<%@ Language=VBScript %><% response.buffer=true %>News : MTEC2004
สาระน่ารู้
 
RBSN NEAR-NET-SHAPE CERAMICS ตอนที่ 2 (จบ)
ดร.กุลจิรา สุจิโรจน์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ(เอ็มเทค)
 
 
 กระบวนการผลิต RBSN
   
 
       การผลิต RBSN เริ่มจากการผสมผงซิลิคอนกับสารเชื่อมประสาน (binder) แล้วขึ้นรูปด้วย วิธีการทางเซรามิกส์ ที่นิยมใช้กันทั่วไป เช่น การหล่อ (slip casting) การอัดแห้ง (dry pressing) และการฉีดเข้าแบบ (injection molding) เป็นต้น หลังจากนั้นจึงทำการเผาผนึกเบื้องต้นที่อุณหภูมิไม่เกิน 1,100oC ในบรรยากาศเฉื่อย เพื่อให้ได้ชิ้นงานพรีฟอร์ม (preform) ที่มีความแข็งแรงเพียงพอ สำหรับการเคลื่อนย้ายและกลึงแต่งรูปร่างได้ โดยเทคนิคการกลึงโลหะทั่วไป จนได้รูปร่างซับซ้อนตามที่ต้องการ แล้วทำ nitridation ในบรรยากาศไนโตรเจน ก็จะได้ผลิตภัณฑ์ RBSN ที่มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดที่ต้องการ


ภาพที่ 3 กระบวนการผลิต RBSN
ภาพที่ 4 กลไกการเกิด RBSN ที่เริ่มจาก (a) การเกิดนิวเคลียส Si3N4 ที่ผิว แล้วเกิดการเติบโตขึ้น (b-d) จนกระทั่งปกคลุมผิวทั้งหมด (e) หรือเกิดนิวเคลียสใหม่ในรูพรุน (f)5
 ปฏิกิริยา NITRIDATION
 
       ในทางทฤษฎีปฏิกิริยา nitridation ระหว่างซิลิคอนและ ก๊าซไนโตรเจน อาจเกิดได้ดังนี้
 
3Si(s) + 2N2 (g)   -->  Si3N4 (g)   (1)
3Si(l) + 2N2 (g)   -->  Si3N4 (g)    (2)
3Si(g) + 2N2 (g)   -->  Si3N4 (g)   (3)

       อัตราการเกิดปฏิกริยา ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและ ความดันย่อย ของไนโตรเจน แต่ในทางปฏิบัติ ผงซิลิคอนจะมีชั้นซิลิกา (SiO2) เคลือบอยู่ที่ผิว ทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกันการเกิดปฏิกิริยา และมักจะมี เหล็กเป็นมลทินอยู่ด้วย ได้มีการศึกษา7พบว่า เหล็กปริมาณน้อยๆ ก็อาจมีผลทำให้กลไก การเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนเป็น
2Si (s) + O2 (g) = 2SiO (g)   (4)
3SiO (g) + 2N2 (g) = Si3N4 (s)+ 3/2 O2 (g)   (5)

       นอกจากนี้ ความชื้นที่มีอยู่ในบรรยากาศ อาจทำให้เกิดปฏิกิริยา
Si (s) + H2O (g) = SiO (g) + H2 (g)   (6)

       ดังนั้น จะเห็นได้ว่าการควบคุมความดันย่อย ของไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน และน้ำ มีความสำคัญมากต่ออัตราเกิดซิลิคอนไนไตรด์ นอกจากนี้อุณหภูมิและมลทินต่าง ๆ ที่มีอยู่ในผงซิลิคอน ก็มีผลต่อกลไกการเกิดปฏิกิริยาเช่นกัน

        สิ่งที่น่าสนใจคือ ในทางทฤษฎี Si3N4 จากปฏิกิริยา nitridation นี้ควรจะทำให้ชิ้นงานมีปริมาตรเพิ่มขึ้น ประมาณ 23% เทียบกับสารตั้งต้นซิลิคอน (Si) แต่เมื่อเปรียบเทียบ ขนาดชิ้นงาน พรีฟอร์ม กับผลิตภัณฑ์หลังเผา nitridation พบว่ามีขนาด แทบจะไม่ต่างกัน สาเหตุของสมบัติพิเศษนี้ เกิดจากกลไกการเกิดปฏิกิริยา nitridation8 (ภาพที่ 4) ซึ่งเกิดที่ผิวของซิลิกอน แล้วเติบโต (growth) เข้าไปในอนุภาคซิลิกอน รวมทั้งบางส่วนก็เกิด ปฏิกิริยา ในวัฏภาคก๊าซ หรือโดยการแพร่ ทำให้ซิลิกอนไนไตร์ด เข้าไปเติมเต็มช่องว่าง ที่อยู่ระหว่างอนุภาค ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่ได้ จึงมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น และความพรุนลดลง โดยที่ขนาดภายนอก ไม่มีการเปลี่ยนแปลง

. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 
 
 โครงการประยุกต์ RBSN ในงานอุปกรณ์หัวฉีดน้ำมัน
 
       จากการที่ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติได้เริ่มโครงการพัฒนา RBSN9 ขึ้น และทางภาควิชาโลหการ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ได้เล็งเห็นความเป็นไปได้ของการในการประยุกต์ RBSN ในงานอุปกรณ์หัวฉีดน้ำมัน เนื่องจากหัวฉีดน้ำมันที่กันโดยทั่วไปมักทำจากเหล็กสเตนเลส ทำให้เกิดปัญหาด้านการสึกหรอที่อุณหภูมิสูงอย่างรวดเร็ว และการผลิตจะต้องหยุดชะงักเพื่อเปลี่ยนอุปกรณ์ชิ้นนี้ โครงการความร่วมมือจึงได้เกิดขึ้น โดยคณะผู้วิจัยมีความเห็นว่า สมบัติเด่นด้าน near-net-shape และด้านการคงความแข็งที่อุณหภูมิสูงของ RBSN ประกอบกับลักษณะของการใช้งาน ไม่ต้องรับน้ำหนักมากนัก น่าจะทำให้สามารถใช้ RBSN ทดแทนสเตนเลส ได้เป็นอย่างดี

การวิจัยพัฒนาในระดับปริญญาโทจะแบ่งเป็น 3 ระยะ ดังนี้

        ระยะที่ 1: การขึ้นรูปและวิเคราะห์คุณลักษณะของ RBSN10
        ระยะที่ 2: การผลิตต้นแบบอุปกรณ์หัวฉีดน้ำมันจาก RBSN และ
        ระยะที่ 3: การทดสอบ thermal fatigue & erosion ของอุปกรณ์หัวฉีดน้ำมัน RBSN


       ปัจจุบัน ได้ทำการวิจัยพัฒนาในระยะที่ 1 แล้วเสร็จ และกำลังอยู่ในระหว่างการเริ่มต้นการศึกษาในระยะที่ 2 ทั้งนี้ คาดว่า เมื่อจบการศึกษาวิจัยทั้งสามระยะจะเกิดองค์ความรู้และบุคลากร รวมทั้งเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการนำวัสดุที่มีสมบัติเด่น และมีศักยภาพในการพัฒนาสู่เชิงพาณิชย์อย่าง RBSN มาใช้จริงในอนาคตอันใกล้
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 
 
เอกสารอ้างอิง ::
  1. Deville, S-C.H. & Woehler,F. (1859) Lieb.Ann. Vol. 110, p. 248
  2. Egly,G. (1905) US patent number 866 444
  3. (a) Carborundum Co,. 'Silicon nitride bonded articles' US patent number 2 618 565, (b) Carborundum Co,. 'Silicon nitride bonded refractrory articles' US patent number 2 636 828
  4. Raj,R. & Lange,F.F. (1981) Acta Metall. 29[12]1993-2000
  5. Clarke,D.R.; Lange,F.F.; & Schnittgrund,G.D. (1982)J.Am.Cer.Soc. 65[4]C51-C52
  6. Eddington,J.W.; Rowcliffe; & Henshall,J.L. (1975) Powder Metall.Int. 7[2]82-96
  7. Rahaman,M.N. & Moulson A.J. (1981) J.Mater.Sci.16[8]2319-21
  8. Moulson,A.J. (1979) J.Mater.Sci. 14,1017-51
  9. กุลจิรา สุจิโรจน์ และ เบญญา เชิดหิรัญกร (2541) 'การผลิตและหาลักษณะเฉพาะของ RBSN' รายงานการวิจัย พัฒนาและวิศวกรรม ฉบับสมบูรณ์ เสนอต่อศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
  10. กันยาทิพย์ ตันติคมน์ (2544) 'การขึ้นรูปและวิเคราะห์คุณลักษณะของรีแอกชันบอนด์ซิลิคอนไนไตร์ด' วิทยานิพนธ์มหาบัณฑิต ภาควิชาวิศวกรรมโลหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
 
 

Copyright © 1997-2005,MTEC,NSTDA. All rights reserved.