اجزای سرامیکی دقیق از مواد آزمایشگاهی خاص به راه‌حل‌های اصلی در اندازه‌شناسی و تجهیزات نیمه‌رسانا منتقل شده‌اند، و رایج‌ترین سؤالی که مهندسان می‌پرسند نیز ساده‌ترین سؤال است: آلومینا، کاربید سیلیکون یا نیترید سیلیکون - کدام یک از طرف من؟ پاسخ به تعادل سختی، رفتار حرارتی و هزینه‌ها بستگی دارد به وزن، کاربرد، وزن و کاربرد شما. یک منبع ثابت، یک قطعه یاتاقان هوای متحرک، یا یک عنصر ویفر{0}}که باید در میلیون‌ها چرخه لمس{1} زنده بماند.
آلومینا (Al2O3): استاندارد همه کاره
آلومینا پرکاربردترین سرامیک مهندسی است و جایگاه آن را به دست آورده است. مدول یانگ آن بسته به درجه خلوص معمولاً بین 300 تا 370 گیگا پاسکال است و انبساط حرارتی آن حدود 7 تا 8 × 10 است.-6/K، و سختی آن تقریباً 1500 تا 1900 HV مقاومت در برابر سایش عالی دارد. این عایق الکتریکی است، از نظر شیمیایی در بیشتر محیط‌های فرآیندی بی‌اثر است، و در بین سه سرامیک به‌شدت مقرون‌به‌صرفه‌ترین سرامیک‌ها برای تولید در شکل‌های مفید است، زیرا فشرده‌سازی و پخت پودر به خوبی-در حجم برقرار می‌شوند.
محل قرارگیری آلومینا: چاک های خلاء و بدنه چاک الکترواستاتیک، وسایل عایق، گیج های مربعی دقیق، صفحات ابزار، و اجزای سرامیکی ساختاری ابزار اندازه گیری. حدود آن دوگانه است. اول اینکه، چقرمگی شکست متوسط است، بنابراین گوشه های تیز و تارهای نازک نیاز به مراقبت سخاوتمندانه طراحی دارند. دوم، انبساط حرارتی آن بالاترین میزان در بین سه سرامیک است، که زمانی اهمیت دارد که یک قطعه آلومینا باید هندسه زیر{3}}میکرون را در یک محدوده دمایی وسیع نگه دارد. برای اکثر قطعات ساختاری عایق،{5}مقاوم در برابر سایش و با دقت متوسط، آلومینا بهترین عملکرد را-به ازای-هزینه گروه ارائه می‌کند.
کاربید سیلیکون (SiC): عملکرد سفت و سبک
کاربید سیلیکون انتخابی است که سفتی و رفتار حرارتی غالب باشد. با مدول یانگ نزدیک به 400 تا 450 گیگا پاسکال، چگالی حدود 3.1 گرم بر سانتی‌متر مکعب و انبساط حرارتی 4 تا 5×10-6/K، SiC بهترین نسبت سفتی به وزن سه مورد و رسانایی حرارتی فوق‌العاده را ارائه می‌کند - معمولاً 100 تا 150 W/m·Kâ € که به ماده اجازه می‌دهد گرما را به سرعت دفع کند و گرادیان‌های دما را یکسان کند. سختی آن بیش از 2500 HV است، بنابراین عمر سایش در تماس کشویی یا ساینده استثنایی است.
این ویژگی‌ها توضیح می‌دهند که چرا SiC در سخت‌ترین موقعیت‌ها ظاهر می‌شود: سطوح یاتاقان هوای سرامیکی و راهنماهای دستگاه‌های اندازه‌گیری مختصات، آینه‌های نوری و مراحل اسکن، اجزای انتقال ویفر در فرآیندهای نیمه‌هادی با دمای{0}بالا، و توربین‌های گاز ثابت و مهر و موم پمپ. معاوضه-مدیریت هزینه و شکنندگی است. ماشینکاری SiC در هر مرحله به ابزار الماس نیاز دارد، که باعث می‌شود قطعات تکمیل شده با تحمل{4} سفت به طور قابل‌توجهی گرانتر از آلومینا باشد و زمان تولید طولانی‌تر است. طرح ها باید از غلظت تنش کششی و بارگذاری ضربه اجتناب کنند. با این حال، هنگامی که برنامه یک راهنمای دقیق یا یک یاتاقان است که روی یک فیلم هوا پرواز می کند، بحث پایداری ابعادی SiC در هر گرم دشوار است.
نیترید سیلیکون (Si3N4): سخت یکی
نیترید سیلیکون مقداری سفتی را با چقرمگی مبادله می‌کند و با انجام این کار برنامه‌هایی را باز می‌کند که دو سرامیک دیگر نمی‌توانند با خیال راحت استفاده کنند. مدول یانگ آن تقریباً 300 تا 320 گیگا پاسکال با آلومینا قابل مقایسه است و انبساط حرارتی آن در حدود 3 تا 3.5 × 10 است.-6/K پایین ترین از این سه است و چقرمگی شکست آن 5 تا 8 MPa·m است.1/2چندین برابر بیشتر از آلومینا یا SiC است. از نظر عملی، سی3N4از ضربه، استرس تماس و شوک حرارتی که رقبای خود را شکست می دهد، جان سالم به در می برد.
به همین دلیل است که سی کلاسیک3N4قطعات متحرک هستند، عناصر در تماس هستند: توپ های یاتاقان ترکیبی، ویفر{0}}هندلینگ انتهایی-افکتورها و پاپ-مجموعه های پین، پین های مکان یاب، و وجه های مهر و موم مکانیکی. سی3N4در برابر تراشه و تولید ذرات بسیار بهتر از جایگزین ها مقاومت می کند. هزینه‌ها شامل هزینه‌های بالای مواد خام و تف جوشی، به علاوه همان الماس{1}}اقتصاد ماشینکاری SiC است. برای داده های استاتیک با بودجه، آلومینا معمولاً برنده می شود. برای هر چیزی که ضربه بخورد، گیره یا چرخیده شود، Si3N4حق بیمه خود را کسب می کند.
محل استفاده از سرامیک: چهار خانواده کاربردی
بلبرینگ و راهنماهای هوا سرامیکی
لنت های یاتاقان هوا، راهنماها و پرتوهای CMM از دو جهت از سرامیک بهره می برند: انبساط حرارتی کم، شکاف هوای مقیاس میکرونی را ثابت نگه می دارد، و وزن سبک، جرم متحرکی را که سیستم محرک باید شتاب دهد، کاهش می دهد. الفبلبرینگ هوا سرامیکیماشینکاری شده از SiC یا آلومینا نیز بدون روانکاری کار می کند و هیچ ذره ای تولید نمی کند، که فرآیندهای اتاق تمیز به آن نیاز دارند. جفت کردن یک راهنمای سرامیکی با پایه گرانیتی لپ‌تاپ یک معماری رایج در ماشین‌های اندازه‌گیری مدرن است که نقاط قوت هر دو خانواده مواد را ترکیب می‌کند.
جاروبرقی و جابجایی ویفر
بدنه‌های چاک الکترواستاتیک و خلاء،-اثرهای انتهایی دستگیره-و پین‌های پاپ{2}}به صافی، عایق یا هدایت کنترل‌شده و مقاومت در برابر شیمی فرآیند نیاز دارند. آلومینا به دلایل هزینه بر بدنه چاک تسلط دارد. SiC و Si3N4نقش های متحرک و تماسی را بر عهده بگیرید.
ابزار اندازه گیری و سنج
گیج‌های مربع سرامیکی، خطوط مستقیم و مربع‌های مرجع هندسه را برای دهه‌ها حفظ می‌کنند، خوردگی نمی‌کنند و در برابر سایش روی وجه‌های کاری خود مقاومت می‌کنند. بسیاری از دپارتمان‌های بازرسی سرامیک‌ها را دقیقاً به این دلیل استاندارد می‌کنند که سطوح آن مانند فولاد سخت شده تخریب نمی‌شوند.
وسایل حمل و نقل و فرآیند نیمه هادی
قایق‌ها، وسایل کوره، و اجزای مقاوم در برابر پلاسما از سرامیک برای قابلیت دما و تمیزی استفاده می‌کنند. انتخاب مواد در اینجا به همان اندازه که توسط شیمی فرآیند انجام می شود، توسط بارهای مکانیکی انجام می شود.
نحوه ارسال نیازهای خود به یک کارخانه
زمانی که بسته مورد نیاز کامل شد قطعات سرامیکی به سرعت نقل‌قول می‌شوند و زمانی که تکمیل نشده است به آرامی. یک پرسش مفید شامل چهار بلوک اطلاعات است:
- ابعاد و تلورانس ها: طراحی پاکتی با تلورانس هایی که در واقع مهم هستند، به وضوح مشخص شده اند، از جمله صافی، موازی، و مبناهای بحرانی. بیان "تمام تلورانس ها ± 0.005 میلی متر" هزینه را چند برابر می کند. علامت گذاری پنج سطحی که واقعاً به آن نیاز دارند، هزینه را کنترل می کند.
- مواد و درجه: آلومینا 92٪ یا 99٪، SiC متخلخل یا Si3N4، یا توضیح کوتاهی از شرایط کار و اجازه دهید کارخانه درجه پیشنهاد دهد. شامل هرگونه الزامات الکتریکی یا پاکیزگی، مانند مقاومت عایق یا تماس کم ذرات-.
- تقسیم مقدار و تحویل: مقدار نمونه اولیه، مقدار آزمایشی و حجم سالانه. سرامیک‌ها فرآیندی{1}} فشرده هستند، بنابراین اندازه دسته به شدت بر قیمت واحد و زمان تولید تأثیر می‌گذارد.
- محیط کار: محدوده دما، خلاء یا اتمسفر، رسانه تماس و چرخه های مورد انتظار. این چیزی است که به کارخانه اجازه می دهد تا انتخاب مواد را به جای نقل قول، تأیید کند.
با استفاده از این چهار بلوک، یک سازنده شایسته می‌تواند به سرعت بررسی قابلیت تولید و قیمت‌گذاری را ارائه دهد و هر ویژگی را علامت‌گذاری کند - مانند یک لبه چاقو یا یک دیوار نازک غیرمعمول - که هزینه یا ریسک را افزایش می‌دهد.
سوالات متداول
کدام سرامیک برای بلبرینگ هوا بهتر است؟
برای اجزای یاتاقان متحرک، کاربید سیلیکون و آلومینا گزینه‌های رایج هستند: SiC که در آن حداکثر سفتی-به وزن و هدایت حرارتی اهمیت دارد، آلومینا که در آن هزینه و عایق مهم است. سطح پیشخوان اغلب از گرانیت روکش دار استفاده می شود. پاسخ صحیح به هندسه شکاف، بار و محیط بستگی دارد، به همین دلیل پروژه های بلبرینگ باید با مهندسان سازنده بررسی شوند.
آیا نیترید سیلیکون گرانتر از کاربید سیلیکون است؟
هر دو سرامیک ممتاز با هزینه‌های ماشینکاری الماس-می‌باشند، و قیمت‌های آن‌ها بسته به هندسه و کمیت قطعه همپوشانی دارند. به عنوان یک قاعده، سی3N4برای چقرمگی{0}}قطعات حیاتی برتری دارد، در حالی که قطعات SiC بزرگ و محکم{1}}به دلیل زمان آسیاب گران هستند. نقل قول هر دو ماده در یک نقشه اغلب سریعترین راه برای مقایسه است.
آیا سرامیک می تواند جایگزین گرانیت برای پایه ماشین شود؟
معمولاً برای پایه‌های بزرگ، گرانیت انتخاب اقتصادی در مقیاس متر باقی می‌ماند و بلوک‌های سرامیکی با آن اندازه برای تولید و آسیاب پرهزینه هستند. هیبرید معمولی از سرامیک برای راهنماهای متحرک، لنت‌های یاتاقان و تیرهای ساختاری استفاده می‌کند که با پایه گرانیتی به عنوان پلت فرم مرجع پایدار جفت می‌شود.
چگونه می توان یک قطعه سرامیکی دقیق را صاف کرد؟
با سنگ زنی و چسباندن الماس، صافی در محدوده{0}}میکرو متری پایین برای قطعات متوسط- روال عادی است و نتایج ظریف تری در سطوح کاری کوچکتر قابل دستیابی است. رقم واقعی به اندازه، نسبت ابعاد و متریال بستگی دارد، بنابراین نیاز عملکردی را در نقشه بیان کنید و اجازه دهید کارخانه تحمل قابل دستیابی را تأیید کند.
از مقایسه مواد تا طراحی کاری
آلومینا، SiC و Si3N4مکمل هم هستند تا رقیب: آلومینا برای عایق بندی اقتصادی و قطعات سایش، SiC برای سازه های متحرک سفت و پایدار از نظر حرارتی، Si3N4برای قطعات سخت و در تماس. اگر پروژه شما شاملاجزای سرامیکی دقیقبرای ابزار اندازه‌گیری یا تجهیزات نیمه‌رسانا، ارسال نقشه‌تان با چهار بلوک اطلاعاتی بالا مستقیم‌ترین مسیر برای تصمیم‌گیری صحیح مواد و نقل قول قابل اعتماد است و بررسی مهندسی که برمی‌گردد اغلب قسمت را قبل از ساخته شدن ساده‌تر می‌کند.