أصبحت الألومينا المكلسة دعامة مهمة لتطوير صناعة السيراميك
الألومينا المكلسة، وهي مادة غير عضوية غير معدنية، مصنوعة من الألومينا الصناعية المكلسة في درجات حرارة عالية، تتميز بالعديد من الخصائص المميزة. أولًا، صلابتها العالية من أبرز سماتها. تصل صلادتها على مقياس موس إلى 9، لتحتل المرتبة الثانية بعد الماس. هذا ما يجعل المنتجات الخزفية المصنوعة منها مقاومة للتآكل بشكل استثنائي، مع الحفاظ على مظهر جيد وثبات هيكلي على المدى الطويل. ثانيًا، تتميز بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، حيث يمكنها تحمل درجات حرارة تتجاوز آلاف الدرجات المئوية دون تشوه أو تلف، وهي خاصية تجعلها مفيدة بشكل خاص في مجال السيراميك عالي الحرارة. علاوة على ذلك، تتميز الألومينا المكلسة بثبات كيميائي ممتاز، ولا تتأثر بالتفاعلات الكيميائية مع مواد أخرى، مما يضمن أداءً مستقرًا للمنتجات الخزفية.
الوظائف الرئيسية للألومينا المكلسة في التزجيج
بفضل نقائها العالي وصلابتها العالية وثباتها الكيميائي الممتاز، تُستخدم الألومينا المكلسة على نطاق واسع في التزجيج، وخاصةً في السيراميك المنزلي، والسيراميك المعماري، والسيراميك المتخصص. في التطبيقات العملية، لا يقتصر دور الألومينا المكلسة على تحسين صلابة سطح التزجيج ومقاومته للتآكل بشكل ملحوظ، مما يقلل الخدوش والتآكل أثناء الاستخدام بفعالية، مما يطيل عمر خدمة المنتجات الخزفية فحسب، بل يعزز أيضًا الاستقرار الكيميائي للتزجيج، ويقلل من خطر التآكل الحمضي والقلوي، ويحسن مقاومة المنتج للبقع ومتانته. علاوة على ذلك، يمكن للإضافة المناسبة للألومينا المكلسة تعديل درجة حرارة انصهار التزجيج ولزوجته، مما يحسن سيولته، ويتجنب عيوبًا مثل الثقوب الدقيقة وانكماش التزجيج، مما ينتج عنه سطح تزجيج أكثر نعومة وتناسقًا. علاوة على ذلك، تساعد خصائصها البصرية الفريدة في التحكم في لمعان التزجيج، مما يضيف ملمسًا ناعمًا للتزجيج غير اللامع، ويعزز تجانس لمعان التزجيج اللامع لتلبية متطلبات تصميم مختلف منتجات السيراميك.
في تطبيقات الأصباغ، تُوفر الألومينا المحروقة ناقلًا ثابتًا لأصباغ أكسيد المعادن (مثل أكسيد الحديد وأكسيد الكوبالت)، وتمنع تطاير الأصباغ أو انتشارها في درجات الحرارة العالية، وتمنع بهتان التزجيج. وخاصةً في التزجيج عالي الحرارة، يُحافظ على تركيز اللون وتناسقه، مما يُساعد على تحقيق تأثيرات زخرفية خزفية غنية ودائمة. وهو دعامة أساسية لتطوير التزجيج الخزفي الملون نحو أداء وثبات عاليين.
آلية عمل أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم
تُحدد خصائص أي عنصر أداءه، والعناصر الأرضية النادرة ليست استثناءً. يرتبط أداؤها ارتباطًا وثيقًا بخصائصها. العوامل الرئيسية التي تُحدد خصائصها الفيزيائية (مثل الصلابة، والبنية البلورية، ودرجة الانصهار) هي نصف قطرها الذري والأيوني. تتميز المعادن الأرضية النادرة بدرجات انصهار عالية تزداد بازدياد العدد الذري، على الرغم من أن هذا التوجه ليس ثابتًا تمامًا. تفقد العناصر الأرضية النادرة عادةً إلكتروناتها الخارجية في المدارين s وd، مُشكلةً حالة تكافؤ +3، وبالتالي تُشكل أكاسيدها. تُمثل حالة التكافؤ +3 هذه حالة الأكسدة المميزة للعناصر الأرضية النادرة. تتجاوز درجات انصهار أكاسيدها 2000 درجة مئوية، وهي غير متطايرة. وهي أشباه موصلات موصلة مختلطة، تتميز بموصلية إلكترونية وأيونية. تُشير الموصلية الإلكترونية إلى توصيل الإلكترونات والفجوات، بينما تُشير الموصلية الأيونية إلى حركة أيونات الأكسجين داخل شواغر الأكسجين، أي توصيل أيونات الأكسجين.
بالإضافة إلى استخدام العناصر الأرضية النادرة مباشرةً كمكونات مصفوفة أو مراكز وظيفية بناءً على الخصائص البصرية والمغناطيسية لإلكترونات 4f، يُمكن أيضًا الاستفادة من خصائصها الكيميائية، مثل تفاعليتها الكيميائية ونصف قطرها الأيوني الكبير، لتعديل البنية المجهرية للمادة، وبالتالي تحسين أدائها. وتُعد سيراميكات أشباه الموصلات الوظيفية المُشبَّعة بالعناصر الأرضية النادرة مثالًا رئيسيًا على ذلك. إن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة لا تُعزز وتُحسّن من قوة المادة ومتانتها فحسب، بل تُقلل أيضًا من درجات حرارة التلبيد وتكاليف الإنتاج.
نظرًا لعدم سُميتها، وكفاءتها العالية، وخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة، تُستخدم مركبات العناصر الأرضية النادرة بشكل متزايد في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من التطبيقات الأساسية في علم المعادن والهندسة الكيميائية والسيراميك، وصولًا إلى التطبيقات المتقدمة في المواد المركبة عالية الأداء مثل تخزين الهيدروجين والتألق. وقد حظيت الأبحاث المتعلقة بتطبيق أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد الخزفية باهتمام واسع. وقد أظهرت الدراسات أن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة يُحسّن بشكل كبير من أداء المواد الخزفية، مما يضمن جودتها وأدائها في تطبيقات متنوعة. علاوة على ذلك، يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة، كمواد صهر، تعزيز التلبيد، وتحسين البنية الدقيقة للسيراميك، وتوفير التنشيط والتعديل.
تُحسّن أكاسيد الأتربة النادرة، كمواد مضافة، خصائص المواد المقاومة للحرارة، مُظهرةً فوائدها الفريدة والهامة في تحسين الأداء وإضافة وظائف جديدة. إضافة كميات صغيرة من أكاسيد الأتربة النادرة تزيد من كثافة المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم، مما يُحسّن كثافتها ومقاومتها للتآكل.
تُستخدم أكاسيد الأتربة النادرة كمواد مضافة في المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم لتحسين قابلية التلبيد، وتماسكها، وبنيتها الدقيقة، وتركيب الطور البلوري، وقوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة، ومتانة الكسر، وبالتالي تلبية متطلبات أداء السوق للمواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. هناك ثلاث آليات رئيسية لإضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. (1) يمكن للمواد المضافة كمواد صهر أن تُعزز التلبيد. تكون درجة حرارة تلبيد المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم مرتفعة بشكل عام، وهناك العديد من العوامل التي لا تساعد على التكثيف أثناء عملية التلبيد. يمكن أن تحل إضافة أكاسيد الأتربة النادرة هذه المشكلة. نظرًا للخصائص الفريدة لأكاسيد الأتربة النادرة، فإن إضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة يمكن أن تغير بنيتها الداخلية، مما يعزز تلبيد المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. (2) يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة تحسين البنية الدقيقة للمواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. يمكن أن تؤدي إضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى تحسين البنية الدقيقة الداخلية للمواد المقاومة للحرارة. هذا يقلل من معدل هجرة حدود الحبيبات، ويمنع نمو الحبيبات، ويؤدي إلى تكوين بنية كثيفة. (3) تعديل أكاسيد الأتربة النادرة بالتشويب. سيؤدي تشويب أكاسيد الأتربة النادرة في عملية تحضير المواد المقاومة للحرارة إلى تغيير شكل بلورة العينة، مما يتسبب في تغيير حجمها. يمكن أن يؤدي هذا التغيير إلى تحسين مقاومتها للانحناء ومتانتها بشكل كبير. لطالما جذبت الأبحاث المتعلقة بإضافة مواد مضافة لتحسين خصائص المواد في عملية تحضير المواد المقاومة للحرارة اهتمامًا كبيرًا. وينصبّ التركيز الرئيسي في هذا البحث على مشكلة صعوبة تلبيد مواد خام رمل الكالسيوم والمغنيسيوم وسهولة ترطيبها. وتشمل المواد المضافة الرئيسية أكسيد الزركونيوم (ZrO2)، وأكسيد الحديد (Fe2O3)، وأكسيد الألومنيوم (Al2O3)، وأكاسيد الأتربة النادرة، وغيرها.
استخدام كبريتات الباريوم في 10 صناعات
كبريتات الباريوم مصطلحٌ غير مألوف لدى معظم الناس، وحتى غير الملمين بالكيمياء قد يعتبرونها مادةً كيميائيةً خطيرة. ومع ذلك، فإن كبريتات الباريوم تُستخدم في حياتنا اليومية، وغالبًا ما تظهر في المنتجات المصنّعة. على سبيل المثال، قد تحتوي معظم المنتجات البلاستيكية في منازلنا، ومكيفات الهواء، وقطع غيار السيارات البلاستيكية، وأكياس السوبر ماركت، والدهانات، والطلاءات، والزجاج، على كبريتات الباريوم.
استخدامات كبريتات الباريوم في عشر صناعات رئيسية
1. صناعة البترول: مسحوق الباريت بأحجام 200 و325 شبكة، يُستخدم في إضافات طين حفر حقول النفط والغاز.
2. الصناعة الكيميائية: تستخدم مصانع ملح الباريت الباريت كمادة خام لإنتاج الليثوبون، وكبريتات الباريوم المترسبة، وكربونات الباريوم.
٣. صناعة الدهانات والطلاء: يُستخدم الباريت كمادة مالئة في الدهانات والطلاءات، ليحل محل المواد الخام الأكثر تكلفة مثل كبريتات الباريوم المترسبة، والليثوبون، وثاني أكسيد التيتانيوم، والسيليكا المنشطة. وهو مناسب للتحكم في لزوجة الطلاء وتحقيق لون لامع وثابت.
٤. صناعة البلاستيك: يُستخدم الباريت كمادة مالئة في المواد الخام البلاستيكية المصنوعة من مادة ABS، حيث يُضيف لمعانًا ساطعًا مع تحسين القوة والصلابة ومقاومة التآكل.
٥. صناعة المطاط: يُستخدم مسحوق الباريت بحجم شبكة أقل من ٥٠٠ على نطاق واسع كمادة مالئة في منتجات المطاط، مما يُقلل التكاليف ويُحسّن الصلابة ومقاومة الأحماض والقلويات ومقاومة الماء. كما أنه يُوفر تقوية ممتازة للمطاط الطبيعي والصناعي.
٦. صناعة الورق: يُمكن استخدام مسحوق الباريت فائق النعومة كمادة مالئة وطبقة طلاء في السبورة البيضاء والورق المطلي لتعزيز البياض وتغطية السطح. مواصفات المنتج: ٣٢٥ شبكة، ٤٠٠ شبكة، ٦٠٠ شبكة، ٨٠٠ شبكة، ١٢٥٠ شبكة، ١٥٠٠ شبكة، ٢٠٠٠ شبكة، ٢٥٠٠ شبكة، ٣٠٠٠ شبكة، ٤٠٠٠ شبكة، ٥٠٠٠ شبكة، ٦٠٠٠ شبكة.
٧. صناعة الأسمنت
يمكن أن تؤدي إضافة معادن الباريت والفلوريت المركبة إلى إنتاج الأسمنت إلى زيادة بياضه ومتانته. ويمكن استخدامها في صناعة أسمنت الباريوم، وملاط الباريت، وخرسانة الباريت، والتي يمكن استخدامها في المباني التي تتطلب حماية من الأشعة السينية.
٨. صناعة الزجاج
يمكن استخدامه كمزيل للأكسدة، ومصفٍ، ومادة صهر لزيادة الاستقرار البصري، ولمعان، ومتانة الزجاج.
٩. صناعة البناء
يمكن استخدامه كركام خرساني، ومواد رصف، ولتعزيز الأنابيب المدفونة في المناطق المستنقعية، وكبديل لألواح الرصاص في دروع المنشآت النووية، ومحطات الطاقة الذرية، ومختبرات الأشعة السينية، مما يُطيل عمر أسطح الطرق.
١٠. صناعة السيراميك
يمكن أيضًا استخدام مسحوق الباريت كحشو عالي الجودة في صناعة السيراميك وغيرها من الصناعات. حاليًا، يتناقص استخدام كبريتات الباريوم في صناعة السيراميك، بينما يتزايد استخدام مسحوق الولاستونيت.
تُعدّ جميع التطبيقات في الصناعات العشر المذكورة أعلاه بالغة الأهمية وضرورية لسبل عيش الناس. وهذا يُظهر الدور الهام والنطاق الواسع لتطبيقات كبريتات الباريوم، وهو مسحوق معدني غير عضوي غير معدني.
يستخدم على نطاق واسع في صناعة السيراميك - التلك الأسود
يتكون التلك الأسود عادةً من التلك، والكوارتز، والكالسيت، والسيبيولايت، والكربون العضوي، ويتراوح لونه بين الأسود والأسود المائل للرمادي.
المكونات الكيميائية الرئيسية للتلك الأسود هي أكسيد المغنيسيوم، وأكسيد السيليكون، وأكسيد الألومنيوم، وأكسيد الحديد، وأكسيد التيتانيوم، وأكسيد الصوديوم، وأكسيد البوتاسيوم.
استخدامات التلك الأسود
(1) المواد الخام لصناعة السيراميك
لا يمكن الاستغناء عن أداء معالجة التلك الأسود بمواد أخرى. يُطلق على البورسلين الأبيض الفاتح والبورسلين العظمي المحروق بالتلك الأسود أيضًا اسم بورسلين التلك أو بورسلين المغنيسيوم.
(2) حشوات المنتجات المطاطية
يتميز مسحوق التلك الأسود، كحشو للمنتجات المطاطية، بقدرة تشتت جيدة وخصائص تقوية معينة.
(3) حشوات المنتجات البلاستيكية
تستخدم حشوات البلاستيك نوعين من منتجات التلك الأسود، أحدهما مسحوق التلك الأسود والآخر مسحوق التلك المكلس.
(4) مواد مالئة للطلاء
نظرًا لنعومة التلك، وقلة كشطه، وقدرته العالية على التعلق والتشتت، فقد بدأ استخدامه في الطلاء.
(5) استخدامات أخرى
بالإضافة إلى استخدامه على نطاق واسع في الصناعات المذكورة أعلاه، يُمكن استخدام التلك الأسود أيضًا كحشو ومادة ماصة في صناعات مثل مواد العزل المائي الخام، والأسمدة، والمبيدات الحشرية، والمواد الكيميائية الدقيقة.
تكليس التلك الأسود وتبييضه
الغرض الرئيسي من معالجة التلك الأسود هو تحسين بياضه. يبلغ بياض التلك الأسود الطبيعي حوالي 50% أو أقل، مما يحد من استخدامه على نطاق واسع في تطبيقات مثل السيراميك والمطاط. يجب أن يتمتع التلك، كمادة مالئة، بدرجة بياض عالية. ولتوسيع نطاق استخدامه، يجب اتخاذ التدابير المناسبة لتحسين بياضه. التكليس، الذي يزيد من بياضه ويغير خصائصه الفيزيائية، يعزز قيمته المضافة.
حاليًا، الطريقة الرئيسية لتحسين بياض التلك الأسود هي التكليس. الغرض الرئيسي من التكليس هو إزالة الكربون العضوي من التلك، وتحقيق بياض يلبي المتطلبات الصناعية ويوسع نطاق استخدامه. بعد التكليس، يصل البياض إلى 95%، مما ينتج عنه خصائص ممتازة في مقاومة الحريق والحرارة والعزل والالتصاق والامتصاص والتشحيم. وهو مناسب للتطبيقات في صناعة الورق والسيراميك والبلاستيك والدهانات والطلاءات والمستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل والفضاء والآلات والإلكترونيات وأجهزة الكمبيوتر والديكور المعماري.
عملية تكليس التلك الأسود
التكليس والطحن هما عمليتان تُستخدمان في معالجة التلك الأسود عالي البياض وفائق الدقة. وحسب ترتيب إجرائهما، هناك عمليتان رئيسيتان: التكليس يليه الطحن فائق الدقة، والطحن فائق الدقة يليه التكليس.
عملية التكليس قبل الطحن
تتميز هذه العملية بالبساطة وانخفاض تكاليف المعالجة. ومع ذلك، بعد الطحن الدقيق والتصنيف، يبلغ بياض التلك الناتج حوالي 85%، وهو أقل من نسبة البياض المطلوبة (95%) بعد التكليس.
عملية الطحن قبل التكليس
تتمثل مزاياها في تجانس بياض أفضل بعد التكليس، حيث يتجاوز البياض 92%. ومع ذلك، فإن هذه العملية عرضة للتكتل أو التلطيخ باللون الأبيض المحمر.
تطبيقات كربيد السيليكون
يتميز كربيد السيليكون بخصائص مهمة، مثل اتساع فجوة النطاق الترددي العالي، ومجال الانهيار الكهربائي العالي، والموصلية الحرارية العالية، ومعدل انجراف تشبع الإلكترونات العالي. ويمكنه تلبية متطلبات الأجهزة في التطوير العلمي والتكنولوجي في ظروف معقدة، مثل درجات الحرارة العالية، والطاقة العالية، والجهد العالي، والتردد العالي. وقد استُخدم على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة، ومركبات الطاقة الجديدة، وتخزين الطاقة، والتصنيع الذكي، والخلايا الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، وغيرها من المجالات. ويمكن القول إن "كربيد السيليكون هو كل شيء".
تطبيقات كربيد السيليكون في مركبات الطاقة الجديدة
في قطاع مركبات الطاقة الجديدة، أصبح تطبيق تقنية كربيد السيليكون عاملاً أساسياً في تحسين أداء المركبات الكهربائية والهجينة. تُعزز أجهزة كربيد السيليكون، بفضل موصليتها الحرارية العالية، وقوة مجال الانهيار الكهربائي العالية، وخصائصها الميكانيكية الممتازة، كفاءة وموثوقية أنظمة القيادة الكهربائية، وأنظمة الشحن، وأنظمة إدارة الطاقة بشكل كبير.
تطبيقات كربيد السيليكون في القيادة الذكية وإنترنت المركبات
في ظل التطور السريع للقيادة الذكية وإنترنت المركبات، تخترق تقنية كربيد السيليكون، بأدائها المتفوق، تدريجيًا مجالات رئيسية مثل أنظمة الاستشعار، ووحدات معالجة البيانات، ووحدات الاتصالات، مما يُحسّن أداء النظام وموثوقيته بشكل كبير.
تطبيقات كربيد السيليكون في الأنظمة الكهروضوئية
في الأنظمة الكهروضوئية، تُشكّل المكونات الأساسية، مثل العاكسات، ووحدات التحكم MPPT، ووحدات تحويل تخزين الطاقة، متطلبات متعددة على أجهزة الطاقة، بما في ذلك الكفاءة العالية، ومقاومة الجهد العالي، والتشغيل في درجات حرارة عالية، والتصغير. وتشهد أجهزة السيليكون التقليدية انخفاضًا كبيرًا في كفاءتها في بيئات الجهد العالي ودرجات الحرارة العالية، مما يجعلها غير قادرة على تلبية متطلبات كثافة الطاقة المتزايدة لمحطات الطاقة الكهروضوئية.
تطبيقات كربيد السيليكون في اتصالات الجيل الخامس
في تطبيقات مثل الاتصالات اللاسلكية وأنظمة الرادار، تُشكّل أجهزة التردد اللاسلكي (RF) جوهر نقل الإشارات ومعالجتها، ويُعد أداؤها بالغ الأهمية لاستقرار النظام. تتميز أجهزة التردد اللاسلكي (RF) المصنوعة من كربيد السيليكون شبه العازل، بفضل خصائصها ذات فجوة النطاق العريض، بمزايا مثل انخفاض الفقد، وعرض النطاق الترددي العالي، وكثافة الطاقة العالية، مما يجعلها مُمكّنًا رئيسيًا لأنظمة الجيل الخامس (5G) والاتصالات العسكرية من الجيل التالي.
تطبيقات كربيد السيليكون في شبكات الطاقة
يمكن لكربيد السيليكون تعزيز شبكات الطاقة بشكل كبير من خلال تحسين كفاءة وقدرة نقل وتوزيع الطاقة. يمكن لركائز كربيد السيليكون العمل في درجات حرارة وجهد وترددات أعلى، مما يجعل مكونات مثل المحولات، ومعدات التبديل، والمحولات أصغر حجمًا وأكثر كفاءة، مما يقلل من فقدان الطاقة ويحسن جودة الطاقة.
تطبيقات كربيد السيليكون في الطائرات منخفضة الارتفاع
أصبحت الطائرات الجديدة، ممثلةً في الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائي (eVTOL)، محورًا رئيسيًا في اقتصاد الطيران منخفض الارتفاع العالمي، ومن المتوقع أن تصبح صناعة جديدة بقيمة تريليون دولار. بفضل قفزات كفاءتها العالية وابتكاراتها خفيفة الوزن، تُسهم أجهزة SiC MOSFET في دفع عجلة صناعة الطائرات العمودية الكهربائية (eVTOL) من المرحلة التجريبية إلى التشغيل التجاري. وقد أصبحت أجهزة SiC MOSFET مكونًا أساسيًا في أنظمة طاقة الطائرات العمودية الكهربائية (eVTOL)، وسيدفع أداؤها المُحسّن وتكاليفها المنخفضة هذه الصناعة إلى تطبيقات واسعة النطاق.
تطبيقات كربيد السيليكون في الذكاء الاصطناعي
أصبحت الكهرباء أحدث عقبة تُهدد تقدم الذكاء الاصطناعي. ويصاحب النمو السريع في قوة الحوسبة للذكاء الاصطناعي ارتفاع في استهلاك الطاقة، مما يؤثر بشكل كبير على الطلب الاجتماعي العادي على الطاقة. فإذا أخذنا مراكز البيانات الأمريكية كمثال، فمن المُتوقع أن تستهلك بحلول عام 2030 ما يصل إلى 9% من توليد الكهرباء في البلاد، أي ما يُعادل تقريبًا الإنتاج السنوي لـ 40 محطة طاقة نووية متوسطة الحجم.
مع هذا الحجم الكبير من استهلاك الكهرباء، يُعدّ خفض استهلاك الطاقة بنسبة 0.1% عاملًا بالغ الأهمية. ولمعالجة هذا النقص المُلح في الكهرباء، يُواصل القطاع الصناعي العالمي استكشاف جميع الخيارات المُتاحة. على سبيل المثال، طورت شركة ON Semiconductor سلسلة جديدة من ترانزستورات MOSFETs المصنوعة من السيليكون وترانزستورات MOSFETs المصنوعة من كربيد السيليكون.
تطبيقات كربيد السيليكون في صناعة الروبوتات
تتشابه الروبوتات ومركبات الطاقة الجديدة بشكل كبير في بنيتها التقنية. يمكن نقل رقائق السيارات إلى تطبيقات الروبوتات، ولكن يجب أن تتكيف مع متطلبات الأداء المختلفة. على سبيل المثال، تتميز أشباه موصلات الطاقة، بالإضافة إلى أنظمة السيارات، بقدرات تقنية قابلة للتطبيق على وحدات تحكم محركات الوصلات الروبوتية. ويتزايد الطلب على التحكم الفعال في الطاقة في سوق الروبوتات الناشئة بسرعة.
الألومينا، "منقذ" مواد بطاريات الكاثود
يتكون الهيكل الأساسي لبطاريات أيونات الليثيوم من القطب الموجب، والقطب السالب، والإلكتروليت، والفاصل، وهيكل البطارية. تُعدّ مادة القطب الموجب المادة الأساسية في بطاريات أيونات الليثيوم، وهي التي تحدد كثافة الطاقة، ومنصة الجهد، وعمر دورة البطارية، وسلامتها.
في الوقت الحالي، على الرغم من أن أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2)، وأكسيد منغنيز الليثيوم (LiMn2O4)، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، والمواد الثلاثية (Li-Ni-Co-Mn-O) تُعدّ أربعة مواد قطب موجب تجارية لبطاريات أيونات الليثيوم، إلا أنها تعاني من بعض العيوب في السلامة، وأداء دورة البطارية، والحفاظ على السعة، وجوانب أخرى. لتحسين استقرار مواد القطب الموجب، يستخدم الباحثون طرق تعديل مختلفة، مثل التطعيم، وطلاء السطح، وطريقتين مشتركتين.
كيف تُحسّن الألومينا أداء القطب الموجب؟
يمكن لطلاء الألومينا على مواد القطب الموجب أن يُحسّن بشكل فعال استقرار دورة البطارية، وعمر دورة البطارية، والاستقرار الحراري لمواد القطب الموجب. التأثيرات الرئيسية لـ Al2O3 على مواد الأقطاب الموجبة هي:
(1) كاسح فلوريد الهيدروجين (HF)
يُعد LiPF6 إلكتروليتًا شائع الاستخدام في الإلكتروليتات. عند الجهد العالي، يتفاعل سداسي فلورو فوسفات الليثيوم (LiPF6) مع كميات ضئيلة من الماء لتوليد HF.
(2) حاجز حماية فيزيائي
يمكن لطبقة من Al2O3 على سطح مادة القطب الموجب عزل مادة القطب الموجب عن الإلكتروليت ومنع حدوث تفاعلات جانبية ضارة بين مادة القطب الموجب والإلكتروليت.
(3) تحسين الاستقرار الحراري لمواد القطب الموجب
يُعد الاستقرار الحراري أحد العوامل الرئيسية في تقييم أداء بطاريات أيونات الليثيوم. أثناء عملية شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم، يؤدي إطلاق الأكسجين الشبكي في مادة القطب الموجب إلى أكسدة الإلكتروليت، مما يقلل من استقراره الحراري.
(4) تحسين معدل انتشار أيونات الليثيوم
على الرغم من أن أكسيد الألومنيوم ليس موصلًا جيدًا للإلكترونات والأيونات، إلا أنه يتفاعل مع الليثيوم المتبقي على سطح مادة القطب الموجب أثناء عملية الشحن والتفريغ لتوليد LiAlO2، وهو موصل جيد للأيونات، ويمكنه زيادة معدل انتشار أيونات الليثيوم. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن LiAlO2 يقلل من حاجز طاقة انتشار أيونات الليثيوم.
(5) التفاعل مع LiPF6 لتوليد مادة مضافة للإلكتروليت LiPO2F2
يمكن لأكسيد الألومنيوم المغطى بسطح مادة القطب الموجب أن يتفاعل مع ملح الليثيوم (LiPF6) في الإلكتروليت لتوليد ثنائي فلورو فوسفات الليثيوم (LiPO2F2)، وهو مادة مضافة مستقرة للإلكتروليت، يمكنها تحسين استقرار دورة مادة القطب الموجب وسلامتها وأدائها بشكل كبير.
(٦) تثبيط تأثير جان-تيلر
يُعد تأثير جان-تيلر السبب الرئيسي لذوبان أيونات المنغنيز في مادة القطب الموجب، مما قد يُسبب انهيار بنيتها ويُعيق انتشار أيونات الليثيوم، مما يُؤدي إلى انخفاض الأداء الكهروكيميائي لمادة القطب الموجب.
خمس تقنيات طلاء رئيسية
طريقة التشريب: تُضاف مادة القطب الموجب إلى المحلول أو المحلول الذي يحتوي على مادة الألومنيوم الأولية لتكوين عجينة متجانسة، ثم تُجفف وتُكلس لتكوين مادة قطب موجب مطلية بالألومينا.
طريقة الترسيب: تُخلط مادة القطب الموجب مع محلول مثل نترات الألومنيوم أو كلوريد الألومنيوم بالتساوي، ثم تُضبط قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول المختلط لتكوين طبقة طلاء على سطح مادة القطب الموجب، وأخيراً تُنتج مادة قطب موجب مطلية بالألومينا عن طريق الترشيح والغسل والتجفيف والمعالجة الحرارية.
عملية الطلاء الجاف: يُمكن خلط الألومينا ومواد القطب الموجب مباشرةً لتشكيل طبقة طلاء خشنة على سطح مادة القطب الموجب. على الرغم من استحالة تحقيق طلاء موحد على سطح مادة القطب الموجب، إلا أن له تأثيرًا إيجابيًا على تحسين الأداء الكهروكيميائي لمادة القطب الموجب.
طريقة الرش: تستخدم طريقة الرش أيونات Ar+ لقصف المادة المستهدفة (Al)، بحيث تُرش ذرات Al وترسب على سطح مادة القطب الموجب.
تقنية ترسيب الطبقة الذرية (ALD): باستخدام ثلاثي ميثيل الألومنيوم ومواد أخرى كمصدر للألمنيوم، يُطلى سطح مادة القطب الموجب بأكسيد الألومنيوم. يمكن التحكم بدقة في السُمك، ويمكن زيادة سُمك الطلاء بزيادة عدد دورات ALD.
تعتمد جودة الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد على المسحوق
كمواد خام، تُحدد جودة مسحوق المعدن جودة المنتج النهائي إلى حد كبير. وبشكل عام، تُعدّ نظافة المسحوق وشكله وتوزيع حجم جسيماته من العوامل الرئيسية التي تُعيق أداء تشكيل القطع.
يؤثر شكل المسحوق بشكل مباشر على الكثافة الظاهرية والسيولة، مما يؤثر بدوره على عملية تغذية المسحوق ونشره والأداء النهائي للقطع. في التصنيع الإضافي بدمج طبقة المسحوق، تُوزّع آلية نشر المسحوق جسيمات المسحوق بالتساوي في منطقة التشكيل، وتُعدّ السيولة الجيدة مفتاح الحصول على طبقة مسحوق متجانسة ومسطحة. تتميز المساحيق الكروية وشبه الكروية بسيولة جيدة وكثافة ظاهرية عالية وبنية موحدة، وهي مساحيق المواد الخام المُفضّلة للتصنيع الإضافي بدمج طبقة المسحوق.
ومع ذلك، في حال وجود مسحوق مجوف ومسحوق تابع في المساحيق الكروية وشبه الكروية، سينخفض الأداء النهائي للقطع. يشكل المسحوق المجوف نسبة أعلى في المساحيق التي يزيد حجم جسيماتها عن 70 ميكرومتر، مما يُسبب عيوبًا مثل المسام في الأجزاء المُشكّلة والتي يصعب إزالتها؛ كما يُقلل المسحوق المُضاف من سيولة المسحوق ويُعيق تراكمه المُنتظم أثناء نشر طبقات المسحوق المُستمرة، مما يُسبب عيوبًا في الأجزاء. لذلك، ينبغي أن تُقلل مساحيق المعادن المُستخدمة في التصنيع الإضافي المُدمج لطبقة المسحوق من نسبة المسحوق المجوف والمسحوق المُضاف في المواد الخام المسحوقية.
يُستخدم توزيع حجم جسيمات المسحوق لتوصيف تركيب وتغيرات الجسيمات ذات الأحجام المُختلفة في نظام جسيمات المسحوق، وهو مُعامل مُهم يُستخدم لوصف خصائص جسيمات المسحوق.
يؤثر حجم جسيمات المسحوق بشكل مُباشر على جودة نشر المسحوق، وسرعة التشكيل، ودقة التشكيل، والاتساق التنظيمي لعملية التصنيع الإضافي. يختلف حجم جسيمات المسحوق المُختار باختلاف العمليات. بشكل عام، تختار تقنية الصهر الانتقائي بالليزر (SLM) مساحيقًا يتراوح حجم جسيماتها بين 15 و45 ميكرومتر، بينما تختار تقنية الصهر الانتقائي بشعاع الإلكترون (SEBM) مساحيقًا يتراوح حجم جسيماتها بين 45 و106 ميكرومتر.
من منظور الديناميكا الحرارية والحركية، كلما صغر حجم جسيمات المسحوق، زادت مساحة سطحها النوعية وزادت قوة التلبيد، أي أن جسيمات المسحوق الصغيرة تُسهّل تشكيل القطع. مع ذلك، فإن استخدام مساحيق ذات جسيمات دقيقة جدًا يُقلل من سيولتها وكثافتها الرخوة وموصليتها الكهربائية، كما يُضعف قابليتها للتشكيل، ويُصبح التكور أكثر عرضة للظهور أثناء عملية الطباعة. كما أن حجم جسيمات المسحوق الخشن جدًا يُقلل من نشاط التلبيد، وتجانس توزيعه، ودقة تشكيله.
لذلك، ووفقًا لمتطلبات أداء الأجزاء النهائية، يتم مطابقة المساحيق الخشنة والناعمة بشكل صحيح لتحسين الكثافة الظاهرية وسيولة المساحيق، مما يُسهّل التصنيع الإضافي لدمج فراش المسحوق. ويعتقد الباحثون أنه في ظل النطاق العام لحجم الجسيمات لعملية التصنيع الإضافي لدمج فراش المسحوق بالليزر، فإن استخدام توزيع أوسع لحجم الجسيمات يمكن أن يزيد من ملء الجسيمات الصغيرة في الفجوات بين الجسيمات الكبيرة، ويحسن كثافة فراش المسحوق أثناء عملية وضع المسحوق.
من واقع البحث الحالي حول تأثير التغيرات في خصائص المسحوق على جودة التشكيل، تؤثر التغيرات في حجم المسحوق وشكله وحالة سطحه على انتشار المسحوق وجودة تشكيله. من حيث كثافة التشكيل، يمكن أن يؤدي التوزيع المعقول لحجم الجسيمات، وزيادة الكروية، وانخفاض التماسك بين الجسيمات إلى تحسين الكثافة السائبة وجودة انتشار المسحوق، وتقليل عدد المسام والعيوب غير المندمجة في عينة التشكيل، وتحسين كثافة التشكيل.
التعديل - جعل الألومينا النانوية أكثر مثالية
النانو ألومينا نوع جديد من المواد غير العضوية الدقيقة عالية الأداء. منذ إنتاج مسحوق النانو ألومينا في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، تعمق فهم الناس لهذه المادة عالية التقنية، واكتشفوا العديد من خصائصها، مثل الصلابة العالية، والقوة العالية، ومقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل، وغيرها من الخصائص الممتازة. لذلك، تُستخدم على نطاق واسع في صناعات الفضاء، والدفاع الوطني، والصناعات الكيميائية، والإلكترونيات الدقيقة، وغيرها من المجالات.
في التطبيقات العملية للنانو ألومينا، لطالما كان تعديل المسحوق عملاً بالغ الأهمية.
لماذا يتم تعديله؟
أولاً، نظرًا لخصائص النانو ألومينا المتعددة، يسهل تكتلها نظرًا لصغر حجم جسيماتها وطاقتها السطحية العالية. إذا كانت ظاهرة التكتل خطيرة بشكل خاص، فسيكون لها تأثير كبير على خصائص الألومينا النانوية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الألومينا النانوية كغشاء حيوي في الأبحاث الطبية المتعلقة بالأدوية البيولوجية، إلا أن الشحنة السطحية للبلورة ذات الشحنة السطحية المتوازنة تكون غير موزعة بالتساوي بسبب وجود عيوب شبكية. يؤدي تراكم عيوب الشحنة السطحية ومساحات الشحنة الفراغية على مستوى الميكرون إلى عزم ثنائي القطب يشبه الشبكة. عند ملامسة المواد البيولوجية لسطح هذه المساحيق، يحدث تخصيب، مما يؤدي إلى انسداد المسام وتلوث الأغشية.
علاوة على ذلك، تُستخدم خاصية العزل والمتانة العالية للألومينا كحشوات في مواد مثل الطلاء والمطاط لتحسين صلابتها وعزلها ومرونتها ومقاومتها للتآكل. ومع ذلك، فإن الألومينا مادة قطبية وتوافقها ضعيف مع المواد البوليمرية غير القطبية.
لذلك، حظي تعديل سطح الألومينا باهتمام كبير.
يشير تعديل السطح إلى المعالجة السطحية للجسيمات الصلبة بالطرق الفيزيائية أو الكيميائية، أي عملية تغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية ومورفولوجيا سطح الجسيم بشكل مقصود وفقًا لاحتياجات التطبيق. في الوقت الحاضر، هناك طريقتان عمليتان للتعديل. تُسمى الطريقة الأولى بالتعديل العضوي السطحي لأنها تستخدم بشكل رئيسي مُعدّلات عضوية، أما الطريقة الثانية فهي تعديل الطلاء غير العضوي أو تعديل طلاء السطح.
التعديل العضوي السطحي
يهدف التعديل العضوي السطحي لجزيئات المسحوق فائقة الدقة إلى جعل سطح الجسيمات كارهًا للماء من خلال ربط المجموعات العضوية المقابلة، مما يُحسّن أداء التشتت والتوافق السطحي في المواد العضوية مثل الراتنجات والمطاط والدهانات، وبالتالي يُحسّن عملية معالجة المنتج والخصائص الشاملة لميكانيكا المواد المركبة. تُصنف المُعدّلات، وفقًا لنوع التركيب الكيميائي، إلى أحماض دهنية عالية أو أملاحها، وأحماض دهنية منخفضة، وعوامل اقتران.
(1) تعديل الطلاء الفيزيائي
تعديل الطلاء الفيزيائي أو تعديل معالجة الطلاء هو طريقة استخدام المواد العضوية (سواء كانت بوليمرًا، أو راتنجًا، أو مادة خافضة للتوتر السطحي، أو مركبًا بوليمريًا قابلًا للذوبان في الماء أو الزيت، أو صابونًا حمضيًا دهنيًا، إلخ) لتغطية سطح الجسيمات لتحقيق الغرض من التعديل. إنها عملية تهدف ببساطة إلى تعديل سطح الجسيمات.
(٢) التعديل الكيميائي للسطح
يُجرى التعديل الكيميائي للسطح عن طريق التفاعل الكيميائي أو الامتزاز الكيميائي بين مُعدّل السطح وسطح الجسيم. وهو أكثر طرق التعديل استخدامًا في الإنتاج.
(٣) التعديل بالتطعيم
التعديل بالتطعيم هو عملية تعديل تُدخل فيها أوليفينات أحادية أو بولي أوليفينات إلى سطح المسحوق تحت ظروف إثارة خارجية معينة. في بعض الأحيان، يلزم إثارة أوليفين أحادي بعد الإدخال لبلمرة أوليفين أحادي المونمر الملتصق بالسطح.
تعديل طلاء السطح
يشير تعديل طلاء السطح إلى تقنية التعديل التي تعتمد على طلاء سطح جسيمات مسحوق الألومينا فائقة الدقة بشكل موحد بجسيمات صلبة أصغر أو أغشية صلبة، مما يُغير تركيب السطح وبنيته ومظهره ووظيفته الأصلية.
وفقًا لبيئة وشكل تفاعل الطلاء، وطبيعة وطريقة الطلاء المُعدّل بين الجسيمات، تُقسّم طرق تعديل طلاء السطح إلى: الترسيب الكيميائي، وطلاء التحلل المائي، والسول-جيل، وتبخير المذيب، والميكانيكا الكيميائية، والطور الغازي. الطرق الثلاث الأولى هي تفاعلات محلولية، أي ترسيب محلول الملح الذائب بعوامل الترسيب والتحلل المائي، ثم طلاؤه على سطح مسحوق الجسيمات المراد تعديله.
ما هي مميزات استخدام كبريتات الباريوم الحشوية الممتازة في تعديل النايلون؟
كبريتات الباريوم، المعروفة أيضًا باسم الباريت، مركب غير عضوي عديم اللون والرائحة وغير سام، صيغته الكيميائية BaSO4. يتميز بكثافته العالية وبياضه العالي وثباته الكيميائي الجيد ومقاومته للأحماض والقلويات، كما أنه غير قابل للذوبان في الماء ومعظم الأحماض. هذه الخصائص تجعل كبريتات الباريوم مستخدمة على نطاق واسع في العديد من المجالات الصناعية، وخاصةً في مجال تعديل البلاستيك، وخاصةً في تعديل النايلون (PA)، حيث تتميز كبريتات الباريوم بمزايا فريدة.
يُستخدم النايلون، باعتباره مادة بوليمرية تتميز بخواص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للأحماض والقلويات، وقدرته على التشحيم الذاتي، على نطاق واسع في العديد من المجالات الصناعية. ومع ذلك، فإن عيوب النايلون، مثل امتصاصه العالي للماء وضعف ثباته البعدي، تحد من نطاق تطبيقاته. لذلك، من المهم جدًا تعديل النايلون لتحسين أدائه. بصفته حشوًا محايدًا، تلعب كبريتات الباريوم أدوارًا متعددة في تعديل النايلون، مثل التقوية والصلابة وتحسين اللمعان.
تأثير التعزيز
باعتبارها مادة مالئة غير عضوية، يُمكن لإضافة كبريتات الباريوم أن تُحسّن بشكل ملحوظ من صلابة (معامل) وصلابة النايلون، وهي مناسبة للأجزاء الصناعية التي تتطلب معامل مرونة عاليًا (مثل التروس والمحامل). تُظهر النتائج التجريبية ذات الصلة أنه مع زيادة محتوى كبريتات الباريوم النانوية، يتحسن معامل الانحناء ومعامل الشد للنايلون. وبشكل خاص، عندما تصل نسبة كتلة كبريتات الباريوم النانوية إلى قيمة معينة (مثل 3%)، تصل الخواص الميكانيكية للنايلون إلى أفضل حالاتها. ويعود هذا التأثير التعزيزي بشكل رئيسي إلى صلابة كبريتات الباريوم وتماسكها الجيد مع مصفوفة النايلون.
ثبات الأبعاد: يُقلل من انكماش وتشوه النايلون أثناء المعالجة أو الاستخدام، ويُحسّن من دقة الأبعاد.
درجة حرارة التشوه الحراري (HDT): عن طريق الحد من حركة سلاسل البوليمر، يُحسّن الاستقرار الحراري للمواد، ويُوسّع نطاق استخدام النايلون في بيئات ذات درجات حرارة عالية (مثل أجزاء محركات السيارات).
تأثير التقوية
بالإضافة إلى تأثير التقوية، يُمكن لكبريتات الباريوم أن تُعزز صلابة النايلون. يُشكل التفاعل بين جزيئات كبريتات الباريوم النانوية ومصفوفة النايلون طبقة انتقالية مرنة، تُنقل وتُخفف الضغط على السطح البيني بفعالية، مما يُمتص ويُشتت طاقة التأثير الخارجية، ويُحسّن متانة المادة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه عند زيادة محتوى كبريتات الباريوم إلى حد معين، ينخفض أداء المادة بسبب حدوث التكتل.
لمعان مُحسّن
تتميز كبريتات الباريوم بقدرة انعكاسية قوية للضوء في نطاقات الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء، مما يُمكّنها من إظهار سطوع عالٍ في تركيبات تلوين البلاستيك. عند اختيار كبريتات الباريوم ذات حجم جسيمات مناسب لملء النايلون، يُمكن تحسين لمعان سطح المنتجات المُعالجة بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، يُشبه معامل انكسار كبريتات الباريوم معامل انكسار البوليمرات مثل النايلون، مما يُمكّنها من الحفاظ على سطوع ولون صبغة التلوين.
التطبيق العملي
في التطبيقات العملية، عادةً ما تُوزّع كبريتات الباريوم بالتساوي في مصفوفة النايلون على شكل نانومترات عن طريق المزج بالصهر. تستفيد هذه الطريقة من تأثير الحجم، ومساحة السطح النوعية الكبيرة، وقوة التداخل القوية لكبريتات الباريوم النانوية، وتجمع بشكل مثالي بين صلابة كبريتات الباريوم وثباتها البعدي وثباتها الحراري، ومتانة النايلون وقابليته للمعالجة وخواصه العازلة، مما يُحقق أداءً شاملاً ممتازًا.
أظهرت كبريتات الباريوم تحسنًا ملحوظًا في تحسين صلابة ولمعان النايلون. من خلال التحكم الرشيد في محتوى وتوزيع حجم جسيمات كبريتات الباريوم، يُمكن تحسين الخصائص الميكانيكية للنايلون، وتحسين متانة المنتج وجمالياته، وموازنة الأداء والتكلفة، وتحسين تصميم التركيبة لحالات محددة، وبالتالي توسيع نطاق استخدام النايلون.
ما الذي يجب أن ننتبه إليه عند تحضير بلورات كربيد السيليكون المفردة عالية الجودة؟
تشمل الطرق الحالية لتحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية بشكل رئيسي: النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، ونمو محلول البذور العليا (TSSG)، والترسيب الكيميائي للبخار في درجات حرارة عالية (HT-CVD).
تتميز طريقة النقل الفيزيائي للبخار (PVT) بمزايا بساطة المعدات، وسهولة التحكم في التشغيل، وانخفاض سعر المعدات وتكلفة التشغيل، وأصبحت الطريقة الرئيسية المستخدمة في الإنتاج الصناعي.
1. تقنية التطعيم بمسحوق كربيد السيليكون
يمكن لتطعيم كمية مناسبة من عنصر Ce في مسحوق كربيد السيليكون تحقيق نمو مستقر لبلورة 4H-SiC الأحادية. وقد أثبتت التجربة أن تطعيم عنصر Ce في المسحوق يزيد من معدل نمو بلورات كربيد السيليكون ويسرع نموها؛ كما يمكنه التحكم في اتجاه كربيد السيليكون، مما يجعل اتجاه نمو البلورة أكثر تفردًا وانتظامًا؛ ويمنع تكون الشوائب في البلورة، ويقلل من تكون العيوب، ويسهل الحصول على بلورات أحادية وبلورات عالية الجودة. يمكنه تثبيط تآكل الجزء الخلفي من البلورة وزيادة معدل البلورة المفردة.
2. تقنية التحكم في تدرج درجة الحرارة المحوري والقطري
يؤثر تدرج درجة الحرارة المحوري بشكل رئيسي على شكل البلورة وكفاءتها. يؤدي انخفاض تدرج درجة الحرارة إلى ظهور شوائب أثناء عملية نمو البلورة، كما يؤثر على معدل نقل المواد في الطور الغازي، مما يؤدي إلى انخفاض معدل نمو البلورة. تساعد التدرجات الحرارية المحورية والقطرية المناسبة على النمو السريع لبلورات كربيد السيليكون (SiC) والحفاظ على استقرار جودة البلورة.
3. تقنية التحكم في خلع المستوى القاعدي (BPD)
السبب الرئيسي لتكوين عيوب خلع المستوى القاعدي هو أن إجهاد القص في البلورة يتجاوز إجهاد القص الحرج لبلورة كربيد السيليكون، مما يؤدي إلى تنشيط نظام الانزلاق. ونظرًا لأن خلع المستوى القاعدي عمودي على اتجاه نمو البلورة، فإنه يتولد بشكل رئيسي أثناء عملية نمو البلورة وعملية تبريد البلورة اللاحقة.
٤. تقنية التحكم في ضبط نسبة مكونات الطور الغازي
في عملية نمو البلورات، تُعدّ زيادة نسبة الكربون إلى السيليكون في بيئة النمو إجراءً فعالاً لتحقيق نمو مستقر للبلورة المفردة. ولأن ارتفاع نسبة الكربون إلى السيليكون يُقلل من تراكم الخطوات الكبيرة ويحافظ على توارث معلومات النمو على سطح بلورة البذرة، فإنه يُثبّط تكوّن الأشكال المتعددة.
٥. تقنية التحكم في الإجهاد المنخفض
أثناء عملية نمو البلورات، يُؤدي وجود الإجهاد إلى انحناء المستوى البلوري الداخلي لبلورة كربيد السيليكون، مما يُؤدي إلى ضعف جودة البلورة أو حتى تشققها، كما يُؤدي الإجهاد الكبير إلى زيادة خلع المستوى القاعدي للرقاقة. تنتقل هذه العيوب إلى الطبقة الفوقية أثناء عملية الفوقية، مما يُؤثر بشكل خطير على أداء الجهاز.
بالنظر إلى المستقبل، ستتطور تقنية تحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية عالية الجودة في عدة اتجاهات:
الحجم الكبير
يمكن أن يُحسّن تحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية كبيرة الحجم كفاءة الإنتاج ويخفض التكاليف، مع تلبية احتياجات الأجهزة عالية الطاقة.
جودة عالية
تُعدّ بلورات كربيد السيليكون الأحادية عالية الجودة مفتاحًا لتحقيق أجهزة عالية الأداء. في الوقت الحالي، على الرغم من التحسن الكبير في جودة بلورات كربيد السيليكون الأحادية، لا تزال هناك بعض العيوب، مثل الأنابيب الدقيقة، والانخلاعات، والشوائب. ستؤثر هذه العيوب على أداء الجهاز وموثوقيته.
تكلفة منخفضة
تكلفة تحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية مرتفعة، مما يحد من استخدامها في بعض المجالات. يمكن تقليل تكلفة تحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية من خلال تحسين عملية النمو، وتحسين كفاءة الإنتاج، وخفض تكاليف المواد الخام.
ذكية
مع تطور تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، ستصبح تقنية تحضير بلورات كربيد السيليكون ذكية تدريجيًا. يمكن مراقبة عملية النمو والتحكم فيها آنيًا من خلال أجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم الآلي وغيرها من المعدات، مما يعزز استقرارها وإمكانية التحكم فيها. وفي الوقت نفسه، يمكن استخدام تحليل البيانات الضخمة وتقنيات أخرى لتحليل بيانات النمو وتحسينها، مما يرفع جودة وكفاءة إنتاج البلورات.
تُعد تقنية تحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية عالية الجودة من أبرز التطورات في أبحاث مواد أشباه الموصلات الحالية. ومع التقدم المستمر في العلوم والتكنولوجيا، ستواصل تقنية نمو بلورات كربيد السيليكون تطورها وتحسينها، مما يوفر أساسًا أكثر متانة لتطبيق كربيد السيليكون في درجات الحرارة العالية والترددات العالية والطاقة العالية وغيرها من المجالات.