تعتبر تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS)، والمعروفة أيضًا باسم تقنية التلبيد بمساعدة الحقل (FAST)، تقنية حديثة تلبد تقنية. غيّرت هذه الطريقة جذريًا طريقة ضغط المواد المسحوقة وتحويلها إلى مواد صلبة كثيفة. تتميز تقنية SPS ليس فقط بسرعة إنتاج المواد الكثيفة، بل أيضًا بمنتجات ذات بنى مجهرية دقيقة.
قدرت تقارير السوق الصادرة عن شركة لوسينتل العام الماضي حجم سوق تلبيد البلازما الشرارة (SPS) بـ 1.83 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030، مع توقعات بنمو سنوي يبلغ حوالي 6.2% لمدة ست سنوات، من عام 6 إلى عام 2024. ويلعب سوق تلبيد البلازما الشرارة دورًا محوريًا في الصناعات التي تُولي أهمية كبيرة للتوصيل والقوة والاستقرار الحراري. وستُناقش هذه الصناعات لاحقًا.
المحتويات
ما هو التلبيد بالبلازما الشرارة؟
يستخدم التلبيد بالبلازما الشرارية تيارًا مستمرًا نبضيًا بقوة تتراوح بين آلاف وعشرات آلاف الأمبيرات، إلى جانب ضغط أحادي المحور، لتكثيف المواد المسحوقة. لا يعتمد التلبيد بالبلازما الشرارية على الحرارة الخارجية، بل يُولّد حرارة داخلية. تتم هذه العملية بتمرير تيار كهربائي عبر المادة و/أو البيئة المحيطة. يؤدي هذا إلى معدلات تسخين أسرع، وتكثيف أسرع، ودرجات حرارة تلبيد أقل.
تتميز تقنية SPS بقدرتها على تلبيد المواد بسرعات عالية مع الحفاظ على خصائص المسحوق الجوهرية وبنيته الحبيبية الدقيقة. وبفضل كفاءة هذه التقنية، إلى جانب التقدم في علوم المواد، ازداد الطلب عليها في مختلف الصناعات.
عملية التلبيد بالبلازما الشرارية
تُجرى عملية تلبيد البلازما الشراري عادةً في الفراغ أو في بيئة مُتحكم بها. ويهدف ذلك إلى ضمان النقاء ومنع الأكسدة. وتتألف عملية تلبيد البلازما الشراري عادةً من أربع مراحل رئيسية.
إزالة الغاز أو إنشاء الفراغ
أولاً، تُوضع المادة المسحوقة في مجموعة جرافيت مكونة من قالب ومثقبين (يعمل كعنصر تسخين عند مرور التيار الكهربائي عبره). يُزال الغاز من حجرة التفريغ التي تحتوي على القالب والمثقبين، باستخدام مضخة تفريغ وانتشار دوارة. يُضخ الهواء للحصول على ضغط يبلغ حوالي 5-10 × 10.-3 ولاية بنسيلفينيا
تطبيق الضغط.
تُعرَّض مجموعة الجرافيت لضغط أحادي المحور باستخدام القطبين العلوي والسفلي. يصل الضغط المُطبَّق إلى 150 ميجا باسكال، وعند درجة حرارة حوالي 2500 درجة مئوية.oج. وهذا يضمن تكثيف المواد بسرعة في إطار زمني أقصر، وتقليل المسامية، وتقليل نمو الحبوب، وتشكيل بنية موحدة.
جول للتدفئة
يُطبّق التيار المستمر (DC) على القالب على شكل نبضات، بجهد منخفض وكثافة عالية. يُولّد تأثير جول حرارةً سريعةً بمعدل 1000 كلفن في الدقيقة عند مرور التيار عبر القالب والمسحوق. يُسهّل هذا التسخين الموضعي الانتشار السريع وترابط الجسيمات.
اعتقدت الدراسات المبكرة أن عملية التلبيد بالبلازما الشرارية تُكثّف المساحيق بسرعة بفضل توليد الشرارات أو البلازما بين المساحيق. إلا أن الأبحاث أكدت تقريبًا أن عملية التسخين بالبلازما الشرارية تعتمد على حرارة جول الناتجة عن المقاومة الكبيرة عند نقاط التلامس بين المساحيق. لا يوجد شرارة أو أيون في عملية التلبيد بالبلازما الشرارية، ولكن تم استخدام الاسم.
تبريد
يُترك المُلبَّد ليبرد في حجرة جهاز SPS. تُحسّن هذه العملية عملية التصلب وتمنع ظهور الشقوق.
مواد SPS
يمكن لتقنية سبارك بلازما سينترينغ معالجة مجموعة متنوعة من المواد، وخاصةً المواد المتقدمة. بفضل قدرتها على التكثيف السريع في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وفي فترات زمنية أقصر. فيما يلي تفصيل للأنواع الرئيسية:
السيراميك
باستخدام السيراميك، توفر هذه التقنية هياكل ذات حبيبات دقيقة، والحفاظ على القوة الميكانيكية، وتعزيز الخصائص مثل الصلابة ومقاومة التآكل.
- الزركونيا (ZrO₂) لزراعة الأسنان وأدوات القطع.
- كربيد السيليكون (SiC) لمكونات المحرك ذات درجات الحرارة العالية.
- الألومينا (Al₂O₃) للركائز الإلكترونية والمكونات العازلة.
معدن
وخاصة تلك التي يصعب معالجتها بالطرق التقليدية بسبب نقاط انصهارها العالية أو تفاعليتها.
- التيتانيوم (Ti) وسبائكه المستخدمة في الصناعات الفضائية والغرسات الحيوية.
- التنغستن (W) للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
- الموليبدينوم (Mo) للأجزاء الكهربائية والمقاومة للحرارة.
المركبة
تصنع شركة SPS مواد مركبة بمجموعات فريدة من الخصائص مثل الصلابة والتوصيل الحراري، من خلال التلبيد المتحكم فيه لمراحل متعددة.
- المركبات المكونة من معدن ومصفوفة (على سبيل المثال، الألومنيوم المقوى بجزيئات السيراميك).
- المركبات ذات المصفوفة السيراميكية (على سبيل المثال، المركبات ذات المصفوفة السيراميكية المقواة بألياف SiC).
مميزات وعيوب تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية.
تقدم تقنية SPS مزايا رائعة، مثل قصر المدة وتوفير الطاقة، وغيرها. ومع ذلك، فإنها تعاني من بعض القيود، مثل مشكلات قابلية التوسع، وعدم تجانس درجات الحرارة، وغيرها. سيساعدك فهم هذه القيود على تقييم مدى ملاءمتها لتطبيقات معينة.
تشمل المزايا ما يلي:
-
انخفاض درجة حرارة التلبيد:تعمل تقنية SPS عند درجات حرارة أقل بمقدار 400-500 درجة مئوية من التلبيد التقليدي في الطور الصلب وأقل بمقدار 100-200 درجة مئوية من الضغط الساخن.
-
معدل تسخين سريع:يمكن أن يصل معدل التسخين إلى عشرات إلى مئات الدرجات المئوية في الدقيقة، مما يقلل بشكل كبير من الدورات الحرارية.
-
وقت التلبيد القصير:يتم الانتهاء من عملية التلبيد في 5 إلى 10 دقائق فقط، مقارنة بعدة ساعات في الطرق التقليدية.
-
ضغط التلبيد العالي:تطبق تقنية SPS ضغطًا يتراوح من عشرات ميجا باسكال إلى ما يصل إلى 1 جيجا باسكال، مما يسمح حتى للمواد التي يصعب تلبيدها مثل WC وSiC بالتكثيف بسهولة.
-
التحكم في البنية الدقيقة:تسمح هذه العملية بالتحكم الدقيق في البنية الدقيقة أثناء التلبيد.
-
لا يتطلب صبًا مسبقًا:يمكن ضغط المسحوق وتلبيده مباشرة في خطوة واحدة، مما يزيل الحاجة إلى الضغط المسبق.
تشمل القيود ما يلي:
- التكلفة العالية لصيانة آلة التلبيد بالبلازما الشرارة والمعدات.
- يمكن أن تكون إدارة أو الحفاظ على ظروف التلبيد على نطاقات أكبر أمرًا صعبًا للغاية.
- يشكل SPS خطرًا كبيرًا فيما يتعلق بالهياكل الدقيقة غير المتساوية لأنه من الصعب الحفاظ على درجة حرارة موزعة بالتساوي خلال وقت الارتفاع القصير.
تطبيقات SPS
يتم استخدام SPS على نطاق واسع في مختلف الصناعات، مثل صناعة السيارات والإلكترونيات وما إلى ذلك.
- صناعات الفضاء والسيارات: يتم استخدامها لصنع مكونات خفيفة الوزن وعالية القوة للطائرات والمركبات.
- الالكترونيات: تصنيع المكونات الإلكترونية، وخاصة تلك المستخدمة في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
- تخزين الطاقة: تُستخدم لإنتاج مكونات مثل الأقطاب الكهربائية لتقنيات البطاريات ذات الحالة الصلبة.
- الغرسات الطبية الحيوية:إنتاج المواد الحيوية المتوافقة والغرسات الجراحية المستخدمة في التطبيقات العظمية وطب الأسنان.
- أدوات القطع والمواد عالية الأداء: يتم استخدام SPS لإنتاج أدوات صلبة مقاومة للتآكل والتلف، وفعالة للحفر والقطع والتشغيل.
SPS مقابل التلبيد التقليدي
| شرح المميزات: | التلبيد التقليدي | التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS) |
|---|---|---|
| طريقة التدفئة | يستخدم طرق التدفئة الخارجية مثل الأفران. | يستخدم تيار مستمر نبضي لتوليد الحرارة داخليًا. |
| معدل التسخين | 5 إلى 10 درجة مئوية في الدقيقة (بطيئة). | 100 درجة مئوية في الدقيقة (سريعة). |
| متطلبات درجة الحرارة | تحتاج إلى درجة حرارة خارجية عالية. | تحتاج إلى درجة حرارة منخفضة للتلبيد، مع انخفاض بنسبة 20-30%. |
| زمن المعالجة | يستغرق عدة ساعات. | يستغرق دقائق. |
| خصائص المواد | نمو كبير للحبوب وتغيرات في البنية الدقيقة، مما قد يؤدي إلى تدهور الخصائص. | حبيبات دقيقة ذات نمو ضئيل، تحافظ على الخصائص الجوهرية والبنية الموحدة. |
| ذكية ومتخصصة | المواد التقليدية مثل السيراميك والمعادن، مناسبة لتحمل درجات الحرارة العالية. | المواد المتقدمة والمركبات والمواد عالية الدقة والمواد النانوية. |
من الصعب تكثيف بعض مركبات المصفوفة الخزفية باستخدام التلبيد بالمساحيق المعدنية التقليدية بفضل الروابط التساهمية القوية جدًا في بنيتها البلورية ومعاملات الانتشار الذاتي المنخفضة. يوفر التلبيد البلازمي الشراري (SPS) نهجًا جديدًا.
الأسئلة الشائعة
1. ما هو الفرق بين SPS والضغط الساخن؟
SPS هو نوع من عمليات الضغط الساخن. يكمن الفرق الرئيسي بين SPS والضغط الساخن التقليدي في طريقة التسخين. يستخدم SPS تيارًا مستمرًا لتمريره بشكل متقطع عبر ضغط المسحوق، بينما يستخدم الضغط الساخن التسخين الكهربائي التقليدي.
2. هل عملية التلبيد بالبلازما الشرارة مناسبة للإنتاج الضخم؟
نعم، فهي مناسبة للإنتاج على نطاق متوسط إلى واسع، وخاصة للأجزاء التي هي صغيرة أو متوسطة الحجم.
3. كيف يؤثر SPS على نمو الحبوب؟
على الرغم من أن SPS معروف بانخفاض نمو الحبيبات نتيجةً لاستخدامه درجات حرارة تلبيد منخفضة وضغطًا مرتفعًا، إلا أنه قد يُسبب نمو الحبيبات أيضًا. يحدث هذا عادةً في المرحلة الأخيرة من عملية التلبيد بسبب الإجهاد، مثل ارتفاع درجات الحرارة أو تغيرات دورات الضغط.