کاربید سیلیکون (SiC)، به عنوان یک ماده تقویت‌کننده با کارایی بالا، در پوشش‌های نچسب تفلون (پلی تترافلوئورواتیلن، PTFE) عمدتاً برای بهبود استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر سایش و عمر مفید پوشش، ضمن حفظ مقاومت نچسب و شیمیایی اصلی PTFE، استفاده می‌شود. اصول کاربرد و روش‌های اجرای خاص آن در زیر آمده است:
نقش اصلی: افزایش عملکرد پوشش،
بهبود مقاومت در برابر سایش
پوشش PTFE خالص نرم است و به راحتی توسط ظروف فلزی خراشیده می‌شود. پس از افزودن کاربید سیلیکون (به ویژه ذرات نانو یا میکرونی)، سختی فوق العاده بالای آن (سختی موهس 9.2، که تنها پس از الماس است) یک “تکیه گاه اسکلتی” تشکیل می‌دهد که مقاومت خراش پوشش را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد.
اثر: عمر پوشش را می‌توان ۳ تا ۵ برابر افزایش داد، مناسب برای ظروف آشپزخانه با دفعات استفاده بالا (مانند قابلمه‌های نچسب) یا تجهیزات صنعتی.
افزایش چسبندگی:
PTFE نیروی پیوند ضعیفی با زیرلایه فلزی دارد. ذرات کاربید سیلیکون از طریق لنگر فیزیکی در ریزمنافذ سطح زیرلایه قرار می‌گیرند و نیروی مکانیکی بین پوشش و زیرلایه را افزایش می‌دهند.
هماهنگی فرآیند: ابتدا باید زیرلایه سندبلاست یا اچ شیمیایی شود تا سطحی ناهموار تشکیل شود و ذرات کاربید سیلیکون و زیرلایه یک ساختار در هم تنیده تشکیل دهند.
رسانایی حرارتی بهبود یافته:
PTFE خالص رسانایی حرارتی ضعیفی دارد (حدود 0.25 W/m·K) که منجر به گرمایش ناهموار می‌شود. کاربید سیلیکون رسانایی حرارتی بالایی دارد (120-490 W/m·K) که می‌تواند رسانایی حرارتی کلی پوشش را بهبود بخشد.
اثر: جلوگیری از تجزیه پوشش ناشی از گرمای بیش از حد موضعی و افزایش طول عمر (به ویژه مناسب برای اجاق گازهای با دمای بالا).
مراحل کلیدی در فرآیند کاربرد
: پیش تصفیه کاربید سیلیکون
برای افزایش سازگاری با PTFE و جلوگیری از تجمع، ذرات باید از نظر سطحی اصلاح شوند (مانند پوشش عامل اتصال سیلان).
کنترل اندازه ذرات: معمولاً از ذرات ۱ تا ۱۰ میکرون استفاده می‌شود. ذرات خیلی ریز (در مقیاس نانو) به راحتی تجمع می‌یابند و ذرات خیلی درشت بر صافی پوشش تأثیر می‌گذارند.
پراکندگی و اختلاط:
کاربید سیلیکون اصلاح‌شده به طور یکنواخت در امولسیون PTFE (مبتنی بر آب یا حلال) پراکنده می‌شود و برای اطمینان از عدم تجمع، از برش با سرعت بالا یا عملیات اولتراسونیک استفاده می‌شود.
نسبت افزودن معمول: ۵٪ – ۱۵٪ (نسبت وزنی)، مقدار بیش از حد، خواص نچسبی را کاهش می‌دهد.
پاشش و پخت:
پس از اینکه دوغاب مخلوط روی زیرلایه (مانند یک ظرف آلومینیومی) پاشیده شد، باید در دمای بالا (دمای ذوب PTFE حدود ۳۲۷ درجه سانتیگراد) تفجوشی شود.
کاربید سیلیکون در طول پخت پایدار می‌ماند (مقاومت حرارتی > 1600 درجه سانتیگراد) و در ماتریس PTFE جاسازی می‌شود تا یک ساختار کامپوزیتی تشکیل دهد.
چالش تعادل عملکرد
ویژگی‌ها پوشش PTFE خالص پوشش PTFE تقویت‌شده با کاربید سیلیکون راه‌حل
عملکرد نچسب عالی کمی کاهش‌یافته کنترل میزان افزودن ≤15٪
مقاومت در برابر سایش ضعیف بهبود 3-5 برابر بهینه سازی توزیع اندازه ذرات
ضخامت پوشش نازک (20-30μm) نیاز به ضخیم شدن تا 40-60μm فرآیند پاشش چند لایه
صافی سطح زیاد ممکن است زبر شود سطح پوشیده شده با یک لایه نازک از PTFE خالص (پوشش دوگانه)
فناوری پوشش دوگانه:
زیرلایه → لایه زیرین PTFE حاوی کاربید سیلیکون (چسبندگی و مقاومت در برابر سایش افزایش یافته) → لایه سطحی PTFE خالص (تضمین عملکرد نچسب)
سناریوهای کاربردی معمول:
ظروف آشپزخانه لوکس:
تابه‌های نچسب، سینی‌های پخت و غیره، که در معرض خراشیدگی مکرر با کفگیرهای فلزی هستند.
قطعات صنعتی:
یاتاقان‌ها، سطوح آب‌بندی شیرآلات، باید در برابر خوردگی و سایش مقاوم باشند.
پوشش جداکننده قالب:
قالب‌های قالب‌گیری لاستیکی/پلاستیکی، چسبندگی را کاهش داده و چرخه‌های تمیزکاری را طولانی‌تر می‌کنند.
مقایسه سایر پرکننده‌های تقویت‌کننده
نوع پرکننده مزایا محدودیت‌ها سناریوهای قابل اجرا
کاربید سیلیکون سختی فوق‌العاده بالا، رسانایی حرارتی بالا هزینه بالا، ته‌نشینی آسان محیط مقاوم در برابر دمای بالا و سایش
گرافن روان‌کنندگی فوق‌العاده پراکندگی دشوار، هزینه بسیار بالا پوشش با کیفیت بالای آزمایشگاهی الیاف
شیشه هزینه کم، چقرمگی کاهش عدم چسبندگی قطعات صنعتی در دمای پایین
نیترید بور روان‌کنندگی خوب رسانایی حرارتی پایین‌تر از SiC پوشش روان‌کننده در دمای متوسط
ملاحظات زیست‌محیطی و ایمنی
ایمنی مواد غذایی:
کاربید سیلیکون به خودی خود غیرسمی است (دارای گواهینامه FDA)، اما لازم است اطمینان حاصل شود که ذرات به طور کامل با PTFE پوشانده شده‌اند تا از ریزش جلوگیری شود.
پایداری در دمای بالا:
قبل از دمای تجزیه PTFE (بیش از ۴۰۰ درجه سانتیگراد)، کاربید سیلیکون واکنش نشان نمی‌دهد و هیچ ماده مضری آزاد نمی‌شود.
خلاصه
کاربید سیلیکون به عنوان یک “زره نامرئی” در پوشش‌های تفلون عمل می‌کند و نقص‌های مکانیکی PTFE را از طریق مکانیسم‌های تقویت فیزیکی جبران می‌کند، در حالی که فرآیند پوشش دوگانه، مقاومت در برابر سایش و عدم چسبندگی را متعادل می‌کند. کاربرد آن، جوهره طراحی مواد کامپوزیت را در بر می‌گیرد – دستیابی به راه‌حل بهینه بین خواص متضاد (مانند سختی در مقابل روانکاری)، که در نهایت عمر مفید پوشش‌های PTFE را در محیط‌های سخت افزایش می‌دهد.