Ikviens, kurš ir strādājis abrazīvu, ugunsizturīgu materiālu vai keramikas nozarēs, to zinazaļš silīcija karbīdsAr mikropulveri ir ļoti grūti strādāt. Šis materiāls, kura cietība tuvojas dimanta cietībai un kuram ir lieliska siltumvadītspēja un elektrovadītspēja, ir dabiski piemērots precīzai slīpēšanai, augstas kvalitātes ugunsizturīgiem materiāliem un speciālai keramikai. Tomēr, lai to efektīvi izmantotu, nepietiek tikai ar tā cietības apsvēršanu – šajā šķietami parastajā zaļajā pulverī ir daudz vairāk, nekā šķiet no pirmā acu uzmetiena. Atslēga slēpjas “daļiņu izmērā”.
Pieredzējuši materiālu inženieri bieži saka: “Novērtējot materiālu, vispirms apskatiet pulveri; novērtējot pulveri, vispirms apskatiet daļiņas.” Tas ir pilnīgi taisnība. Zaļā silīcija karbīda mikropulvera daļiņu izmērs tieši nosaka, vai tas būs spēcīgs ieguvums vai ievērojams šķērslis pakārtotajos pielietojumos. Šodien mēs iedziļināsimies, kā šis daļiņu izmērs tiek kontrolēts un kādas tehniskās problēmas ir saistītas ar šīs kontroles sasniegšanu.
I. “Slīpēšana” un “atdalīšana”: mikronu līmeņa “ķirurģiska procedūra”
Lai iegūtu ideāluzaļš silīcija karbīda mikropulveris, pirmais solis ir "sadalīt" lielos zaļos silīcija karbīda kristālus. Tas nav tik vienkārši kā to sadauzīšana ar āmuru, bet gan delikāts process, kam nepieciešama ārkārtēja precizitāte.
Izplatītākā metode ir mehāniskā drupināšana. Lai gan tā izklausās raupja, tā prasa rūpīgu kontroli. Lodīšu dzirnavas ir visizplatītākā "mācību vieta", taču, izmantojot parastās tērauda lodītes, var viegli ienest dzelzs piemaisījumus. Mūsdienīgākās metodes tagad izmanto keramikas oderējumu un silīcija karbīda vai cirkonija slīpēšanas lodītes, lai nodrošinātu tīrību. Ar lodīšu malšanu vien nepietiek; lai iegūtu smalkāku un vienmērīgāku mikropulveri, īpaši zem 10 mikrometru (µm) diapazonā, tiek izmantota "gaisa strūklas malšana". Šī metode izmanto ātrgaitas gaisa plūsmu, lai izraisītu daļiņu sadursmi un berzes radītu sadalīšanos, kā rezultātā rodas minimāls piesārņojums un relatīvi šaurs daļiņu izmēra sadalījums. Mitrā malšana tiek izmantota, ja nepieciešami īpaši smalki pulveri (piemēram, zem 1 µm). Tā efektīvi novērš pulvera aglomerāciju, kā rezultātā veidojas suspensijas ar labāku dispersiju.
Tomēr ar vienkāršu “saspiešanu” nepietiek; patiesā pamattehnoloģija slēpjas “klasifikācijā”. Saspiešanas rezultātā iegūtie pulveri neizbēgami atšķiras pēc izmēra, un mūsu mērķis ir izvēlēties tikai vēlamo izmēru diapazonu. Tas ir līdzīgi kā no smilšu kaudzes atlasīt tikai smilšu daļiņas ar diametru no 0,5 līdz 0,6 milimetriem. Pašlaik visplašāk tiek izmantotas sausā gaisa klasifikācijas iekārtas, kas izmanto centrbēdzes spēku un aerodinamiku, lai ar augstu efektivitāti un lielu ražību atdalītu rupjos un smalkos pulverus. Taču ir viens āķis: kad pulveris kļūst pietiekami smalks (piemēram, mazāks par dažiem mikrometriem), daļiņas mēdz salipt kopā van der Valsa spēku (aglomerācijas) dēļ, apgrūtinot gaisa klasifikatoriem precīzu to atdalīšanu, pamatojoties uz atsevišķu daļiņu izmēru. Šajā gadījumā mitrā klasifikācija (piemēram, centrbēdzes sedimentācijas klasifikācija) dažreiz var būt noderīga, taču process ir sarežģīts un izmaksas pieaug.
Tātad, redziet, viss daļiņu izmēra kontroles process būtībā ir pastāvīga cīņa un kompromiss starp “saspiešanu” un “klasifikāciju”. Saspiešanas mērķis ir iegūt smalkākas daļiņas, bet pārāk smalkas daļiņas ir pakļautas aglomerācijai, kavējot klasifikāciju; klasifikācijas mērķis ir lielāka precizitāte, bet bieži vien ir grūtības ar aglomerētiem smalkiem pulveriem. Inženieri lielāko daļu sava laika pavada, līdzsvarojot šīs pretrunīgās prasības.
II. “Šķēršļi” un “risinājumi”: ērkšķi un gaisma ceļā uz daļiņu izmēra kontroli
Zaļā silīcija karbīda mikropulvera daļiņu izmēra uzticama kontrole ietver vairāk nekā tikai sasmalcināšanu un klasificēšanu. Ceļā ir vairāki reāli "šķēršļi", un bez to novēršanas precīza kontrole nav iespējama.
Pirmais šķērslis ir "cietības" izraisītā pretreakcija.Zaļš silīcija karbīdsir ārkārtīgi ciets, tā sasmalcināšanai nepieciešama milzīga enerģija, kā rezultātā ievērojami nodilst iekārtas. Īpaši smalkas malšanas laikā malšanas materiālu un oderējumu nodilums rada lielu daudzumu piemaisījumu. Šie piemaisījumi sajaucas ar produktu, apdraudot tā tīrību. Viss smagais darbs daļiņu izmēra kontrolē kļūst bezjēdzīgs, ja piemaisījumu līmenis ir pārāk augsts. Pašlaik nozare izmisīgi izstrādā nodilumizturīgākus malšanas materiālus un oderējumu materiālus, kā arī uzlabo iekārtu konstrukcijas, lai tiktu galā ar šo "sīko tīģeri".
Otrais tīģeris ir smalko pulveru pasaules “pievilkšanās likums” – aglomerācija. Jo smalkākas daļiņas, jo lielāka īpatnējā virsma un jo augstāka virsmas enerģija; tām dabiski ir tendence “salipt kopā”. Šī aglomerācija var būt “mīkstā aglomerācija” (ko satur kopā starpmolekulāri spēki, piemēram, van der Valsa spēki, kurus ir relatīvi viegli sadalīt) vai spēcīgākā “cietā aglomerācija” (kur drupināšanas vai kalcinēšanas laikā daļiņu virsmas daļēji izkūst vai piedzīvo ķīmiskas reakcijas, cieši sametinot tās kopā). Kad aglomerāti ir izveidojušies, tie daļiņu izmēra analīzes instrumentos maskējas kā “lielas daļiņas”, nopietni maldinot jūsu spriestspēju; praktiskos pielietojumos, piemēram, pulēšanas šķidrumos, šie aglomerāti ir “vainīgie”, kas saskrāpē sagataves virsmu. Aglomerācijas problēmas risināšana ir globāls izaicinājums. Papildus piedevu pievienošanai un procesa optimizēšanai drupināšanas laikā, spēcīgāka pieeja ir modificēt pulvera virsmu, piešķirot tai “pārklājumu”, lai samazinātu virsmas enerģiju un novērstu pastāvīgu vēlmi “salipt kopā”.
III. Trešais tīģeris ir “mērījuma” raksturīgā nenoteiktība.
Kā jūs zināt, ka jūsu kontrolētais daļiņu izmērs ir tāds, kādu jūs domājat? Daļiņu izmēra analizatori ir mūsu acis, taču dažādi mērīšanas principi (lāzera difrakcija, sedimentācija, attēlu analīze) un pat dažādas paraugu dispersijas metodes pēc viena un tā paša principa var dot ievērojami atšķirīgus rezultātus. Tas jo īpaši attiecas uz pulveriem, kas jau ir aglomerējušies; ja pirms mērīšanas netiek panākta pareiza dispersija (piemēram, pievienojot disperģētājus, apstrādājot ar ultraskaņu), iegūtie dati būs tālu no faktiskās situācijas. Bez uzticamiem mērījumiem precīza kontrole ir tikai tukša runa.
Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, nozare pastāvīgi meklē risinājumus. Piemēram, visa procesa pilnveidošana un intelektika ir galvenā tendence. Izmantojot tiešsaistes daļiņu izmēra uzraudzības iekārtas, reāllaika datu atgriezeniskā saite un automātiska sasmalcināšanas un klasifikācijas parametru pielāgošana nodrošina stabilāku procesu. Turklāt arvien lielāka uzmanība tiek pievērsta virsmas modifikācijas tehnoloģijai, kas vairs nav “līdzeklis” pēc fakta sasniegšanas, bet gan integrēta visā sagatavošanas procesā, nomācot aglomerāciju no avota un uzlabojot pulvera disperģējamību un tā saderību ar pielietošanas sistēmu. III. Pielietojumu aicinājums: kā daļiņu izmērs kļūst par “filozofu akmeni”?
Kāpēc tik ļoti jākontrolē daļiņu izmērs? Aplūkojot praktiskos pielietojumus, tas kļūst skaidrs. Precīzas slīpēšanas un pulēšanas jomā, piemēram, safīra ekrānu un silīcija plākšņu pulēšanā, zaļā silīcija karbīda mikropulvera daļiņu izmēra sadalījums ir “glābšanas riņķis”. Tam nepieciešams ārkārtīgi šaurs un vienmērīgs daļiņu izmēra sadalījums, absolūti bez “pārāk lielām daļiņām” (sauktām arī par “abrazīvajām daļiņām” vai “iznīcinošajām daļiņām”), pretējā gadījumā viena dziļa skramba var sabojāt visu dārgo sagatavi. Tajā pašā laikā pulverim nedrīkst būt cieti aglomerāti, pretējā gadījumā pulēšanas efektivitāte būs zema un virsmas apdare nebūs apmierinoša. Šeit daļiņu izmēra kontrole tiek stingri uzturēta nanoskalā.
Modernos ugunsizturīgos materiālos, piemēram, keramikas krāsns mēbelēs un augstas temperatūras krāsns oderējumos, daļiņu izmēra kontrole ir vērsta uz "daļiņu izmēra sadalījumu". Rupjās un smalkās daļiņas tiek sajauktas noteiktā proporcijā; rupjās daļiņas veido karkasu, bet smalkās daļiņas aizpilda spraugas. Tas nodrošina blīvu un spēcīgu saķepināšanu augstās temperatūrās, kā rezultātā tiek panākta laba termiskā trieciena izturība. Ja daļiņu izmēra sadalījums ir nepamatots, materiāls būs vai nu porains un neizturīgs, vai arī pārāk trausls un pakļauts plaisāšanai. Speciālās keramikas, piemēram, ložu necaurlaidīgas keramikas un nodilumizturīgu blīvgredzenu, jomā pulvera daļiņu izmērs tieši ietekmē mikrostruktūru un galīgo veiktspēju pēc saķepināšanas. Īpaši smalkiem un vienmērīgiem pulveriem ir augsta saķepināšanas aktivitāte, kas ļauj iegūt lielāku blīvumu un smalkgraudainu keramiku zemākās temperatūrās, tādējādi ievērojami uzlabojot to izturību un stingrību. Šeit daļiņu izmērs ir keramikas materiāla "stiprināšanas" iekšējais noslēpums.