiC উপাদান যা 2100-2500°C উচ্চ তাপমাত্রায় সিন্টারিং সাহায্য ছাড়াই প্রস্তুত করা হয়। 19 শতকের শেষের দিকে ফ্রেড্রিক্সন প্রথম পুনঃক্রিস্টালাইজেশন ঘটনাটি আবিষ্কার করার পর থেকে, RSiC এর পরিষ্কার শস্য সীমানা এবং কাচের পর্যায় এবং অমেধ্যের অনুপস্থিতির কারণে উল্লেখযোগ্য মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। উচ্চ তাপমাত্রায়, SiC তুলনামূলকভাবে উচ্চ বাষ্প চাপ প্রদর্শন করে এবং এর সিন্টারিং প্রক্রিয়াটি মূলত একটি বাষ্পীভবন-ঘনীভূতকরণ প্রক্রিয়ার সাথে জড়িত: সূক্ষ্ম শস্যগুলি বাষ্পীভূত হয় এবং বৃহত্তর শস্যের পৃষ্ঠে পুনরায় জমা হয়, যা ঘাড়ের বৃদ্ধি এবং শস্যের মধ্যে সরাসরি বন্ধনকে উৎসাহিত করে, যার ফলে উপাদানের শক্তি বৃদ্ধি পায়।

১৯৯০ সালে, ক্রিগেসম্যান ২২০০°C তাপমাত্রায় স্লিপ কাস্টিং ব্যবহার করে ৭৯.১% আপেক্ষিক ঘনত্বের RSiC প্রস্তুত করেন, যার ক্রস-সেকশনে মোটা দানা এবং ছিদ্র দিয়ে তৈরি একটি মাইক্রোস্ট্রাকচার দেখানো হয়েছিল। পরবর্তীকালে, Yi এবং অন্যান্যরা সবুজ বস্তু প্রস্তুত করতে জেল কাস্টিং ব্যবহার করেন এবং ২৪৫০°C তাপমাত্রায় সেগুলিকে সিন্টার করেন, যার ফলে ২.৫৩ গ্রাম/সেমি³ বাল্ক ঘনত্ব এবং ৫৫.৪ MPa নমনীয় শক্তি সহ RSiC সিরামিক পাওয়া যায়।

RSiC এর SEM ফ্র্যাকচার পৃষ্ঠ

ঘন SiC এর তুলনায়, RSiC এর ঘনত্ব কম (প্রায় 2.5 গ্রাম/সেমি³) এবং প্রায় 20% খোলা ছিদ্র থাকে, যা উচ্চ-শক্তি প্রয়োগে এর কার্যকারিতা সীমিত করে। অতএব, RSiC এর ঘনত্ব এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য উন্নত করা একটি গুরুত্বপূর্ণ গবেষণার কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে। সুং এবং অন্যান্যরা গলিত সিলিকনকে কার্বন/β-SiC মিশ্র কম্প্যাক্টে অনুপ্রবেশ এবং 2200°C তাপমাত্রায় পুনঃক্রিস্টালাইজ করার প্রস্তাব করেছিলেন, সফলভাবে α-SiC মোটা দানা দিয়ে তৈরি একটি নেটওয়ার্ক কাঠামো তৈরি করেছিলেন। ফলস্বরূপ RSiC 2.7 গ্রাম/সেমি³ ঘনত্ব এবং 134 MPa নমনীয় শক্তি অর্জন করেছিল, উচ্চ তাপমাত্রায় চমৎকার যান্ত্রিক স্থিতিশীলতা বজায় রেখেছিল।

ঘনত্ব আরও বৃদ্ধির জন্য, গুও এবং অন্যান্যরা RSiC এর একাধিক চিকিৎসার জন্য পলিমার ইনফ্লিট্রেশন এবং পাইরোলাইসিস (PIP) প্রযুক্তি ব্যবহার করেছিলেন। 3-6 PIP চক্রের পরে, PCS/জাইলিন দ্রবণ এবং SiC/PCS/জাইলিন স্লারিগুলিকে অনুপ্রবেশকারী হিসাবে ব্যবহার করে, RSiC এর ঘনত্ব উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছিল (2.90 g/cm³ পর্যন্ত), এর নমনীয় শক্তি সহ। অতিরিক্তভাবে, তারা PIP এবং পুনঃক্রিস্টালাইজেশনের সমন্বয়ে একটি চক্রীয় কৌশল প্রস্তাব করেছিলেন: 1400°C তাপমাত্রায় পাইরোলাইসিস এবং তারপরে 2400°C তাপমাত্রায় পুনঃক্রিস্টালাইজেশন, কার্যকরভাবে কণার বাধা দূর করে এবং ছিদ্র হ্রাস করে। চূড়ান্ত RSiC উপাদানটি 2.99 g/cm³ ঘনত্ব এবং 162.3 MPa নমনীয় শক্তি অর্জন করেছে, যা অসাধারণ ব্যাপক কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করে।

পলিমার ইমপ্রেগনেশন এবং পাইরোলাইসিস (PIP)-পুনঃক্রিস্টালাইজেশন চক্রের পরে পালিশ করা RSiC-এর মাইক্রোস্ট্রাকচার বিবর্তনের SEM চিত্র: প্রাথমিক RSiC (A), প্রথম PIP-পুনঃক্রিস্টালাইজেশন চক্রের পরে (B), এবং তৃতীয় চক্রের পরে (C)

II. চাপহীন সিন্টারিং

চাপহীন-সিন্টারযুক্ত সিলিকন কার্বাইড (SiC) সিরামিকগুলি সাধারণত উচ্চ-বিশুদ্ধতা, অতি-সূক্ষ্ম SiC পাউডারকে কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করে তৈরি করা হয়, অল্প পরিমাণে সিন্টারিং সহায়ক যোগ করা হয় এবং 1800-2150°C তাপমাত্রায় একটি জড় বায়ুমণ্ডল বা ভ্যাকুয়ামে সিন্টার করা হয়। এই পদ্ধতিটি বৃহৎ আকারের এবং জটিল-কাঠামোগত সিরামিক উপাদান তৈরির জন্য উপযুক্ত। তবে, যেহেতু SiC প্রাথমিকভাবে সহযোজিতভাবে বন্ধনযুক্ত, তাই এর স্ব-প্রসারণ সহগ অত্যন্ত কম, যা সিন্টারিং সহায়ক ছাড়াই ঘনত্বকে কঠিন করে তোলে।

সিন্টারিং প্রক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে, চাপবিহীন সিন্টারিংকে দুটি বিভাগে ভাগ করা যেতে পারে: চাপবিহীন তরল-পর্যায় সিন্টারিং (PLS-SiC) এবং চাপবিহীন সলিড-স্টেট সিন্টারিং (PSS-SiC)।

১.১ PLS-SiC (তরল-পর্যায় সিন্টারিং)

PLS-SiC সাধারণত ২০০০°C এর নিচে সিন্টার করা হয়, যার মধ্যে প্রায় ১০ ওয়াট.% ইউটেকটিক সিন্টারিং সহায়ক পদার্থ (যেমন Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂, এবং বিরল-পৃথিবী অক্সাইড RE₂O₃) যোগ করে তরল পর্যায় তৈরি করা হয়, যা ঘনত্ব অর্জনের জন্য কণা পুনর্বিন্যাস এবং ভর স্থানান্তরকে উৎসাহিত করে। এই প্রক্রিয়াটি শিল্প-গ্রেড SiC সিরামিকের জন্য উপযুক্ত, তবে তরল-পর্যায় সিন্টারিংয়ের মাধ্যমে উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC অর্জনের কোনও রিপোর্ট পাওয়া যায়নি।

১.২ পিএসএস-এসআইসি (সলিড-স্টেট সিন্টারিং)

PSS-SiC-তে ২০০০°C-এর বেশি তাপমাত্রায় কঠিন-অবস্থার ঘনত্ব অন্তর্ভুক্ত থাকে, যার মধ্যে প্রায় ১% অ্যাডিটিভ থাকে। এই প্রক্রিয়াটি মূলত উচ্চ তাপমাত্রার দ্বারা চালিত পারমাণবিক বিস্তার এবং শস্য পুনর্বিন্যাসের উপর নির্ভর করে যা পৃষ্ঠের শক্তি হ্রাস করে এবং ঘনত্ব অর্জন করে। BC (বোরন-কার্বন) সিস্টেম হল একটি সাধারণ অ্যাডিটিভ সংমিশ্রণ, যা শস্যের সীমানা শক্তি হ্রাস করতে পারে এবং SiC পৃষ্ঠ থেকে SiO₂ অপসারণ করতে পারে। তবে, ঐতিহ্যবাহী BC অ্যাডিটিভগুলি প্রায়শই অবশিষ্ট অমেধ্য প্রবর্তন করে, যা SiC বিশুদ্ধতা হ্রাস করে।

সংযোজনকারী উপাদান (B 0.4 wt.%, C 1.8 wt.%) নিয়ন্ত্রণ করে এবং 0.5 ঘন্টা ধরে 2150°C তাপমাত্রায় সিন্টারিং করে, 99.6 wt.% বিশুদ্ধতা এবং 98.4% আপেক্ষিক ঘনত্ব সহ উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিক পাওয়া গেছে। মাইক্রোস্ট্রাকচারে কলামার দানা (কিছু দৈর্ঘ্যে 450 µm এর বেশি), শস্যের সীমানায় ছোট ছিদ্র এবং শস্যের ভিতরে গ্রাফাইট কণা দেখা গেছে। সিরামিকগুলিতে 443 ± 27 MPa এর নমনীয় শক্তি, 420 ± 1 GPa এর একটি স্থিতিস্থাপক মডুলাস এবং 3.84 × 10⁻⁶ K⁻¹ এর একটি তাপীয় প্রসারণ সহগ, ঘরের তাপমাত্রা থেকে 600°C এর পরিসরে চমৎকার সামগ্রিক কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করে।

PSS-SiC এর মাইক্রোস্ট্রাকচার: (A) পলিশিং এবং NaOH এচিংয়ের পরে SEM চিত্র; (BD) পলিশিং এবং এচিংয়ের পরে BSD চিত্র

III. গরম চাপ সিন্টারিং

হট প্রেসিং (HP) সিন্টারিং হল একটি ঘনীকরণ কৌশল যা উচ্চ-তাপমাত্রা এবং উচ্চ-চাপের পরিস্থিতিতে পাউডার উপকরণগুলিতে একই সাথে তাপ এবং এক-অক্ষীয় চাপ প্রয়োগ করে। উচ্চ চাপ উল্লেখযোগ্যভাবে ছিদ্র গঠনে বাধা দেয় এবং শস্যের বৃদ্ধি সীমিত করে, অন্যদিকে উচ্চ তাপমাত্রা শস্যের সংমিশ্রণ এবং ঘন কাঠামো গঠনে উৎসাহিত করে, যা শেষ পর্যন্ত উচ্চ-ঘনত্ব, উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিক তৈরি করে। চাপ দেওয়ার দিকনির্দেশক প্রকৃতির কারণে, এই প্রক্রিয়াটি শস্যের অ্যানিসোট্রপিকে প্ররোচিত করে, যা যান্ত্রিক এবং পরিধান বৈশিষ্ট্যগুলিকে প্রভাবিত করে।

বিশুদ্ধ SiC সিরামিকগুলিকে অ্যাডিটিভ ছাড়া ঘন করা কঠিন, যার জন্য অতি উচ্চ-চাপের সিন্টারিং প্রয়োজন। নাদেউ এবং অন্যান্যরা 2500°C এবং 5000 MPa তাপমাত্রায় অ্যাডিটিভ ছাড়াই সম্পূর্ণ ঘন SiC সফলভাবে প্রস্তুত করেছেন; সান এবং অন্যান্যরা 25 GPa এবং 1400°C তাপমাত্রায় 41.5 GPa পর্যন্ত ভিকারস কঠোরতা সহ β-SiC বাল্ক উপকরণ পেয়েছেন। 4 GPa চাপ ব্যবহার করে, যথাক্রমে 1500°C এবং 1900°C তাপমাত্রায় প্রায় 98% এবং 99% আপেক্ষিক ঘনত্ব, 35 GPa কঠোরতা এবং 450 GPa ইলাস্টিক মডুলাস সহ SiC সিরামিক প্রস্তুত করা হয়েছিল। 5 GPa এবং 1500°C তাপমাত্রায় সিন্টারিং মাইক্রোন আকারের SiC পাউডার 31.3 GPa কঠোরতা এবং 98.4% আপেক্ষিক ঘনত্ব সহ সিরামিক তৈরি করেছে।

যদিও এই ফলাফলগুলি প্রমাণ করে যে অতি উচ্চ চাপ অ্যাডিটিভ-মুক্ত ঘনত্ব অর্জন করতে পারে, প্রয়োজনীয় সরঞ্জামের জটিলতা এবং উচ্চ ব্যয় শিল্প প্রয়োগকে সীমিত করে। অতএব, ব্যবহারিক প্রস্তুতিতে, ট্রেস অ্যাডিটিভ বা পাউডার গ্রানুলেশন প্রায়শই সিন্টারিং চালিকা শক্তি বৃদ্ধির জন্য ব্যবহৃত হয়।

৪ ওয়াট.% ফেনোলিক রজনকে সংযোজন হিসেবে যোগ করে এবং ২৩৫০°C এবং ৫০ MPa তাপমাত্রায় সিন্টারিং করে, ৯২% ঘনত্ব হার এবং ৯৯.৯৯৮% বিশুদ্ধতা সহ SiC সিরামিক পাওয়া যায়। কম সংযোজন পরিমাণ (বোরিক অ্যাসিড এবং ডি-ফ্রুক্টোজ) ব্যবহার করে এবং ২০৫০°C এবং ৪০ MPa তাপমাত্রায় সিন্টারিং করে, ৯৯.৫% থেকে বেশি আপেক্ষিক ঘনত্ব এবং মাত্র ৫৫৬ ppm অবশিষ্ট B উপাদান সহ উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC প্রস্তুত করা হয়। SEM চিত্রগুলি দেখায় যে, চাপহীন-সিন্টার করা নমুনার তুলনায়, গরম-চাপা নমুনাগুলিতে ছোট দানা, কম ছিদ্র এবং উচ্চ ঘনত্ব ছিল। নমনীয় শক্তি ছিল ৪৫৩.৭ ± ৪৪.৯ MPa, এবং স্থিতিস্থাপক মডুলাস ৪৪৪.৩ ± ১.১ GPa এ পৌঁছেছে।

১৯০০°C তাপমাত্রায় ধারণক্ষমতা বৃদ্ধির ফলে, শস্যের আকার ১.৫ μm থেকে ১.৮ μm বৃদ্ধি পেয়েছে এবং তাপ পরিবাহিতা ১৫৫ থেকে ১৬৭ W·m⁻¹·K⁻¹ বৃদ্ধি পেয়েছে, একই সাথে প্লাজমা ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতাও বৃদ্ধি পেয়েছে।

১৮৫০°C এবং ৩০ MPa তাপমাত্রায়, দানাদার এবং অ্যানিল করা SiC পাউডারের গরম চাপ এবং দ্রুত গরম চাপের ফলে কোনও সংযোজন ছাড়াই সম্পূর্ণ ঘন β-SiC সিরামিক পাওয়া যায়, যার ঘনত্ব ৩.২ গ্রাম/সেমি³ এবং সিন্টারিং তাপমাত্রা ঐতিহ্যবাহী প্রক্রিয়ার তুলনায় ১৫০-২০০°C কম। সিরামিকগুলির কঠোরতা ২৭২৯ GPa, ফ্র্যাকচার শক্ততা ৫.২৫–৫.৩০ MPa·m^১/২ এবং চমৎকার ক্রিপ প্রতিরোধ ক্ষমতা (ক্রিপ রেট ৯.৯ × ১০⁻¹⁰ s⁻¹ এবং ১৪০০°C/১৪৫০°C এবং ১০০ MPa তাপমাত্রায় ৩.৮ × ১০⁻⁹ s⁻¹) ছিল।

(A) পালিশ করা পৃষ্ঠের SEM চিত্র; (B) ফ্র্যাকচার পৃষ্ঠের SEM চিত্র; (C, D) পালিশ করা পৃষ্ঠের BSD চিত্র

পাইজোইলেকট্রিক সিরামিকের জন্য 3D প্রিন্টিং গবেষণায়, সিরামিক স্লারি, গঠন এবং কর্মক্ষমতা প্রভাবিতকারী মূল উপাদান হিসাবে, দেশীয় এবং আন্তর্জাতিকভাবে একটি মূল ফোকাসে পরিণত হয়েছে। বর্তমান গবেষণাগুলি সাধারণত ইঙ্গিত দেয় যে পাউডার কণার আকার, স্লারি সান্দ্রতা এবং কঠিন উপাদানের মতো পরামিতিগুলি চূড়ান্ত পণ্যের গঠনের গুণমান এবং পাইজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করে।

গবেষণায় দেখা গেছে যে মাইক্রোন-, সাবমাইক্রন- এবং ন্যানো-আকারের বেরিয়াম টাইটানেট পাউডার ব্যবহার করে তৈরি সিরামিক স্লারিগুলি স্টেরিওলিথোগ্রাফি (যেমন, LCD-SLA) প্রক্রিয়াগুলিতে উল্লেখযোগ্য পার্থক্য প্রদর্শন করে। কণার আকার হ্রাসের সাথে সাথে, স্লারি সান্দ্রতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়, ন্যানো-আকারের পাউডারগুলি বিলিয়ন বিলিয়ন mPa·s পর্যন্ত সান্দ্রতা সহ স্লারি তৈরি করে। মাইক্রোন-আকারের পাউডারযুক্ত স্লারিগুলি মুদ্রণের সময় ডিলামিনেশন এবং খোসা ছাড়ানোর প্রবণতা রাখে, অন্যদিকে সাবমাইক্রন এবং ন্যানো-আকারের পাউডারগুলি আরও স্থিতিশীল গঠন আচরণ প্রদর্শন করে। উচ্চ-তাপমাত্রা সিন্টারিংয়ের পরে, ফলস্বরূপ সিরামিক নমুনাগুলি 5.44 গ্রাম/সেমি³ ঘনত্ব, প্রায় 200 পিসি/এন এর একটি পাইজোইলেকট্রিক সহগ (d₃₃) এবং কম ক্ষতির কারণ অর্জন করে, যা চমৎকার ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল প্রতিক্রিয়া বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে।

উপরন্তু, মাইক্রো-স্টেরিওলিথোগ্রাফি প্রক্রিয়ায়, PZT-টাইপ স্লারির কঠিন উপাদান (যেমন, 75 wt.%) সামঞ্জস্য করার ফলে 7.35 g/cm³ ঘনত্বের সাথে সিন্টারযুক্ত বস্তু পাওয়া যায়, যা পোলিং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের অধীনে 600 pC/N পর্যন্ত পাইজোইলেকট্রিক ধ্রুবক অর্জন করে। মাইক্রো-স্কেল বিকৃতি ক্ষতিপূরণ সম্পর্কিত গবেষণা গঠনের নির্ভুলতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করেছে, জ্যামিতিক নির্ভুলতা 80% পর্যন্ত বৃদ্ধি করেছে।

PMN-PT পাইজোইলেকট্রিক সিরামিকের উপর আরেকটি গবেষণায় দেখা গেছে যে কঠিন পদার্থ সিরামিকের গঠন এবং বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে গুরুতরভাবে প্রভাবিত করে। 80 wt.% কঠিন পদার্থে, সিরামিকগুলিতে সহজেই উপজাতগুলি উপস্থিত হয়; কঠিন পদার্থ 82 wt.% এবং তার বেশি বৃদ্ধি পাওয়ার সাথে সাথে, উপজাতগুলি ধীরে ধীরে অদৃশ্য হয়ে যায় এবং সিরামিক কাঠামো উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত কর্মক্ষমতা সহ বিশুদ্ধ হয়ে ওঠে। 82 wt.% এ, সিরামিকগুলি সর্বোত্তম বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে: 730 pC/N এর একটি পাইজোইলেকট্রিক ধ্রুবক, 7226 এর আপেক্ষিক অনুমতি এবং মাত্র 0.07 এর ডাইইলেকট্রিক ক্ষতি।

সংক্ষেপে, সিরামিক স্লারির কণার আকার, কঠিন উপাদান এবং রিওলজিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলি কেবল মুদ্রণ প্রক্রিয়ার স্থায়িত্ব এবং নির্ভুলতাকেই প্রভাবিত করে না বরং সিন্টারযুক্ত বস্তুর ঘনত্ব এবং পাইজোইলেকট্রিক প্রতিক্রিয়াও সরাসরি নির্ধারণ করে, যা উচ্চ-কার্যক্ষমতা সম্পন্ন 3D-প্রিন্টেড পাইজোইলেকট্রিক সিরামিক অর্জনের জন্য এগুলিকে মূল পরামিতি করে তোলে।

বিটি/ইউভি নমুনার LCD-SLA 3D প্রিন্টিংয়ের মূল প্রক্রিয়া

বিভিন্ন কঠিন উপাদান সহ PMN-PT সিরামিকের বৈশিষ্ট্য

IV. স্পার্ক প্লাজমা সিন্টারিং

স্পার্ক প্লাজমা সিন্টারিং (SPS) হল একটি উন্নত সিন্টারিং প্রযুক্তি যা দ্রুত ঘনত্ব অর্জনের জন্য পাউডারের উপর একই সাথে প্রয়োগ করা স্পন্দিত কারেন্ট এবং যান্ত্রিক চাপ ব্যবহার করে। এই প্রক্রিয়ায়, কারেন্ট সরাসরি ছাঁচ এবং পাউডারকে উত্তপ্ত করে, জুল তাপ এবং প্লাজমা তৈরি করে, যা অল্প সময়ের মধ্যে (সাধারণত 10 মিনিটের মধ্যে) দক্ষ সিন্টারিং সক্ষম করে। দ্রুত উত্তাপ পৃষ্ঠের বিস্তারকে উৎসাহিত করে, অন্যদিকে স্পার্ক ডিসচার্জ পাউডার পৃষ্ঠ থেকে শোষিত গ্যাস এবং অক্সাইড স্তর অপসারণে সহায়তা করে, সিন্টারিং কর্মক্ষমতা উন্নত করে। তড়িৎ চৌম্বকীয় ক্ষেত্র দ্বারা সৃষ্ট ইলেক্ট্রোমাইগ্রেশন প্রভাব পারমাণবিক বিস্তারকেও উন্নত করে।

ঐতিহ্যবাহী গরম চাপের তুলনায়, SPS আরও সরাসরি তাপ ব্যবহার করে, যা কম তাপমাত্রায় ঘনত্ব বৃদ্ধি সক্ষম করে এবং কার্যকরভাবে শস্যের বৃদ্ধি রোধ করে সূক্ষ্ম এবং অভিন্ন মাইক্রোস্ট্রাকচার তৈরি করে। উদাহরণস্বরূপ:

• সংযোজন ছাড়াই, কাঁচামাল হিসেবে গ্রাউন্ড SiC পাউডার ব্যবহার করে, ২১০০°C এবং ৭০ MPa তাপমাত্রায় ৩০ মিনিটের জন্য সিন্টারিং করে ৯৮% আপেক্ষিক ঘনত্বের নমুনা পাওয়া গেছে।
• ১৭০০°C এবং ৪০ MPa তাপমাত্রায় ১০ মিনিট ধরে সিন্টারিং করলে ৯৮% ঘনত্বের ঘন SiC উৎপন্ন হয় এবং শস্যের আকার মাত্র ৩০-৫০ nm।
• ৮০ µm দানাদার SiC পাউডার ব্যবহার করে এবং ১৮৬০°C এবং ৫০ MPa তাপমাত্রায় ৫ মিনিট ধরে সিন্টারিং করার ফলে ৯৮.৫% আপেক্ষিক ঘনত্ব সহ উচ্চ-কার্যক্ষমতাসম্পন্ন SiC সিরামিক, ২৮.৫ GPa এর ভিকার্স মাইক্রোহার্ডনেস, ৩৯৫ MPa এর নমনীয় শক্তি এবং ৪.৫ MPa·m^১/২ এর ফ্র্যাকচার শক্ততা পাওয়া গেছে।

মাইক্রোস্ট্রাকচারাল বিশ্লেষণে দেখা গেছে যে সিন্টারিং তাপমাত্রা ১৬০০°C থেকে ১৮৬০°C পর্যন্ত বৃদ্ধি পাওয়ার সাথে সাথে, উপাদানের ছিদ্রতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়, উচ্চ তাপমাত্রায় পূর্ণ ঘনত্বের কাছাকাছি পৌঁছায়।

SiC সিরামিকের মাইক্রোস্ট্রাকচার বিভিন্ন তাপমাত্রায় সিন্টার করা হয়: (A) 1600°C, (B) 1700°C, (C) 1790°C এবং (D) 1860°C

ভি. সংযোজন উৎপাদন

অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং (এএম) সম্প্রতি স্তর-স্তর নির্মাণ প্রক্রিয়ার কারণে জটিল সিরামিক উপাদান তৈরিতে অসাধারণ সম্ভাবনা প্রদর্শন করেছে। SiC সিরামিকের জন্য, একাধিক AM প্রযুক্তি তৈরি করা হয়েছে, যার মধ্যে রয়েছে বাইন্ডার জেটিং (BJ), 3DP, সিলেক্টিভ লেজার সিন্টারিং (SLS), ডাইরেক্ট ইঙ্ক রাইটিং (DIW), এবং স্টেরিওলিথোগ্রাফি (SL, DLP)। তবে, 3DP এবং DIW-এর নির্ভুলতা কম, যেখানে SLS তাপীয় চাপ এবং ফাটল সৃষ্টি করে। বিপরীতে, BJ এবং SL উচ্চ-বিশুদ্ধতা, উচ্চ-নির্ভুলতা জটিল সিরামিক তৈরিতে আরও বেশি সুবিধা প্রদান করে।

1. বাইন্ডার জেটিং (বিজে)

BJ প্রযুক্তিতে স্তরে স্তরে বাইন্ডার থেকে বন্ড পাউডার স্প্রে করা হয়, তারপরে চূড়ান্ত সিরামিক পণ্য পেতে ডিবাইন্ডিং এবং সিন্টারিং করা হয়। BJ কে রাসায়নিক বাষ্প অনুপ্রবেশ (CVI) এর সাথে মিশ্রিত করে, উচ্চ-বিশুদ্ধতা, সম্পূর্ণ স্ফটিকের মতো SiC সিরামিকগুলি সফলভাবে প্রস্তুত করা হয়েছিল। প্রক্রিয়াটিতে অন্তর্ভুক্ত রয়েছে:

① BJ ব্যবহার করে SiC সিরামিক গ্রিন বডি তৈরি করা।
② ১০০০°C এবং ২০০ টর তাপমাত্রায় CVI এর মাধ্যমে ঘনীভূতকরণ।
③ চূড়ান্ত SiC সিরামিকের ঘনত্ব ছিল 2.95 g/cm³, তাপ পরিবাহিতা 37 W/m·K, এবং নমনীয় শক্তি 297 MPa।

আঠালো জেট (BJ) প্রিন্টিংয়ের পরিকল্পিত চিত্র। (A) কম্পিউটার-সহায়ক নকশা (CAD) মডেল, (B) BJ নীতির পরিকল্পিত চিত্র, (C) BJ দ্বারা SiC মুদ্রণ, (D) রাসায়নিক বাষ্প অনুপ্রবেশ (CVI) দ্বারা SiC এর ঘনীকরণ

2. স্টেরিওলিথোগ্রাফি (SL)

SL হল একটি UV-কিউরিং-ভিত্তিক সিরামিক ফর্মিং প্রযুক্তি যার অত্যন্ত উচ্চ নির্ভুলতা এবং জটিল কাঠামো তৈরির ক্ষমতা রয়েছে। এই পদ্ধতিতে উচ্চ কঠিন উপাদান এবং কম সান্দ্রতা সহ আলোক সংবেদনশীল সিরামিক স্লারি ব্যবহার করে ফটোপলিমারাইজেশনের মাধ্যমে 3D সিরামিক গ্রিন বডি তৈরি করা হয়, তারপরে চূড়ান্ত পণ্যটি পেতে ডিবাইন্ডিং এবং উচ্চ-তাপমাত্রার সিন্টারিং করা হয়।

৩৫ ভলিউম% SiC স্লারি ব্যবহার করে, ৪০৫ ন্যানোমিটার UV বিকিরণের অধীনে উচ্চমানের 3D গ্রিন বডি তৈরি করা হয়েছিল এবং ৮০০°C তাপমাত্রায় পলিমার বার্নআউট এবং PIP ট্রিটমেন্টের মাধ্যমে আরও ঘনীভূত করা হয়েছিল। ফলাফলে দেখা গেছে যে ৩৫ ভলিউম% স্লারি দিয়ে প্রস্তুত নমুনাগুলি ৮৪.৮% আপেক্ষিক ঘনত্ব অর্জন করেছে, যা ৩০% এবং ৪০% নিয়ন্ত্রণ গোষ্ঠীকে ছাড়িয়ে গেছে।

স্লারি পরিবর্তনের জন্য লিপোফিলিক SiO₂ এবং ফেনোলিক ইপোক্সি রজন (PEA) প্রবর্তনের মাধ্যমে, ফটোপলিমারাইজেশন কর্মক্ষমতা কার্যকরভাবে উন্নত করা হয়েছিল। ১৬০০°C তাপমাত্রায় ৪ ঘন্টা ধরে সিন্টার করার পরে, SiC-তে প্রায় সম্পূর্ণ রূপান্তর অর্জন করা হয়েছিল, যার চূড়ান্ত অক্সিজেন পরিমাণ ছিল মাত্র ০.১২%, যা প্রাক-জারণ বা প্রাক-অনুপ্রবেশ পদক্ষেপ ছাড়াই উচ্চ-বিশুদ্ধতা, জটিল-কাঠামোগত SiC সিরামিকের এক-পদক্ষেপ তৈরি করতে সক্ষম করে।

মুদ্রণ কাঠামো এবং এর সিন্টারিং প্রক্রিয়ার চিত্র। (A) 25°C তাপমাত্রায় শুকানোর পরে, (B) 1000°C তাপমাত্রায় পাইরোলাইসিস এবং (C) 1600°C তাপমাত্রায় সিন্টারিংয়ের পরে নমুনার উপস্থিতি।

স্টেরিওলিথোগ্রাফি 3D প্রিন্টিংয়ের জন্য আলোক সংবেদনশীল Si₃N₄ সিরামিক স্লারি ডিজাইন করে এবং ডিবাইন্ডিং-প্রিসিন্টারিং এবং উচ্চ-তাপমাত্রা বার্ধক্য প্রক্রিয়া ব্যবহার করে, 93.3% তাত্ত্বিক ঘনত্ব, 279.8 MPa প্রসার্য শক্তি এবং 308.5–333.2 MPa নমনীয় শক্তি সহ Si₃N₄ সিরামিক প্রস্তুত করা হয়েছিল। গবেষণায় দেখা গেছে যে 45 ভলিউম% কঠিন সামগ্রী এবং 10 সেকেন্ড এক্সপোজার সময়ের অবস্থার অধীনে, IT77-স্তরের নিরাময় নির্ভুলতা সহ একক-স্তর সবুজ বস্তু পাওয়া যেতে পারে। 0.1 °C/মিনিট তাপীকরণ হার সহ একটি নিম্ন-তাপমাত্রা ডিবাইন্ডিং প্রক্রিয়া ফাটল-মুক্ত সবুজ বস্তু তৈরিতে সহায়তা করে।

স্টেরিওলিথোগ্রাফিতে চূড়ান্ত কর্মক্ষমতা প্রভাবিত করার জন্য সিন্টারিং একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ। গবেষণায় দেখা গেছে যে সিন্টারিং এইড যোগ করলে সিরামিকের ঘনত্ব এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি কার্যকরভাবে উন্নত হতে পারে। উচ্চ-ঘনত্বের Si₃N₄ সিরামিক তৈরিতে সিও₂ কে সিন্টারিং এইড এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র-সহায়তাপ্রাপ্ত সিন্টারিং প্রযুক্তি হিসাবে ব্যবহার করে, সিও₂ শস্যের সীমানায় পৃথকীকরণ করতে দেখা গেছে, যা শস্যের সীমানা স্লাইডিং এবং ঘনত্ব বৃদ্ধি করে। ফলস্বরূপ সিরামিকগুলিতে ভিকারদের HV10/10 (1347.9 ± 2.4) কঠোরতা এবং (6.57 ± 0.07) MPa·m¹/² এর ফ্র্যাকচার শক্ততা প্রদর্শিত হয়েছিল। MgO–Y₂O₃ সংযোজন হিসাবে ব্যবহার করে, সিরামিক মাইক্রোস্ট্রাকচারের একজাতীয়তা উন্নত করা হয়েছিল, যা কর্মক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করেছিল। 8 wt.% এর মোট ডোপিং স্তরে, নমনীয় শক্তি এবং তাপ পরিবাহিতা যথাক্রমে 915.54 MPa এবং 59.58 W·m⁻¹·K⁻¹ এ পৌঁছেছে।

ষষ্ঠ। উপসংহার

সংক্ষেপে, উচ্চ-বিশুদ্ধতা সিলিকন কার্বাইড (SiC) সিরামিক, একটি অসাধারণ ইঞ্জিনিয়ারিং সিরামিক উপাদান হিসাবে, সেমিকন্ডাক্টর, মহাকাশ এবং চরম-অবস্থার সরঞ্জামগুলিতে বিস্তৃত প্রয়োগের সম্ভাবনা প্রদর্শন করেছে। এই গবেষণাপত্রটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিকের জন্য পাঁচটি সাধারণ প্রস্তুতি রুট - পুনঃক্রিস্টালাইজেশন সিন্টারিং, চাপহীন সিন্টারিং, হট প্রেসিং, স্পার্ক প্লাজমা সিন্টারিং এবং অ্যাডিটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং - পদ্ধতিগতভাবে বিশ্লেষণ করেছে, যার মধ্যে তাদের ঘনত্ব প্রক্রিয়া, মূল পরামিতি অপ্টিমাইজেশন, উপাদান কর্মক্ষমতা এবং সংশ্লিষ্ট সুবিধা এবং সীমাবদ্ধতা সম্পর্কে বিস্তারিত আলোচনা করা হয়েছে।

এটা স্পষ্ট যে উচ্চ বিশুদ্ধতা, উচ্চ ঘনত্ব, জটিল কাঠামো এবং শিল্প সম্ভাব্যতা অর্জনের ক্ষেত্রে বিভিন্ন প্রক্রিয়ার অনন্য বৈশিষ্ট্য রয়েছে। বিশেষ করে, সংযোজন উৎপাদন প্রযুক্তি জটিল আকৃতির এবং কাস্টমাইজড উপাদান তৈরিতে শক্তিশালী সম্ভাবনা দেখিয়েছে, স্টেরিওলিথোগ্রাফি এবং বাইন্ডার জেটিংয়ের মতো উপক্ষেত্রে অগ্রগতির মাধ্যমে, এটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC সিরামিক প্রস্তুতির জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ উন্নয়নের দিক তৈরি করেছে।

উচ্চ-বিশুদ্ধতা সম্পন্ন SiC সিরামিক প্রস্তুতির উপর ভবিষ্যতের গবেষণাকে আরও গভীরভাবে অনুসন্ধান করতে হবে, যা পরীক্ষাগার-স্কেল থেকে বৃহৎ-স্কেল, অত্যন্ত নির্ভরযোগ্য প্রকৌশল অ্যাপ্লিকেশনে রূপান্তরকে উৎসাহিত করবে, যার ফলে উচ্চ-মানের সরঞ্জাম উত্পাদন এবং পরবর্তী প্রজন্মের তথ্য প্রযুক্তির জন্য গুরুত্বপূর্ণ উপাদান সহায়তা প্রদান করবে।

XKH হল একটি উচ্চ-প্রযুক্তিগত উদ্যোগ যা উচ্চ-কার্যক্ষমতা সম্পন্ন সিরামিক উপকরণের গবেষণা এবং উৎপাদনে বিশেষজ্ঞ। এটি গ্রাহকদের জন্য উচ্চ-বিশুদ্ধতা সম্পন্ন সিলিকন কার্বাইড (SiC) সিরামিকের আকারে কাস্টমাইজড সমাধান প্রদানের জন্য নিবেদিতপ্রাণ। কোম্পানিটির উন্নত উপাদান প্রস্তুতি প্রযুক্তি এবং সুনির্দিষ্ট প্রক্রিয়াকরণ ক্ষমতা রয়েছে। এর ব্যবসা উচ্চ-বিশুদ্ধতা সম্পন্ন SiC সিরামিকের গবেষণা, উৎপাদন, সুনির্দিষ্ট প্রক্রিয়াকরণ এবং পৃষ্ঠ চিকিত্সাকে অন্তর্ভুক্ত করে, যা উচ্চ-কার্যক্ষমতা সম্পন্ন সিরামিক উপাদানগুলির জন্য সেমিকন্ডাক্টর, নতুন শক্তি, মহাকাশ এবং অন্যান্য ক্ষেত্রের কঠোর প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে। পরিপক্ক সিন্টারিং প্রক্রিয়া এবং সংযোজনীয় উৎপাদন প্রযুক্তি ব্যবহার করে, আমরা গ্রাহকদের উপাদান সূত্র অপ্টিমাইজেশন, জটিল কাঠামো গঠন থেকে সুনির্দিষ্ট প্রক্রিয়াকরণ পর্যন্ত এক-স্টপ পরিষেবা প্রদান করতে পারি, নিশ্চিত করে যে পণ্যগুলিতে চমৎকার যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য, তাপীয় স্থিতিশীলতা এবং জারা প্রতিরোধ ক্ষমতা রয়েছে।