لماذا يُستخدم كربيد السيليكون الأسود في ألواح العزل؟

لماذا يُستخدم كربيد السيليكون الأسود في ألواح العزل؟

تم اختيار كربيد السيليكون الأسود لمزيجه الفريد من الخصائص التي تعالج بشكل مباشر تحديات البيئة ذات درجة الحرارة العالية.

1. مقاومة استثنائية للصدمات الحرارية

هذا هو السبب الأهم على الإطلاق. يتميز كربيد السيليكون  بموصلية حرارية عالية جدًا  (حوالي 120-140 واط/متر·كلفن)، وهو ما قد يبدو غير منطقي بالنسبة لألواح العزل. مع ذلك، عند استخدامه كمادة مضافة ضمن مصفوفة عازلة مسامية، فإنه يعمل كشبكة من “الطرق السريعة لنقل الحرارة”.

• آلية العمل:  عند تسخين أحد جانبي اللوح بسرعة، تعمل جزيئات كربيد السيليكون على توزيع الطاقة الحرارية بسرعة في جميع أنحاء المادة، مما يمنع تراكم التدرجات الحرارية الشديدة والإجهادات الناتجة عنها والتي تسبب التشققات. وتظل المصفوفة المسامية المحيطة توفر قيمة العزل الإجمالية.

2. قوة وصلابة ميكانيكية عالية

• يُعدّ كربيد السيليكون (SiC) من أصلب المواد المتاحة (صلابته على مقياس موس حوالي 9.5). يؤدي استخدامه إلى زيادة ملحوظة في خصائص اللوحة الإلكترونية.

  • قوة التحمل في درجات الحرارة المنخفضة:  يمكن للوح تحمل الأحمال الثقيلة في درجة حرارة الغرفة.

  • مقاومة التآكل:  من غير المرجح أن تتآكل اللوحة بسبب تدفقات الغاز أو الاحتكاك المادي.

  • قوة درجات الحرارة العالية (معامل الكسر الساخن):  يحتفظ بقوته في درجات الحرارة التي تلين فيها المواد الأخرى.

3. الموصلية الحرارية العالية (كميزة استراتيجية)

كما ذكرنا، يُستخدم هذا النظام  للتحكم في  الحرارة، وليس فقط لمنعها. فهو يسمح بما يلي:

• دورات تسخين وتبريد أسرع دون إتلاف اللوحة.

• توزيع أكثر تجانسًا لدرجة الحرارة داخل الفرن أو الفرن الكهربائي.

4. مقاومة حرارية ممتازة

• يتميز كربيد السيليكون الأسود بنقطة انصهار عالية (حوالي 2730 درجة مئوية أو 4946 درجة فهرنهايت) وهو مستقر في الأجواء الخاملة أو المختزلة حتى حوالي 1600 درجة مئوية. وهذا يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية للغاية.

الاعتبارات والتحديات الرئيسية

إن استخدام كربيد السيليكون الأسود لا يخلو من عيوبه، والتي يجب إدارتها بعناية أثناء التصنيع والتطبيق.

1. الأكسدة

• المشكلة:  عند درجة حرارة أعلى من 900 درجة مئوية تقريبًا في جو مؤكسد (الهواء)، يبدأ كربيد السيليكون في التأكسد، مكونًا طبقة من السيليكا (SiO₂) على السطح.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• العواقب:

  • يمكن أن تؤدي طبقة SiO₂ إلى التدهور التدريجي وإضعاف جزيئات SiC بمرور الوقت.

  • تتسبب عملية الأكسدة في تمدد طفيف في الحجم، مما قد يؤدي إلى إجهادات داخلية.

• التخفيف:  غالبًا ما يضيف المصنعون مضادات الأكسدة (مثل السيليكون المعدني) إلى الخليط، والتي تتأكسد بشكل تفضيلي، مما يحمي جزيئات كربيد السيليكون.

2. التكلفة

• يُعدّ كربيد السيليكون الأسود أغلى ثمناً من مواد الركام الحراري الشائعة الأخرى مثل طين الصوان المكلس، والبوكسيت، أو حتى الألومينا البيضاء المنصهرة. وهذا يزيد من التكلفة النهائية لألواح العزل.

3. مسامية مضبوطة للعزل

• نظراً لكثافته العالية وقدرته على توصيل الحرارة، يجب على الشركة المصنعة تصميم باقي هيكل اللوحة بعناية للحفاظ على انخفاض التوصيل الحراري. ويتم ذلك عادةً عن طريق:

  • باستخدام مواد مالئة عالية المسامية مثل  فقاعات الألومينا  أو  كرات الموليت .

  • يتضمن ذلك استخدام مواد عضوية قابلة للاحتراق تترك وراءها جيوبًا هوائية.

  • إنشاء بنية مسامية دقيقة ذات خلايا مغلقة.

التركيب النموذجي للوح عازل مُعزز بكربيد السيليكون

قد تبدو الصيغة النموذجية على النحو التالي:

• 60-70%:  فقاعات الألومينا / ركام الموليت (المكون العازل الأساسي)

• 15-25%:  حبيبات كربيد السيليكون الأسود (مادة تقوية)

• 10-15%:  مسحوق الألومينا التفاعلي + الطين (مصفوفة الربط)

• 1-3%:  إضافات مضادة للأكسدة (مثل مسحوق معدن السيليكون)

• + مواد رابطة:  مثل الفوسفات أو السيليكا الغروية لربط الجسم الأخضر معًا قبل إطلاقه.

التطبيقات الشائعة

تُستخدم اللوحات التي تحتوي على كربيد السيليكون الأسود في أكثر المجالات تطلبًا:

• الأسطح الساخنة للفرن:  البطانة الداخلية المعرضة مباشرة للهب ودرجات الحرارة العالية.

• أغطية عربات الأفران:  الهيكل الذي يحمل الأواني في فرن ذي موقد دوار أو فرن نفق، ويتطلب قوة عالية ومقاومة للصدمات الحرارية.

• كتل الموقد:  تحيط بالمواقد عالية السرعة حيث تكون تقلبات درجة الحرارة شديدة.

• أفران المعالجة الحرارية:  للعمليات التي تتطلب دورات سريعة.

• العزل الاحتياطي:  يوضع خلف المواد الحرارية الكثيفة لتوفير السلامة الهيكلية.

ملخص: مقارنة بين كربيد السيليكون الأسود والبدائل

خاتمة

يُعدّ كربيد السيليكون الأسود مادةً مضافةً فائقة الجودة تُحوّل ألواح العزل الخزفية العادية إلى منتجات عالية الأداء، متينة، وذات مقاومة حرارية عالية. ويتمثل  دوره الأساسي في توفير مقاومة فائقة للصدمات الحرارية وسلامة هيكلية لا مثيل لها في البيئات التي تشهد تغيرات سريعة في درجات الحرارة وإجهادًا ميكانيكيًا مستمرًا. ورغم أن تكلفته وقابليته للأكسدة تُعتبران من عيوبه، إلا أن مزايا أدائه في التطبيقات الحساسة تجعله مادةً لا غنى عنها.