ซิลิกอนคาร์ไบด์สีดำสำหรับเบ้าหลอม

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิต  เบ้าหลอมโลหะ  เนื่องจากมีคุณสมบัติทางความร้อน เชิงกล และทางเคมีที่โดดเด่น เบ้าหลอม SiC ได้รับความนิยมเป็นพิเศษในงานที่อุณหภูมิสูง เช่น  การหลอมโลหะ การเจริญเติบโตของผลึก (เช่น แท่งซิลิคอน) และกระบวนการทางเคมีด้านล่างนี้คือภาพรวมโดยละเอียดของเบ้าหลอม SiC รวมถึงข้อดี ประเภท วิธีการผลิต และการใช้งาน

1. เหตุใดจึงใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์สำหรับเบ้าหลอม?

คุณสมบัติหลักของเบ้าหลอม SiC:

• การนำความร้อนสูง  (~120 W/m·K) – รับประกันความร้อนสม่ำเสมอและการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

• ทนทานต่อ  การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วได้ดีเยี่ยมโดยไม่แตกร้าว

• จุดหลอมเหลวสูง  (~2,700°C) – เหมาะสำหรับกระบวนการอุณหภูมิสูงมาก

• ความเฉื่อยทางเคมี  – ทนทานต่อการกัดกร่อนจากโลหะหลอมเหลว (เช่น อลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี) และสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด/ด่าง

• ความแข็งแรงเชิงกล  – ความแข็ง (~9.5 โมห์ส) และความแข็งแกร่งป้องกันการเสียรูปภายใต้แรงกด

• อายุการใช้งานยาวนาน  – ทนทานกว่าเบ้าหลอมกราไฟท์หรือดินเหนียว-กราไฟท์ในการใช้งานหลายประเภท

2. ประเภทของเบ้าหลอม SiC

(A) เบ้าหลอม SiC เผา (SSiC)

• ผลิตโดย  การเผาแบบไม่ใช้แรงดัน  หรือ  การกดร้อน  ของผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง

• ข้อดี : ความหนาแน่นสูง ความแข็งแรงเชิงกลที่เหนือกว่า และการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม

• การใช้งาน : การเจริญเติบโตของผลึกเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น ผลึกเดี่ยวซิลิกอน) การหลอมโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง

(B) เบ้าหลอม SiC ที่มีพันธะปฏิกิริยา (RB-SiC)

• ผลิตโดยการแทรกซึมซิลิกอนหลอมเหลวเข้าไปในพรีฟอร์มคาร์บอนที่มีรูพรุน ทำให้เกิด SiC ผ่านปฏิกิริยา

• ข้อดี : ต้นทุนต่ำกว่า SSiC ทนต่อการกระแทกจากความร้อนได้ดี

• ข้อเสีย : มีซิลิโคนอิสระ (~8-15%) ทำให้ความต้านทานต่อสารเคมีลดลงในบางสภาพแวดล้อม

• การใช้งาน : การหลอมโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (เช่น อลูมิเนียม ทองเหลือง)

(C) เบ้าหลอม SiC ที่ยึดด้วยดินเหนียว

• ผลิตโดยการผสมเมล็ด SiC กับสารยึดเกาะดินเหนียวแล้วเผา

• ข้อดี : ราคาถูกกว่า, ผลิตง่ายกว่า.

• ข้อเสีย : มีค่าการนำความร้อนและความแข็งแรงต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ SiC บริสุทธิ์

• การใช้งาน : โรงหล่อเพื่อหลอมโลหะที่ไม่มีธาตุเหล็ก

3. กระบวนการผลิตเบ้าหลอม SiC

1. การเตรียมผง : เลือกผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง (โดยปกติคือ α-SiC สำหรับการเผา)

2. การขึ้นรูป :

   • การกดแบบไอโซสแตติก  (สำหรับ SSiC) หรือ  การหล่อแบบสลิป  (สำหรับ RB-SiC)

   • สำหรับเบ้าหลอมที่ยึดด้วยดินเหนียว จะใช้วิธีการกดหรือการรีดแบบดั้งเดิม

3. การเผาผนึก/พันธะปฏิกิริยา :

   • SSiC : เผาที่อุณหภูมิ ~2,000°C ภายใต้บรรยากาศเฉื่อย

   • RB-SiC : ถูกให้ความร้อนถึง ~1,600°C เมื่อสัมผัสกับซิลิกอน

4. งานกลึงและงานตกแต่ง : การเจียรให้ได้ขนาดที่แม่นยำ

5. การควบคุมคุณภาพ : การทดสอบความหนาแน่น ความพรุน และความทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อน

4. การประยุกต์ใช้เบ้าหลอม SiC

5. การเปรียบเทียบกับวัสดุเบ้าหลอมอื่น ๆ

→ SiC ได้รับความนิยมเมื่อความต้านทานการกระแทกจากความร้อนและความทนทานสูงเป็นสิ่งสำคัญ