SiC مسامي بمقاومة محسنة للصدمات الحرارية

تحدي طباعة SiC ذي المسام الميكرونية بتقنية DLP

يتميز سيراميك SiC بالقوة العالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة الأكسدة. ويمكنه أيضًا تحمل تأثير التبريد السريع والتسخين السريع، مما يجعله ذا قيمة تطبيقية مهمة في مجالات ترشيح الغاز ودعم المحفز والتبادل الحراري عند درجات الحرارة العالية. غالبًا ما تتطلب مثل هذه التطبيقات أن تكون المواد "مسامية"، وخاصة المسام المترابطة بحجم ميكرون ذات حجم يمكن التحكم فيه، والتي يمكن أن تكون قابلة للتنفس/نفاذية السائل دون التضحية بقدر كبير من القدرة على التحمل.

هناك العديد من الطرق التقليدية لصنع المسام. يمكن لطريقة تكرار إسفنجة البوليمر أن تشكل بسهولة مسام متصلة عالية المسامية، ولكن بنية المسام محدودة بالقالب؛ تعتبر طريقة الرغوة المباشرة ذات كفاءة عالية، ولكنها تؤدي في كثير من الأحيان إلى بنية غير متساوية بسبب الرغوة غير المستقرة؛ يمكن لطريقة الصب بالتجميد أن تخلق مسام اتجاهية، ولكنها حتماً تباين هيكلي وتكسير التسامي. من الصعب على هذه الأساليب أن تأخذ في الاعتبار في الوقت نفسه "القولبة المرنة للهياكل المعقدة" و"حجم الثقب الذي يمكن التحكم فيه بدقة وتشكل الثقب".

تتمتع تقنية DLP (معالجة الضوء الرقمي)، باعتبارها تقنية معالجة ضوئية للسطح، بدقة قولبة عالية وحرية تصميم رائعة. إنها مناسبة نظريًا للطباعة المباشرة على السيراميك المسامي المعقد. ولكن إذا كنت تريد حقًا جعل الثقوب 10 ميكرون، فستظهر مشكلة: تشتت جزيئات SiC الضوء فوق البنفسجي بقوة كبيرة، مما قد يؤدي بسهولة إلى الإفراط في المعالجة عند حدود الثقب، مما يؤدي إلى عدم وضوح حدود الثقب أو حتى سدها تمامًا؛ بالإضافة إلى ذلك، من الصعب تنظيف الراتينج غير المعالج تمامًا في الثقوب الصغيرة، مما يزيد من صعوبة تشكيل قنوات مفتوحة ومتصلة. أصبح إنشاء ثقب على مستوى الميكرون صعوبة فنية في طباعة DLP لـ SiC المسامي.

ما يريد الفريق فعله واضح جدًا: هل يمكنهم العثور على "عامل تشكيل المسام" الذي لا يمكنه تجنب مشكلتي التشتت القوي والراتنج المتبقي فحسب، بل يمكنه أيضًا ترك مسام موحدة في السيراميك بشكل ثابت ويمكن التحكم فيه؟ ما اختاروه هو بولي ميثيل ميثاكريلات، المعروف أيضًا باسم كريات PMMA الدقيقة.

كرات PMMA المجهرية: تشكيل المسام وتعديل الريولوجيا

تعتمد قدرة PMMA على القيام بهذه المهمة على شرطين صعبين: "الكروية العالية + التحلل الحراري الكامل". وله وظيفتان رئيسيتان، مما يسمح للفريق بتسميته "التأثير المزدوج" في النص.

الوظيفة الأولى هي تحسين الملاط وتسهيل الطباعة. معامل انكسار PMMA (حوالي 1.49) هو تقريبًا نفس معامل انكسار الراتنج الحساس للضوء (حوالي 1.50)، في حين أن SiC يصل إلى 2.65. الفرق في معامل الانكسار بين الجزيئات والراتنج هو مصدر تشتت الضوء. بعد إدخال PMMA، تم تقليل فرق معامل الانكسار المكافئ للنظام بأكمله بشكل كبير، مما أدى إلى إضعاف التشتت، مما يسمح للضوء فوق البنفسجي بالتغلغل بشكل أعمق. تم قياسه فعليًا أنه في نفس وقت التعرض، بعد إضافة 60 حجمًا٪ من PMMA، زاد عمق المعالجة من 75 ميكرومتر إلى 91 ميكرومتر. وفي الوقت نفسه، تعمل الكرات المجهرية الكروية أيضًا على تقليل العض الميكانيكي والاحتكاك بين جزيئات SiC مثل "الكرات". انخفضت لزوجة الملاط من 2309.6 مللي باسكال إلى 1183.2 مللي باسكال، كما انخفض معدل الترسيب لمدة 60 ساعة من 15.0% إلى 5.8%. الملاط أرق وأكثر استقرارًا ويصلب بشكل أعمق، مما يؤدي إلى تحسين أداء الطباعة بشكل ملحوظ.

الوظيفة الثانية هي ثقوب صنع الوظيفة الأساسية. يمكن أن تتحلل الكريات المجهرية PMMA بشكل كامل تقريبًا أثناء إزالة الصمغ (يصل فقدان الوزن المتراكم إلى 96.5%)، مما يترك القنوات الكروية مباشرة في مكانها، دون الاعتماد على "تشتت الضوء" أو "غسل الراتنج"، والتي تكون عرضة لمشاكل في DLP. وهذا يحل الصعوبات التقنية المذكورة في البداية.

رفع المسامية المفتوحة وضبط المسام على مقياسين

إن تحسين الخصائص الريولوجية يضع الأساس للطباعة، والقيمة الأساسية الحقيقية لـ PMMA تكمن في وظيفتها في صنع الثقوب. من خلال ضبط محتوى PMMA من 0 إلى 60%، تصبح التغييرات في مسامية المادة وكثافتها أمرًا بديهيًا للغاية. وتضاعفت المسامية من 26.27% إلى 54.98%؛ انخفضت الكثافة الظاهرية من 2.21 جم/سم3 إلى 1.53 جم/سم3. بمعنى آخر، من خلال التحكم في كمية PMMA المضافة، يمكن تعديل المسامية بدقة ضمن نطاق واسع، مما يمنح المصممين حرية تصميم كافية.

الأهم من ذلك، البنية الدقيقة. إستخدم الفريق (إمج جي) لتحديد صور (سي إم إيم) ووجد حفرتين متوازيتين في النظام وزادت الثقوب الكبيرة التي يتجاوز قطرها 8 ميكرومتر من 0.03 في المائة إلى 19.71 في المائة وزاد متوسط المساحة من 56.46 ميكروم2 إلى 109.64 ميكروم2. وحتى مع ارتفاع نسبة 60 فولت في المائة، فإن الثقب التسلسلي يحافظ على سلامة هندسية جيدة دون انهيار هيكلي، تدعمه هياكل هيكلية صلبة من جزيئات سي.

الصدمة الحرارية: الأمثل 20 vol% وΔTc = 338.3 °C

صنع الثقوب هو الوسيلة، وجعل المواد صالحة للاستخدام هو الهدف. مؤشر الخدمة الرئيسي لـ SiC المسامي هو مقاومة الصدمات الحرارية، وهو تأثير فرق درجة الحرارة الذي يمكن أن تتحمله المادة دون فشل. يستخدم الفريق "الفرق الحرج في درجة الحرارة ΔTc" لقياسه، وهو فرق درجة الحرارة المقابل عندما ينخفض ​​معدل الاحتفاظ بقوة الانحناء إلى 90%. كلما زاد ΔTc، كانت مقاومة الصدمات الحرارية أفضل.

تظهر النتائج تغيرات غير رتيبة: المزيد من المسامية ليس أفضل. كانت العينة التي تحتوي على 20% من PMMA تتمتع بأعلى احتفاظ بالقوة في جميع فروق درجات حرارة الاختبار، حيث وصلت إلى ΔTc عند 338.3 درجة مئوية واحتفظت بـ 74% من القوة بعد الاصطدام عند 1000 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن الزيادة الإضافية إلى 60% حجمًا هي الأسوأ، مع انخفاض ΔTc بشكل ملحوظ وانخفاض معدل الاحتفاظ بالقوة مرة واحدة إلى 36.3%.

بالمقارنة مع طرق التحضير السائدة، فإن تحديد موضع مسار العملية هذا واضح جدًا أيضًا: معدل فتح طريقة الضغط الساخن عادة ما يكون 8.7-27.3%، ΔTc 328.9-361.2 درجة مئوية، وطريقة صب الشريط حوالي 10-30% و426.9 درجة مئوية، وتقع طريقة الضغط الجاف في نطاق 300-400 درجة مئوية. تحقق طريقة صنع المسام DLP + PMMA في هذه المقالة درجة حرارة ΔTc تبلغ 166.6–338.3 درجة مئوية في نطاق مسامية أوسع يتراوح بين 26.3–55.0%، مما يشير إلى أنها تجمع بين التحكم المرن في المسامية العالية ومقاومة الصدمات الحرارية المماثلة.

الآلية والدلالات الهندسية

لماذا توجد قيمة مثالية تبلغ 20%، ولكن الكثير منها ضار؟ قدم الفريق تفسيرًا بناءً على آلية الكسر: يمكن للمسامية المعتدلة أن تضعف طرف الشق، وتحفز انحراف الشق، وتخفف الضغط الحراري مثل "وسادة الوسادة". ولكن بمجرد أن تصبح الثقوب كثيفة جدًا وكثيفة جدًا، يتم توصيل الثقوب لتشكل عيوبًا كبيرة، والتي تشكل بدلاً من ذلك تركيزًا للضغط، وتتوسع الشقوق بسرعة على طول شبكة المسام، وتفشل المادة بسرعة. تقع نقطة الانعطاف هذه المتمثلة في "الكسب أولاً ثم التدهور" عند 20% من الحجم تمامًا.

وبالنظر إلى قيمة هذا العمل من منظور صناعي، هناك ثلاث نقاط جديرة بالملاحظة. أولاً، يفتح الرابط الرئيسي "قابل للطباعة + صنع الثقب". يمكن استخدام PMMA كمادة مضافة انسيابية وكقالب لصنع الثقب، مما يلغي الحاجة إلى خطوات عملية إضافية. ثانيًا، يمكن تعديل المسامية بدقة في نطاق واسع، قابل للتعديل بشكل مستمر من 26% إلى 55%، مما يغطي الاحتياجات الحقيقية للتصميم خفيف الوزن ومقايضات الأداء. ثالثًا، لا يزال الشكل سليمًا في ظل المسامية العالية، مما يوفر طريقًا ممكنًا لتحقيق التوازن بين المسامية العالية ومقاومة الصدمات الحرارية العالية. يتم فرض معظم العمليات الرئيسية الخاصة بـ SiC المسامية (الضغط الساخن، وصب الشريط، والضغط الجاف) بواسطة نطاق المسامية الضيق أو العمليات المعقدة.

بالطبع، يجب علينا أيضًا أن ننظر إلى الأمر بموضوعية: القوة المطلقة لعينة 20 حجمًا ليست عالية، وهناك دائمًا علاقة مفاضلة بين المسامية والقوة؛ تنعكس "إمكانية التحكم" في المسام ذات النطاق المزدوج حاليًا بشكل أكبر في مستوى المسامية، وهناك مجال لتحسين التحكم الدقيق في نقطة واحدة لقطر المسام. بشكل عام، يوفر هذا المزيج من "إنشاء مسام PMMA + DLP" عرضًا توضيحيًا قويًا على مستوى العينة للتطبيق الهندسي لسيراميك SiC المسامي، ويستحق الاهتمام به كمرجع لأقرانه في مكونات الترشيح ذات درجة الحرارة العالية والمقاومة للحرارة.

المراجع

دونغ واي، ليو واي، تشانغ واي، وآخرون. التصنيع ومقاومة الصدمات الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون المسامي المحضر عن طريق الطباعة DLP ثلاثية الأبعاد باستخدام المجهرية PMMA كعوامل لتشكيل المسام. السيراميك الدولية، 2026. DOI: 10.1016/j.ceramint.2026.07.426