تكنولوجيا التلبيد لقوالب الحقن الخزفية

باعتبارها جزءًا أساسيًا من المواد الهندسية والمواد الوظيفية، تتمتع المواد الخزفية المتقدمة بآفاق تطبيقية واسعة في مجالات الطاقة الجديدة، وإلكترونيات الاتصالات، وأشباه الموصلات، والفضاء، وغيرها من المجالات الصناعية. ومع ذلك، ولأن مسحوق السيراميك يتكون في الغالب من مركبات رابطة أيونية أو رابطة تساهمية، فإن عملية التلبيد التقليدية لإعداد مواد كثيفة... المواد الخزفية يتطلب درجة حرارة تلبيد أعلى ووقت احتجاز أطول، مما يؤدي حتماً إلى خشونة الحبوب وبقايا المسامية، ومن ثم يؤثر على خصائص حقن السيراميك. من أجل تقليل تلبيد المعادن من أجل تقليل درجة الحرارة وتقصير وقت التلبيد وتحسين كثافة التلبيد وخصائص المواد، قام الباحثون بتطوير مجموعة متنوعة من تقنيات التلبيد الجديدة.

تلبيد البلازما الشرارية (SPS)

تقنية SPS هي نوع جديد من تقنيات التلبيد السريع، حظيت باهتمام ودراسة واسعين في الأوساط الأكاديمية. يوضح الشكل 1 مبدأ عملها.

كانت تقنية SPS رائدة في إدخال تيار النبض المستمر في عملية التلبيديعمل المثقب كحامل لمرور التيار الكهربائي أثناء تطبيق الضغط على المادة. بخلاف تقنيات التلبيد التقليدية، التي تستخدم عادةً التسخين الإشعاعي لجسم التسخين، يستخدم التلبيد الحراري (SPS) التأثير الحراري لتيار كهربائي كبير يمر عبر قالب أو عينة موصلة لتسخين المادة. بالنسبة للعينات العازلة، يُستخدم الجرافيت ذو الموصلية الكهربائية الجيدة عادةً كمادة للقالب، وتُستخدم حرارة مقاومة القالب لجعل العينة ترتفع بسرعة. بالنسبة للعينات الموصلة، يمكن استخدام قالب عازل لتسخين تيار كهربائي مباشر عبر العينة. يمكن أن يصل معدل التسخين إلى 1000 درجة مئوية/دقيقة. عندما تصل درجة حرارة العينة إلى القيمة المحددة، يمكن إكمال التلبيد بعد فترة قصيرة من الحفاظ على الحرارة.

تتمتع تقنية SPS بمزايا درجة حرارة التلبيد المنخفضة، ووقت الاحتفاظ القصير، ومعدل التسخين السريع، وضغط التلبيد القابل للتعديل، والاقتران متعدد المجالات (الكهربائي - الميكانيكي - الحراري).

التلبيد السريع (FS)

تم الإبلاغ عن تقنية التلبيد بالمسحوق المعدني بمساعدة الحقل لأول مرة في عام 2010 بواسطة كولونيا وآخرون من جامعة كولورادو، استنادًا إلى دراسة تقنية التلبيد بالمسحوق المعدني بمساعدة الحقل (FAST)

تتضمن تقنية FS بشكل أساسي ثلاثة معلمات عملية، وهي درجة حرارة الفرن (Tf) وشدة المجال (E) والتيار (J). يوضح الشكل 3C اتجاه التباين لكل معلمة في عملية FS التقليدية. في هذا الوضع، يتم تطبيق مجال كهربائي ثابت على المادة وترتفع درجة حرارة الفرن بمعدل ثابت. عندما تكون درجة حرارة الفرن منخفضة، تكون مقاومة المادة عالية والتيار المتدفق عبر المادة صغيرًا. مع زيادة درجة حرارة الفرن، تنخفض مقاومة العينة ويزداد التيار تدريجيًا. تسمى هذه المرحلة مرحلة الحضانة ويتم التحكم في النظام بالجهد. عندما ترتفع درجة حرارة الفرن إلى درجة الحرارة الحرجة، تنخفض مقاومة المادة فجأة، ويرتفع التيار بشكل حاد، ويحدث FS. نظرًا لأن شدة المجال لا تزال مستقرة في هذا الوقت، ستصل طاقة النظام (W = EJ) بسرعة إلى حد طاقة مصدر الطاقة، وسيتحول النظام من التحكم في الجهد إلى التحكم في التيار، وهو ما يسمى مرحلة FS. عندما لا ترتفع مقاومة المادة، تستقر شدة المجال مجددًا، وتدخل عملية التلبيد مرحلة الاستقرار، أي مرحلة العزل في عملية التلبيد بالصهر. بعد مرحلة العزل، تنتهي عملية التلبيد بالصهر كاملةً.

بالمقارنة مع التلبيد التقليدي، فإن التلبيد بالفراغ له المزايا التالية: تقصير وقت التلبيد وتقليل درجة حرارة الفرن المطلوبة للتلبيد، ومنع نمو الحبوب، ويمكن تحقيق التلبيد غير المتوازن، والمعدات البسيطة، والتكلفة المنخفضة.