مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

چکیده

روش های تولید و تحکیم بخشی به پودرهای سرامیکی نیمه پایدار و رسیدن به سرامیک های نانوساختار با دانسیته ی بالا (هم در سیستم های تک فازی و هم چند فازی)، در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. پودرهای نیمه پایداری که از طریق چگالش بخار و استحکام بخشی سریع تولید می شوند، با استفاده از روش های زینترینگ با کمک فشار و زینترینگ پلاسمایی- جرقه ای، زینتر می شوند. در تمام موارد، موفقیت در استحکام بخشی، افزایش کینتیک زینترینگ و مینیمم کردن رشد دانه می باشد. برای سرامیک های تک فازی یا نانوکریستالی، فشارهای بالا در گستره ی 1 تا 8 گیگا پاسکال، برای استحکام بخشی، مورد نیاز است (بدون آنکه رشد دانه رخ دهد). برای سرامیک های چند فازی و نانوکامپوزیتی، فشار مورد نیاز در گستره ی 0.1 تا 0.5 مگا پاسکال می باشد. این مسئله به دلیل این است که حضور یک نانوفاز موجب می شود تا از رشد نانوفاز مجاور، جلوگیری شود مخصوصا زمانی که کسرهای حجمی این فازها، قابل مقایسه باشند. از این رو، فرآوری سرامیک های نانوکامپوزیتی یک موضوع عملی تر می باشد. سرامیک های نانوکامپوزیتی همچنین در سرعت های کرنش بالا، از خود خاصیت سوپرپلاستیسیته نشان می دهند. این خاصیت یک فرصت بی نظیر برای شکل دهی اشکال شبه شبکه ای است. در ادامه در مورد مباحث مربوط به تکنولوژی فرآوری غیر تعادلی و مسائل مربوطه به آن، صحبت می کنیم.

مقدمه

برای بیش از یک دهه، محققین تلاش کرده اند تا سرامیک های نانوساختار را تحت کنترل خود در آورند. محرک ها برای این موضوع، این است که دانشمندان متوجه شده اند که با کاهش اندازه ی دانه ی سرامیک های تک فازی و چند فازی و رسیدن به مقیاس نانو، پتانسیل بهبود قابل توجه در خواص، وجود دارد. امروزه بررسی های انجام شده، از این پیش بینی ها، حمایت می کند مخصوصا در زمینه ی خواص مکانیکی. اگر چه بهبود خواص در سرامیک های با دانه های نانویی، قابل توجه است، قابلیت تشخیص این افزایش، با یک مانع دشوار، روبروست. وقتی نانوپودر سرامیکی با روش های زینترینگ متداول فرآوری می شوند، رشد سریع دانه به دلیل انرژی محرکه ی بالا (به دلیل ناحیه ی سطح بالا) رخ می دهد. بنابراین، نسبت سطح به حجم بالا که موجب بهبود خواص مکانیکی می شود، همچنین مسئول درشت شدگی اندازه ی دانه در طی زینترینگ می باشد. بنابراین، این سریعا قابل تشخیص است که در صورتی که بتوان رشد دانه در طی زینترینگ، کاهش یابد، امکان تولید بدنه های مناسب از طریق نانوسرامیک ها، قابل حصول می باشد.
دو روش برای جلوگیری از رشد دانه در طی زینترینگ، توسعه یافته است. یکی از این روش ها، برای سرامیک های تک فازی یا سرامیک های نانوکریستالی (NCs) و دیگری برای سرامیک های چند فازی و نانوکامپوزیت ها (NCCs) توسعه یافته است. اولین روش از پودر نانوسایز نیمه پایدار به عنوان ماده ی اولیه و از زینترینگ با فشار بالا برای توسعه ی یک NC استفاده می کند. به دلیل اینکه فشارهای مورد نیاز در این روش، در گستره ی 1 تا 8 گیگا پاسکال است، تنها تولید قطعات کوچک با این روش مقدور می باشد. روش دوم از پودر نانوسایز نیمه پایدار به عنوان ماده ی اولیه استفاده می کند و همچنین از زینترینگ با کمک فشار برای توسعه ی یک NCC استفاده می شود. در این مورد، نیاز به اعمال فشار کمتری است مخصوصا فشار مورد نیاز برای تولید قطعات با استفاده از این روش در گستره ی 0.1 تا 0.5 می باشد. به دلیل اینکه فشارهای موجود در این گستره، با تکنولوژی های پرس گرم امروزه، تطابق دارد، محدودیت عملی برای استفاده از این روش وجود ندارد. کارهای مشابهی که با استفاده از فرایند زینترینگ پلاسما- جرقه ای انجام شده است، نشان داده است که کامپوزیت های زینترشده، اندازه ی نانوسایز خود را حفظ می کند. در اینجا، مشکل رشد دانه با قرار گرفتن گذرای نانوپودر متراکم شده در یک دمای بالا، رفع می شود و با استفاده از آن، امکان ایجاد استحکام مناسب، وجود دارد در حالی که از رشد دانه ها، جلوگیری می شود.
در کارهای اولیه که بر روی تولید NC ها انجام شده است، مواد اولیه، نانوپودرهای با مساحت سطح بالا هستند. این پودرها با استفاده از روش چگالش گازی (IGC)، چگالش بخار شیمیایی (CVC) و رسوب دهی از حالت محلول (SP) تولید شده اند. به طور خلاصه باید گفت که در فرایند IGC، یک منبع فلزی در داخل یک بوته قرار داده می شود و با استفاده از حرارت دهی یا پلاسما، تبخیر می شود. نانوذرات فلزی در نزدیکی منبع تبخیر و با استفاده از کوئنچ جریان بخار بوسیله ی یک جریان گاز سرد کننده، تشکیل می شوند. نانوذرات اکسیدی نیز با استفاده از اعمال عملیات اکسیدکنندگی اضافی بر روی نانوذرات، تولید می شوند. در فرایند CVC، نانوذرات اکسیدی به طور مستقیم و با تجزیه یک یا چند پیش ماده ی ارگانوفلزی در محفظه ی شعله، تشکیل می شوند. این عملیات در محیط با فشار پایین کار می کند. در فرآوری SP، روش های مختلفی برای تولید نانوذرات فلزی اکسیدی، کشف شده است. در این روش، نانوذرات از رسوب دهی مستقیم از حالت محلول آبی یا آلی، تولید می شوند. در تمام این موارد، نانوپودرهای با خلوص بالا تولید می شود که توزیع اندازه ی ذرات آنها و همچنین میزان آگلومره شدن در آنها مختلف است. برای اهداف استحکام بخشی، یک نانوپودری مورد نیاز است که کلوخه ای نشده باشد در غیر این صورت، تراکم پودرها موجب پدید آمدن تخلخل های بزرگ در میان کلوخه های نانوذره ای می شود. این تخلخل ها در طی زینترینگ، به سختی از بین می روند. یک آزمون ساده برای اطمینان حاصل کردن از این موضوع که پودر نانوسرامیکی متراکم شده، دارای خواص مناسبی هستند، بررسی میزان شفافیت آن است. وقتی آگلومره ایجاد نمی شود و یا میزان این آگلومرها اندک باشد، نانوپودر متراکم شده درست بعد از انجام فرایند متراکم سازی،‌ شفاف است. علت این مسئله این است که نانوتخلخل ها به حدی کوچک هستند که نور مرئی را متفرق نمی کنند.
در این مقاله، روش های تولید و استحکام بخشی پودرهای شبه پایدار تک جزئی یا چند جزئی، توصیف شده اند. البته تمرکز بر روی فرآوری پودرهای چند جزئی است. علت این تمرکز این است که NNC ها دارای اهمیت فنی بالایی هستند. در تولید پودر، از یک مشعل قوس پلاسمایی و پودر از بخش تغذیه،‌ به داخل آن وارد می شود. یکی از نیازمندی های در این سیستم ها،‌ ذوب شدن و هموژن شدن پودر مورد استفاده می باشد. استفاده از این فرایند ذرات می توانند پیش از کوئنچ شدن، به طور کامل استحاله بدهند و به حالت شبه پایدار تبدیل شوند. در استحکام بخشی پودر، یکی از نیامندی ها، کنترل استحاله ی شبه پایدار به پایدار در طی زینترینگ، است. علت این موضوع این است که این مسئله یکی از جنبه های کلیدی در تولید ساختار NCC با دانسیته ی کامل و یکنواخت است. یکی دیگر از گزینه ها، استفاده از یک ایروسل تشکیل شده از پیش ماده ی محلول به عنوان ماده ی تغذیه شده به سیستم، می باشد. در این مورد، ذرات شبه پایدار با اندازه های زیرمیکرون و نانویی تشکیل می شود. به طور نمونه وار، یک چنین پودرهایی قبل از استحکام بخشی، نیاز به فرآوری اضافی دارند. به هرحال، یکی از مزیت های روش ایروسل امکان استفاده از نمک های ارزان قیمت محلول در آب به عنوان پیش ماده،‌ می باشد.
وقتی این روش به طور کامل مورد بررسی قرار گیرد، می توان از آن برای تولید گستره ی وسیعی از مواد، مانند اکسیدها، غیر اکسیدی ها و سرمت ها، استفاده کرد. این مسئله در ادامه که در مورد مزیت های استفاده از فرایند پلاسمایی محافظت شده، در تولید پودرهای یا رسوبات نانوساختار صحبت می کنیم، روشن می شود. نکته ی مهم وجود یک محیط فعال کنترل شده،‌ می باشد به نحوی که تولید کاربیدها، نیتریدها یا بریدها با استفاده از فرآوری در محیط کنترل شده، وجود دارد. برای مثال، فرآوری با استفاده از پلاسمای محافظت شده در یک محیط کربوریزه کننده می تواند برای تولید پودر WC/Co به طور مستقیم از یک پیش ماده ی محلول وجود دارد. این مسئله در تکنولوژی فرآوری با استفاده از اسپری (SCP) که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد، حاصل نمی شود.
در طی دهه ی گذشته، یک گستره ی وسیع از کاربرد نانوپودرهای فلزی و سرامیکی توسعه یافته است. این زمینه ها عبارتند از افزودنی های مورد استفاده در مایعات مورد استفاده در انتقال حرارت و پراکنده سازهای مورد استفاده در پلیمرها، می باشد. برای کاربردهای ساختاری عمومی تر NNC های بالک، وقتی مقادیر در حد توناژ از پودرهای اولیه ی شبه پایدار،‌ مورد نیاز باشد، این اعتقاد وجود دارد که استفاده از فرایند اسپری پلاسمایی محافظت شده، بهترین گزینه می باشد. در غیر اینصورت، این مسئله باید تذکر داده شود که روش پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) و SPS هر دو روش های مناسبی برای استحکام بخشی به سرامیک هاست. در این زمان، استحکام بخشی پودر با استفاده از HIP بهترین گزینه می باشد و پرس های با ظرفیت بالا به صورت تجاری وجود دارد. تاکنون تنها نمونه های آزمایشگاهی از NCC تولید شده و مورد ارزیابی قرار گرفته اند. با وجود این، یکی از دلایل متقاعد کننده به دلیل قابلیت شکل پذیری سوپرپلاستیک NCC هاست. این اثر نتیجه ای از مقاومت دانه های NCC ها در برابر درشت شدن می باشد. این مسئله مخصوصا هنگامی که کسرهای حجمی فازهای تشکیل دهنده قابل مقایسه باشد. به دلیل وجود مزیت های اقتصادی در تولید اشکال شبه شبکه ای از NNC ها، چالش مقیاس تولید با استفاده از این تکنولوژی، هم اکنون وجود دارد.

تولید پودرهای شبه پایدار

تولید فازهای شبه پایدار با استفاده از روش های فرآوری انجماد سریع، به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. بسیاری از روش های فرآوری برای فلزات ابداع شده است اما روش های اندکی اندکی برای سرامیک ها توسعه یافته است. علت این موضوع، بالا بودن نقطه ی ذوب مواد سرامیکی است. در اینجا، ما یک فرایند اسپری پلاسمایی اصلاح شده را توصیف می کنیم که بوسیله ی آن، امکان تولید پودرهای سرامیکی اصلاح شده جود دارد. این روش ها به طور قابل ملاحظه ای به ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن بستگی دارد. با استفاده از این روش، می توان ساختارهای شبه پایدار مختلفی تولید کرد. همانگونه که نشان داده خواهد شد، با استفاده از یک پودر سرامیکی کلوخه ای شده ی معمولی به عنوان ماده ی اولیه، پودرهای سرامیکی تولید می شوند که از ذرات شبه پایدار با اندازه ی میکرونی، تشکیل شده است. این تفاوت اندازه، اثر مهمی بر روی انتخاب پارمترهای زینترینگ دارد. عموما، استفاده از پودرهای با اندازه ی میکرونی، آسان تر است زیرا پودرهای میکرونی دارای مساحت سطح کمتری هستند و از این رو، این پوردها، برخورد کمتری با بخارات آب و سایر ناخالصی ها دارند. پودرهای با اندازه ی میکرونی اجازه ی پدید آمدن جریان آزاد سرامیک را می دهد به نحوی که دانسیته ی متراکم شوندگی بیشتری،‌ پیش از زینترینگ، ایجاد می شود.

اسپری پلاسمایی معمولی

در یک دستگاه پوشش دهی پلاسمایی (شکل 1a)،یک پودر سرامیکی (با اندازه ی بین 20 تا 50 میکرون) به داخل یک پلاسمای با آنتپی بالا،‌ وارد می شود و ذرات ذوب می شوند. این ذوب شدگی، پیش از رسیدن ذرات به زیرلایه، انجام می شود. تخلخل باقیمانده با استفاده از کنترل فرایند،‌ قابل کنترل می باشد. در واقع توانایی تولید پوشش هایی با تخلخل 2 % نیز ممکن است با اینکه رسوبات با استفاده از قرارگیری ذرات سرد شده بر روی هم ایجاد می شوند. به دلیل انجماد سریع ذرات در طی فرایند کوئنچ، بخش بزرگی از ذرات به صورت غیر تعادلی و در واقع شبه پایدار، هستند. عموما، پودر تغذیه شده،‌ از آگریگیت های دو یا چند فازی، تشکیل شده اند. از این رو، یک رسوب شبه پایدار یکنواخت تنها وقتی ایجاد می شود که زمان رسیدن ذره ی ایجاد شده در پلاسما به سطح برای ذوب شدن و هموژن شدن تمام ذرات (پیش از کوئنچ)،‌ مناسب باشد. برای دلایل اشاره شده در بالا، این به ندرت اتفاق می افتد که یک پوشش تولید شده با اسپری پلاسمایی دارای ساختار هموژنی باشد. در این پوشش ها، ساختار از ذرات ذوب نشده یا به صورت جزئی ذوب شده ای،‌ تشکیل شده اند که در داخل زمینه ای یکنواخت قرار گرفته اند. این زمینه از بخشی تشکیل شده است که ابتدا به طور کامل ذوب و در نهایت کوئنچ شده است. در حالت دیگری از عملکرد که به آن متراکم شدن پلاسمایی می گویند، ذرات ذوب شده در پلاسما، در داخل یک حمام آب، سرد می شوند (شکل 1b). یک چنین پودری به عنوان ماده ی تغذیه شده به داخل پلاسما،‌ مورد استفاده قرار می گیرد و بعد از وارد شدن و هموژن شدن آن، پوششی پر دانسیته و هموژن تشکیل می شود که بواسطه ی این فرایند، خواص و کارایی، بهبود می یابد.

ذرات ذوب شده ی در حال کوئنچ شدن، با وارد شدن به داخل آب، سرعت سرمایشی در حدود

را تجربه می کنند. و در داقع ذرات کوچک تر، سرعت سرمایش بالاتری را تجربه می کنند. به عبارت دیگر، کوئنچ کردن ذرات مذاب بر روی یک صفحه ی خنک کننده ی کوچک از جنس مس، سرعت سرمایشی برابر با

ایجاد می کند. بر اساس نوع فرایند سرمایش، اثر فرایند بر روی ایجاد ساختارهای شبه پایدار نیز تغییر می کند. ساختار تشکیل شده ممکن است از فازهای محلول و تغییر شکل یافته، فازهای میانی شبه پایدار و فاز شیشه ای، تشکیل شده باشند. همانگونه که در شکل 2 دیده می شود، سرعت سرمایش بالا، برای تولید فازهای شبه پایدار جدید،‌ ضروی است. به عبارت دیگر، نسبت G/R بالا (T=GR، G گرادیان دمایی و R سرعت انجماد است) که برای ایجاد انجاد صفحه ای مناسب است، موجب پدید آمدن فاز محلول جامد توسعه یافته می شود. به عبارت دیگر، ساختارهای سلولی و دندریتی در نسبت های G/R پایین ایجاد می شوند. در بسیاری از سیستم های سرامیکی، کوئنچ کردن ذرات مذاب در آب، برای ایجاد یک حالت شبه پایدار هموژن، کافی است. وقتی این مسئله بوجود نیاید، کوئنچ کردن بر روی صفحات مسی آب گرد، برای حصول سرعت سرمایش بالاتر،‌ مورد استفاده قرار می گیرد.

قابلیت تشکیل فاز شبه پایدار با انجماد سریع نه تنها به سرعت سرمایش بستگی دارد،‌ بلکه همچنین به ترکیب شیمیایی نیز وابسته است. عموما سیستم های سرامیکی به سهولت بیشتری نسبت به سیستم های فلزی، به حالات شبه پایدار تبدیل می شوند. برای مثال در تکنولوژی فرآوری شیشه- سرامیک ها، کامپوزیت های بر پایه ی سیلیس، حتی در هنگام استفاده از سرعت های سرمایش پایین،‌ هنوز هم حالت شیشه ای خود را حفظ می کنند. به هر حال، برای بیشتر سیستم های سرامیکی مورد نظر، آمورف شدن یا شیشه ای شدن به سهولت ایجاد نمی شود. در عوض، اثر انجماد سریع ایجاد محلول جامد یا فاز میانی شبه پایدار است که معمولا با جدایش فازی همراه است. برای هدف کنونی، این مسئله ایده آل نیست زیرا نیازمندی اصلی، بدست آوردن ساختار NCC کاملا یکنواخت با کمک زینترینگ تحت فشار می باشد. در واقع در این فرایند، مواد اولیه باید از لحاظ شیمیایی،‌ هموژن باشند. از این رو، عموما، یک پودر آمورف یا شیشه ای، ترجیح داده می شود زیرا در این مواد، همو‍ژن بودن ساختار،‌ حتمی است. در این مورد، یک اثر مثبت دیگر تغییر منفی حجم آزاد است که با تجزیه ی فازی اتفاق افتاده در حین پرس گرم، همراه است. این مسئله تشکیل ساختار NCC را تسهیل می کند.
یک فاز محلول جامد با ساختار سلولی که دارای جدایش در مقیاس ریز می باشد، در پودر

کوئنچ شده در آب،‌ مشاهده شده است (شکل 3a). به دلیل گستره ی ذوب وسیع در این ترکیب، تحت تبرید ایجاد شده در حین کوئن،‌ به حدی نیست که بتواند از جدایش سلولی،‌ جلوگیری کند،‌ اما برای ایجاد حالت شبه پایدار، کافی است. بنابراین، در این مورد، حالت بعد از کوئنچ، از یک فاز زیرکونیای تتراگونال شبه پایدار تشکیل شده است. این ساختار از لحاظ ترکیب شیمیایی، ساختاری سلولی است. وقتی سرعت سرمایش با استفاده از صفحه ی مسی آبگرد، افزایش یابد، فاز تشکیل شده به صورت نانوکامپوزیت شبه پایداری است که از ذرات غنی از اکسید زیرکونیوم تشکیل شده که این ذرات در داخل زمینه ای غنی از آلومینا،‌ قرار گرفته اند. شکل 4 مربوط به جوانه زنی نانوذرات غنی از زیرکونیا در یک مذاب با دمای پایین تر نسبت به دمای ذوب می باشد. این نقطه در نقطه ی نیمه جامد دیاگرام فازی واقع شده است.

یک پودر با ساختار سلولی و جدایش یافته از فاز شبه پایدار، برای اهداف استحکام بخشی، مفید نمی باشند. زیرا بعد از تجزیه ی فازی متعاقب، توزیع فازهای تعادلی (

) ضرورتا انعکاس دهنده ی مقیاس ساختار جدایش یافته نیست. این اثر در شکل 3b نشان داده شده است. در این تصویر مشاهده می شود که جوانه زنی فاز تعادلی

در زمینه ی غنی از زیرکونیا، اتفاق افتاده است. تجزیه ی دیگری که در دماهای بالاتر رخ می دهد، ایجاد ساختار میکروکامپوزیتی دو فازی و یکنواخت است که شامل 30 %‌حجمی

در داخل فاز زمینه ی

است (شکل 3c). در این مورد، برای دستیابی به ساختار نانوکامپوزیتی حقیقی، ضروری است تا از پودر شبه پایداری استفاده کنیم که حالت کلوخه ای نباشد. کار بهتری که می توان برای این ترکیب خاص‌،‌ انجام داد، استفاده از پودرهای سرد شده بر روی صفحات رساناست (شکل 4). سایر ترکیبات این سیستم، مخصوصا آن ترکیباتی که به نقطه ی یوتکتیک نزدیک ترند، با اعمال کوئنچ سریع، مستعد آمورف شدن هستند و بنابراین، برای استفاده به عنوان ماده ی اولیه برای ساخت ساختار NCC مناسبند.

یک رفتار مشابه در پودر

مشاهده شده است. بعد از تجزیه ی فازی، یک نانوکامپوزیت سه فازی ایجاد می شود که در آن فازهای تشکیل دهنده (

) دارای کسرهای قابل توجهی هستند (40:30:30). شکل 5 یک چنین ساختاری را که در دمای بالا، در برابر درشت شدن، ممانعت می کند را نشان می دهد. در این ساختارها،‌ وجود یک فاز موجب می شود تا فازهای مجاور رشد نکنند. همانگونه که قبلا گفته شد چنین پایداری حرارتی در NCC ها بسیار مورد توجه می باشد. همچنین یکی دیگر از ویژگی های این ساختارها، سوپرپلاستیسیته در دمای بالاست. این ویژگی فرصت جدیدی برای شکل دهی NCC ها ایجاد می کند.

اسپری پلاسمایی محافظت شده

وقتی اسپری پلاسمایی معمولی برای تولید پودر یا رسوبات شبه پایدار، مورد استفاده قرار می گیرند، یک چالش خاص این است که اطمینان حاصل کنیم تمام ذرات تغذیه شده به سیستم، به طور کامل ذوب شده و قبل از سرد شدن، هموژن شوند؛ به نحوی که یک محصول شبه پایدار یکنواخت تولید شود. طبیعت این مشکل در شکل 1a و 1b نمایش داده شده است. این تصاویر نشاندهنده ی این است که ذرات مختلف وارد شده به سیستم، مسیرهای مختلفی را در پلاسما طی می کنند بنابراین، میزان حرارت مختلفی را دریافت می کنند. یک راه برای حل این مشکل، پلاسما اسپری کردن پودر به تعداد 2 تا چند بار می باشد اما این کار نیز خسته کننده و گران قیمت است.
برای برطرف کردن این موضوع، ما یک سیستم پلاسمایی محافظت شده،‌ توسعه دادیم که در شکل 1c قابل مشاهده است. این سیستم قادر است تا ذرات تغذیه شده به آن را به طور کامل ذوب کند. این کار با استفاده از افزایش زمان قرار گیری ذرات در داخل شعله ی پلاسما، انجام می شود. در این طراحی، یک پوشش مسی آب گرد به همراه یک لاینر سرامیکی مقاوم در برابر حرارت، مورد استفاده قرار می گیرد. این بخش توانایی تحمل دماهای بالا را در زمان طولانی دارا می باشند. یک چنین سیستمی قادر است تا بدون توجه به نوع فاز و ماده ی مورد استفاده،‌ آن را ذوب نموده و به صورت یک ماده ی هموژن در آورد. در یک پیکربندی، سه واحد تغذیه با تقارن محوری، پودر پیش ماده را به داخل نقطه ی واکنش (محل پلاسما) وارد می کند. دراین نقطه، ذوب سریع ذرات سرامیکی، رخ می دهد. برای بدست آوردن یک اثر بهینه، شعله ی پلاسما بواسطه ی تغییر جریان مواد ورودی به داخل آن، تغییر مسیر و تغییر شکل می دهد به نحوی که یم نقطه ی واکنش، ایجاد می شود. در پیکربندی دیگر، می توان یک واحد تغذیه ی محوری استفاده کرد که در آن پودر پیش ماده به داخل نقطه ی واکنشی وارد می شود که این نقطه ی واکنشی از همگرایی سه مشعل پلاسما،‌ تشکیل شده است. هر دو سیستم برای تولید پودرهای سرامیکی شبه پایدار، مورد استفاده قرار می گیرد. به هر حال، در این زمان، این به نظر می رسد که یک مشعل قوس پلاسمایی با تغذیه ی محوری سه تایی، به همراه یک محافظ (مشابه با طراحی قبلی)، بهترین گزینه برای تولید انبوه پودرهای شبه پایدار یا رسوبات سرد شده،‌ می باشد.
با محافظت کردن پلاسما در یک تیوب سرامیکی مقاوم در برابر حرارت، انرژی حرارتی در داخل این تیوب، حفظ شده و حرارت این محفظه سریعا بالا می رود. وقتی بخش خارجی تیوب به طور مداوم خنک سازی شود، یک گرادیان دمایی یکنواخت در دیواره ی تیوب،‌ ایجاد می شود. بنابراین،‌ در حقیقت، این واحد تولید به صورت یک رآکتور با دیواره ی گرم، تبدیل می شود. استفاده از آنتالپی بسیار بالا در داخل شعله ی پلاسمایی به خودی خود و وجود انرژی رادیانی از دیواره ی داغ رآکتور، موجب می شود تا فرآوری مناسبی از ماده،‌ ایجاد شود و تقریبا تمام مواد وارده به رآکتور از جمله اکثر سرامیک های دیرگداز،‌ در این رآکتور،‌ ذوب می شوند.
یک وی‍ژگی این فرایند که فرایند پلاسمایی- تابشی (RCP) نامیده می شود، حرارت دهی سریع آستری سرامیکی تیوبی با استفاده از این پلاسماست به گونه ای است که، دمای قابل توجهی در دیواره ایجاد می شود. با استفاده از پودرهای سرامیکی دو یا چند فازی به عنوان ماده ی اولیه، و تنظیم پارامترهای فرایند RCP ،‌ امکان ایجاد ذرات مذاب هموژن، پیش از سرد کردن،‌ وجود دارد. همانگونه که در بالا، ‌بدان اشاره شد، کوئنچ کردن در آب، روشی مناسب برای تولید پودرهای هموژن شبه پایدار است. وقتی این روش کار ندهند،‌ امکان استفاده از صفحات دوار مسی جهت خنک سازی، وجود دارد. برای انجام این عمل، ذرات مذاب بر روی صفحه ی مسی چرخنده، ریخته می شود و به سرعت سرد می شود. گزینه ی دیگر، این است که پارامترهای اسپری را به گونه ای تنظیم کنیم که یک رسوب ضخیم ایجاد شود. چرخش یا انتقال زیرلایه در این سیستم می تواند تولید پودرهای یکنواخت و شبه پایدار را تضمین کند.
وقتی کنترل بهتری بر روی محیط گازی در فرایند RCP نیاز باشد، پس رآکتور پلاسمایی محافظت شده در داخل یک رآکتور آب گرد فولادی قرار داده می شود. در ساده ترین مورد، این محفظه به طور جزئی در داخل حمام آب وارد می شود که دمایی برابر با دمای محیط دارد. بنابراین، یک محیط خنثی به سرعت در داخل محفظه ایجاد می شود. به طور جایگزین، فرآوری ماده می تواند در داخل یک محفظه ی بسته انجام شود به نحوی که پودر بر روی دیواره ی سرد محفظه یا در بخش جمع کننده ی خارجی،‌ جمع آوری شود. به طور واضح باید گفت، یک محیط خنثی، در زمانی لازم است که در حال فرآوری سرامیک های غیر اکسیدی مانند کاربیدها، بریدها، نیتریدها و ... باشیم. این مواد در داخل هوا،‌ اکسید می شوند.

اسپری پلاسمایی از حالت محلول

در روشی دیگر، یک پیش ماده ی محلول جایگزین پودر پیش ماده، می شود. مشوق استفاده از این روش، هزینه ی نسبتا پایین پیش ماده های مورد استفاده در این روش، انعطاف پذیری بیشتر فرایند و سهولت فرآوری پودرهای شبه پایدار با استفاده از این روش است. به طور نمونه وار، پیش ماده ی محلول از یک محلول آبی یا آلی تشکیل شده است که در داخل آن نمک هایی مانند نیتریدها، استات ها،‌ کلریدها،‌فسفات ها و ... حل شده اند. به هر حال،‌ اگر پودرهای شبه پایدار با خلوص بسیار بالا،‌ مد نظر باشد، پیش ماده های ارگانومتالیک یا آلی- فلزی،‌ مورد استفاده قرار می گیرد.
استفاده از پیش ماده ی محلول- ایروسل به عنوان ماده ی اولیه در فرایند اسپری پلاسمایی منجر به تولید پودرهای با اندازه ی نانویی می شود. هر نوع پودری که با روش خاص خود تولید می شود، دارای کاربرد خاص خود است. نوع فرایند را معمولا اندازه ی ذره ی مورد نیاز، خلوص و هزینه تعیین می کند. در یک کاربرد، پوشش سرامیکی نانوساختار با استفاده از اسپری کردن پیش ماده ی محلول- ایروسل بر روی زیرلایه ی حرارت داده شده با پلاسما،‌ ایجاد می شود. یک پوشش یا رسوب با دانسیته ی نسبتا بالا با استفاده از روش زینترینگ درجای محصولات حاصل از تجزیه ی پیش ماده بر روی سطح زیرلایه ی حرارت داده شده،‌ تولید می شود. به طور نمونه وار، ماده ی اسپری شده، دارای ساختار هموژن و شیشه ای است که از کسر نسبتا کوچکی از آن را ماده ی کوئنچ شده ای تشکیل شده است که در داخل فاز زمینه ای زینترشده،‌ قرار گرفته اند. همچنین باید گفت که مواد اسپری شده دارای خواص قابل توجهی هستند مثلا مقاومت در برابر ایجاد ترک در این مواد،‌ عالی است. این مسئله منجر به تولید پوشش های می شود که مقاومت در برابر سایش و سایر خواص آنها نیز قابل توجه می باشد.
یکی از پارامترهای حیاتی در فرایند اسپری پلاسمایی از حالت محلول، سرعت ایروسل می باشد. این مسئله به دلیل این است که سرعت پایین ایروسل، بر روی آنتالپی بالای پلاسما،‌ اثر می گذارد به نحوی که تبخیر تمام اجزای پیش ماده اتفاق می افتد. نانوذرات شبه پایدار در زمانی ایجاد می شود که جریان بخار به سرعت در آب سرد یا صفحه ی خنک کننده، کوئنچ شود. به طور نمونه وار، نانوذرات تولید شده دارای ساختار کریستالی شبه پایداری هستند اما ترکیب آنها حالتی آمورف یا نانوکریستالی دارند. به هر حال، سرعت های تولید به نسبت بالا نمی باشد. این مسئله همچنین قابل اجراست که سرعت تزریق به گونه ای باشد که ذرات به جای تبخیر شدن،‌ ذوب شوند. در حالتی که مذاب ایجاد می شود، پودر شبه پایدار با استفاده از انجماد سریع،‌ تولید می شود. در عوض، وقتی سرعت تغذیه، بالا باشد، پلاسما دمایی پایین تر دارد به نحوی که میزان پیرولیز پیش ماده، قابل تغییر می باشد. محصول پودری تولید شده بواسطه ی پیرولیز معمولا دارای ساختار آمورف است یا نسبتا کریستالی است. علت این مسئله، حفظ برخی از اجزای پیش ماده، می باشد. به دلیل اینکه در این روش، انرژی پلاسما صرف ذوب پیش ماده می شود،‌ نه تبخیر آن، این روش می تواند سرعت تولید بالاتری داشته باشد.
در هنگامی که سیستم در حالت تبخیر کار می کند، یکی دیگر از گزینه ها، اتصال یک نازل سوپرسونیک در انتهای محافظ می باشد. نانوذرات شبه پایدار در این روش با انجماد سریع نمونه های تبخیر شده در یک نقطه ی سرمایشی بی هوازی در نزدیکی خروجی نازل،‌ تولید می شوند. بهتر است نانوذرات بر روی دیواره های سرد محفظه جمع آوری شوند تا از هیدرولیز سطحی در هنگام استفاده از آب، جلوگیری شود. برای بیشتر سیستم های سرامیکی، این ضروری است که از برخورد نانوپودر با بخار آب یا سایر آلودگی ها، جلوگیری شود. زیرا با برخورد آنها به پودر امکان تخریب و آلوده شدن آن را ممکن می سازد.

استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.