نتريد السيليكون: ربط تركيب المعلق بعملية التلبيد

مقدمة

نيتريد السيليكون (Si₃N₄) عبارة عن سيراميك هيكلي عالي الأداء في مجالات الطيران والطب الحيوي وغيرها من المجالات. ومع ذلك، فإن امتصاص الضوء العالي ومعامل الانكسار العالي يجعل من الصعب استخدام المعالجة بالضوء لإنشاء ملاط ​​منخفض اللزوجة وعالي المحتوى الصلب. نشر فريق من معهد بحوث التصنيع الإضافي بجامعة شنتشن (بالاشتراك مع جامعة تايبيه للتكنولوجيا) دراسة في مجلة السبائك والمركبات، تقترح استراتيجية تحسين تعاونية لصياغة الملاط وديناميكيات التلبيد، باستخدام المعالجة الضوئية (VPP) لطباعة سيراميك Si₃N₄ على شكل معقد، وتحقيق قوة انثناء تبلغ 209.67 ± 2.51 ميجاباسكال وكثافة نسبية 64.67%.

1. لماذا يصعب طباعة Si₃N₄ بالمعالجة الضوئية؟

يتمتع نيتريد السيليكون بصلابة عالية، ومقاومة للتآكل، وثبات حراري، مما يجعله مرشحًا مثاليًا لمكونات المحرك، والمحامل، والمزروعات. ومع ذلك، فإن معظم هذه التطبيقات تتطلب هياكل معقدة. تعتبر قوالب الحقن التقليدية وصب الأشرطة وقولبة حقن الهلام بطيئة ومكلفة. تكاليف العفن مرتفعة وأوقات الدورة طويلة، مما يجعل من الصعب تلبية الطلب.

يمكن للمعالجة الضوئية (VPP، Vat Photopolymerization) أن تشكل أجزاء معقدة مباشرة بدون قوالب، كما أن دقتها وجودة سطحها متفوقة أيضًا. ومع ذلك، يواجه Si₃N₄ مشكلتين: أولا، الشحنة السطحية أقل من مسحوق الأكسيد، ومن الصعب تفريقها في الراتنج؛ ثانيًا، يتميز بامتصاص قوي للضوء وفرق كبير في معامل الانكسار مع الراتينج، مما يؤدي إلى لزوجة عالية للملاط وطبقة صلبة ضحلة.

كلاهما يحد من زيادة المحتوى الصلب. إذا كان محتوى مسحوق Si₃N₄ مرتفعًا جدًا، فستزداد لزوجة الملاط بشكل حاد وسيكون من الصعب تشكيله. إذا كان المحتوى غير كاف، سيكون من الصعب تكثيفه بالكامل بعد التلبيد، وسيتم تقييد كل من الكثافة والقوة. هناك تناقض بين المحتوى الصلب العالي واللزوجة المنخفضة والتصلب العميق.

2. صيغة الملاط: محتوى صلب بنسبة 50٪ ولزوجة منخفضة

تتمثل استراتيجية الفريق في السماح للإضافات المختلفة بتحمل مسؤولياتها الخاصة. يتم خلط المسحوق وفقًا لـ Si₃N₄: Al₂O₃: Y₂O₃ = 90: 5: 5، ويستخدم الأخيران كمساعدات تلبيد؛ يتم خلط الراتينج مع HDDA وTMPTA بنسبة 2:3، ثم تتم إضافة 1% بالوزن من عامل اقتران السيلاني KH-560 لتحسين رابطة الواجهة بين المسحوق والراتنج.

التمزق هو التحدي الأول ويتناقض الفريق مع ما بين 111 و 111 و 110 من طراز KOS و BYK-110، وله أفضل منافذ الانزال. ويرتبط استيعابها القائم على الاستيراد الحمضي بسطح سي 3N4، حيث تمتد سلاسل طويلة إلى الراتنج لخلق مقاومة للمواقع المكانية وتشتت الجسيمات. ويتمتع الاستخدام أيضاً بأفضل قيمة: 2 wt% هو الأفضل، ويسبب المزيد جسور الجسيمات، والزوارق الجزيئية، ولا تراجع.

العلاج هو تحدي آخر. يتمتع جهاز التحفيز الضوئي PI-819 بامتصاص قوي عند 350-420 نانومتر. إنه يولد جذورًا حرة تحت الضوء ويكسر روابط C = C في الراتنج لبدء البلمرة. عند إضافته إلى 3% بالوزن، يصل عمق المعالجة إلى 69 ميكرومتر. ومع ارتفاعه، يتم إخماد الجذور الحرة بواسطة الأكسجين (تثبيط الأكسجين)، وتصبح الطبقة المعالجة أقل عمقًا. بالإضافة إلى ذلك، تتم إضافة 2% بالوزن من إيبوكسي E51 كمادة ملدنة لمنع تكسير التلبيد.

بعد التنظيم التعاوني المذكور أعلاه، انخفضت لزوجة الملاط الذي يحتوي على محتوى صلب بنسبة 50% إلى 2.58 Pa·s (30 ثانية⁻¹)، والتي كانت أعلى بنسبة 93% من تلك البالغة 35%، ولكنها أقل من القيمة المذكورة في الأدبيات الخاصة بنفس المشتت. يتم حل التناقض بين المحتوى الصلب العالي واللزوجة المنخفضة على مستوى الصياغة.

3. معدل التسخين: يبطئ إلى 0.5 درجة مئوية/دقيقة، ويزيد قوة الانثناء إلى 210 ميجا باسكال

تحدد الصيغة النصف الأول، ويحدد التلبيد النصف الثاني. تتم إزالة الشحوم من الجسم الأخضر أولاً في خطوتين (إزالة الشحوم بالفراغ + إزالة الكربنة بالهواء) لتنظيف الراتينج العضوي، ثم تلبيده عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية لمدة 6 ساعات. قام الفريق بمقارنة أربعة معدلات تسخين (T1–T4) بشكل منهجي وهي 5 و2 و1 و0.5 درجة مئوية/دقيقة.

تظهر النتائج اتجاهًا عكسيًا: كلما انخفض معدل التسخين، زادت اكتمال التكثيف. تعمل مجموعة T4 عند 0.5 درجة مئوية/دقيقة على تعزيز تلبيد الطور السائل، وينمو حجم الحبوب من 4.34 ميكرومتر إلى 7.37 ميكرومتر. يقوم مساعد التلبيد أيضًا بتوليد مرحلة ثانية Y₄SiAlO₈N (أوكسينيتريد ألومنيوم سيليكون الإيتريوم)، مما يعزز رابطة عنق التلبيد بين الحبوب.

من حيث الخصائص العيانية، زادت الكثافة النسبية لمجموعة T4 من 52% إلى 64.67%، وانخفضت المسامية من 48% إلى 35.33%، ووصلت قوة الانحناء إلى 209.67 ± 2.51 ميجاباسكال - وذكر ملخص الورقة أنها كانت أعلى بحوالي 95% من المجموعة الأسرع. يمنح معدل التسخين المنخفض المادة مزيدًا من الوقت للتكثيف، ويكون الانكماش أكثر قابلية للتحكم.

4. يتم تشكيل المكونات المعقدة دفعة واحدة، مع تباين انكماش يمكن التحكم فيه.

وتُستخدم البطاطا المثلى مباشرة لطباعة القطع المعقدة. وأظهرت الورقة قضباناً منقطعة، وعتاداً، ونحلاً دائرياً، ونحلاً مربعاً، وخمسة أنواع من هيكل العجلات الورقية، والشكل الكامل للزلاجة والمنشقة، مما يشير إلى أن البقعة ذات الكثافة العالية قد تمكنت من إضراب هياكل معقدة، ولم يكن لديها عيوب واضحة بعد الانقطاع.

Shrink يستحق المشاهدة أيضًا. التسخين البطيء يجعل التكثيف أكثر اكتمالا، ويزداد الانكماش ثلاثي المحاور تبعا لذلك؛ الانكماش في اتجاه الطباعة (المحور Z) هو دائمًا الأكبر - يصل المحور Z لمجموعة 0.5 درجة مئوية/دقيقة إلى 24.80%، وهو أعلى بكثير من 13.90% للمحور X و19.95% للمحور Y.

إن انكماش المحور Z كبير نسبيًا، والسبب الجذري هو قولبة VPP طبقة تلو الأخرى: يتم تكديس الملاط طبقة بعد طبقة، مما يترك فجوات بين الطبقات في الاتجاه Z أكثر من الاتجاهين X وY. أثناء التلبيد، يتم إغلاق هذه الفجوات، ويكون الانكماش أكبر بشكل طبيعي. وهذا يذكرنا أيضًا أنه عند إجراء تعويض الحجم، لا يمكن معاملة المحاور الثلاثة بالتساوي، ويجب حجز بدل انكماش منفصل في الاتجاه Z.

5. الإلهام للطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك الإنشائي

The significance of this work is to optimize, rather than sever, the plasma flow, photo fixation and sintering curves as a whole. ومن الضروري تجزؤ وترسيخ نهاية التركيبة، التي تترجم في نهاية المطاف من ارتفاع درجة الحرارة عند الطرف إلى زيادة في الكثافة والكثافة.

بالنسبة لطباعة السيراميك الهيكلية، يوفر هذا فكرة واضحة: غالبًا ما تكون معلمات العملية التي يتم تجاهلها مثل معدل التسخين هي المفتاح لتحديد أداء المنتج النهائي. بدلاً من مجرد متابعة محتوى صلب أعلى أو درجة حرارة تلبيد أعلى، فمن الأفضل العودة إلى السلسلة الشاملة للتشتت والتصلب والتلبيد للعثور على التطابق الأمثل بين كل معلمة.

لطالما اعتبرت نيتريد السيليكون مادة صعبة للطباعة الحجرية المجسمة. تثبت هذه الدراسة أنه طالما تم تنسيق صيغة الملاط ونظام التلبيد في مكانهما، يمكن أيضًا تشكيل مكونات السيراميك المعقدة عالية القوة بشكل ثابت. عندما يتم تصميم المواد والصيغ والعمليات كنظام، يمكن للطباعة الحجرية الخزفية أن تنتقل حقًا من "قابلة للطباعة" إلى "قابلة للتكثيف ومستقرة". وهذا أيضًا هو الجانب الأكثر قيمة في هذا البحث فيما يتعلق بتصنيع السيراميك الإنشائي.

Saqib M، Raza M، Asghar A، Arshad Q، Hussain MI، Ali U، Ali D، Jiang CP، Chen Z. Vat photopolymerization طباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك عالي الأداء Si₃N₄ من خلال التحسين التآزري لصياغة الملاط وحركية التلبد. مجلة السبائك والمركبات. 2026;1080:190659. دوى: 10.1016/j.jallcom.2026.190659