Silicon carbide da aka haɗa da nitride: abokin aiki mai amintacce wajen yakar zafi da lalacewa a masana'antu

Ka sani, bayan na shafe sama da shekaru ashirin a harkar kayan watsawa zafi, ina gwada nau'ikan kayan daban-daban da dole su jure zafin gaske da yanayi mai tsauri, na sami kwarin gwiwa ga silicon carbide da aka haɗa da nitride. Ba irin fasahar jan hankali ce da ake magana a kansa a TED talks ba, amma a cikin aikin yau da kullum na masana'antu da matattara, ita ce mai ceto rai. Wannan abu ya haɗa ƙarfin silicon carbide da bindar nitride da ke ƙara masa juriya, kuma ya zama abin dogaro ga duk wanda ke fuskantar yanayi mai tsanani. Abin da nake so a kansa shi ne yadda yake magance matsaloli ba tare da wata hayaniya ba—murfi masu ɗorewa, ƙarancin lokacin dakatawa, irin waɗannan abubuwa. A cikin wannan rubutu, zan yi muku bayani kan abin da aka ƙera shi, manyan ƙarfinsa, inda ake amfani da shi, da wasu abubuwa da ya kamata a kula da su, bisa ga abin da na gani a filin aiki. Idan kai injiniya ne ko fasaha mai neman zaɓuɓɓuka don tsarin da ke buƙatar zafi mai yawa, wannan na iya ba ka wasu shawarwari masu amfani.

Mu fara da abubuwan asali: yadda nitride bonded SiC ke haɗuwa. Babban sinadari shine silicon carbide, ko SiC, wanda ake samu ta hanyar tsarin Acheson. A nan ne ake ɗaukar yashi mai silica da carbon, a dumama su a babban tanda na lantarki har zuwa kusan digiri 2000 Celsius ko sama, sai su fito a matsayin waɗannan ƙwayoyin SiC masu tauri. Suna da ƙarfi kamar ƙarfe. Don yin sigar da aka haɗa, ana gauraya waɗannan ƙwayoyin SiC da ƙananan foda na silicon sannan a siffanta su zuwa duk abin da ake buƙata—buroka, faranti, ko ma bututu. Sannan a gasa su a cikin yanayi mai cike da nitrogen, a kusan 1400 zuwa 1500°C. Silicon yana haɗuwa da nitrogen ya zama silicon nitride, Si3N4, wanda ke samar da wannan cibiyar haɗawa da ke riƙe komai a wurin. Yawanci SiC ne, kimanin 85% ko haka, inda nitride ke cike gibin. Idan ka kalli ƙarƙashin microscope, za ka ga waɗannan kristalan nitride masu siffar allura suna nade ƙwayoyin SiC, suna samar da tsari mai ƙarfi amma ba mai fashewa da sauƙi ba. Babu buƙatar ƙarin manna da zai iya ƙonewa a zafin gaske, abin da ke da kyau.

Yanzu, mu koma kan abin da ke sa shi yin aiki da kyau sosai. Dangane da zafi, wannan kayan na iya jurewa—har zuwa 1650°C a cikin iska, kuma wani lokaci ma fiye idan yanayin ya kasance mai rage oksida. Yana samar da wani layin silika a saman sa lokacin da ya yi oksida, wanda ke aiki kamar garkuwa don hana ƙarin lalacewa. Gudun watsawar zafi yana da kyau sosai, tsakanin watt 20 zuwa 40 a kowace mita-Kelvin, don haka yana sarrafa kwararar zafi ba tare da matsala ba a abubuwa kamar masu musayar zafi. Adadin faɗaɗa ƙanana ne, kusan sau 4 × 10⁻⁶ a kowace digiri Celsius, wanda ke nufin ba ya fashewa da sauƙi idan yanayin zafi ya canza sosai. A ta fuskar injiniya, yana da ƙarfi—ƙarfin matsawa fiye da megapascals 200—kuma yana da matuƙar juriya ga gogewa saboda SiC kusan ya yi tsauri kamar lu'u-lu'u. Na yi wa samfura gwaje-gwajen lalacewa da slag mai narkewa, kuma sun fito suna da kyau sosai fiye da kayan alumina.

A ta fuskar sinadarai, shi ma zakara ne. Asidi, alkali, ƙarafa da aka narke—ba sa dame shi sosai. A aikin aluminium, yana iya jimre fluorides waɗanda za su cinye sauran kayan wuta. Kauri na kimanin gram 2.7 zuwa 3.1 a kowace santimita cubic, don haka ba shi da nauyi sosai, kuma ramuka suna tsakanin kashi 10 zuwa 20, wanda ke ba shi damar numfashi kaɗan ba tare da rushewa ba. Amma ga gargaɗi: idan kana cikin yanayi mai tururi sama da 1400°C, nitride na iya yin mu'amala da ruwa ya lalace. Dole ne ka yi la'akari da hakan.

A ina ake ganinsa a ainihin duniya? A wurare da dama. A masana'antar samar da ƙarfe, yana da kyau sosai don sassan tanda mai fashewa, kamar wuraren da ke kewaye da tuyeres ko bututun hayaki, inda zafi da bugun kayan aiki ke ci gaba. Na tuna wani aiki inda muka sauya rufin tanda zuwa SiC, kuma ya daɗe sau biyu—daga buƙatar sake rufewa duk bayan watanni shida zuwa sama da shekara guda. Babban tanadi ne a can. Ga ƙarafa kamar tagulla ko aluminium, ana amfani da shi a cikin tukwane na narkar da ƙarafa da bututu; saman ba ya barin ƙarafa ta manne, don haka babu toshewa. A fannin keramiki, yana samar da kyawawan ginshiƙai da matattara na murhu waɗanda ba sa lanƙwasawa ƙarƙashin nauyi a zafin wuta mai ƙarfi.

Ba masana'antar gargajiya kaɗai ba ne. Za ka same shi a cikin na'urorin ƙonawa da ke magance hayaki mai guba, ko a cikin na'urorin sinadarai masu abubuwa masu lalata. A 'yan kwanakin nan, na ga shi a cikin kayan makamashi mai tsabta kamar na'urorin gasifikar biomass ko tsarin hasken rana. Za ka iya siffanta shi zuwa kusan komai—bricks na yau da kullum ko sassa na musamman—sannan ka girka shi da siminti na musamman. Yana da tsada a farko, watakila dalar Amurka biyar zuwa goma a kowace kilo, amma yana dawo da riba cikin sauri a wurare masu wahala.

Duk da haka, ba cikakke ba ne. Don gyara shi daidai, ana buƙatar kulawa sosai; idan nitriding bai yi yadda ya kamata ba, za a sami wuraren rauni. Yanke ko goge yana haifar da ƙura mai cutarwa—za ta iya zama mai haifar da ciwon daji—don haka sa maski kuma yi amfani da na'urar fitar da ƙura. Samarwa yana cinye makamashi, amma sake sarrafawa yana inganta; wasu wurare suna dawo da 70% na SiC daga tsofaffin sassa. Bincike ma yana tura iyakoki gaba, kamar ƙara wasu abubuwa don ƙara ƙarfi da hana tsagewa, ko amfani da buga 3D don rage sharar.

Idan aka yi la'akari da komai, silicon carbide da aka haɗa da nitride ɗaya ne daga cikin waɗannan kayan da ke aiki idan ka buƙaci su. Daga abin da na taɓa mu'amala da shi, ya juya halin da ake ciki mai wahala, kamar a masana'antar zinc inda ya ƙara inganci sosai. Idan kana tunanin amfani da shi, daidaita shi da yanayinka—zafi, sinadarai, matsin lamba—kuma duba ƙayyadaddun bayanai daga kamfanoni kamar Saint-Gobain. Yana da kyakkyawar makoma yayin da muke neman hanyoyi mafi kyau kuma masu kare muhalli wajen yin abubuwa.