Trong lĩnh vực khoa học vật liệu rộng lớn, gốm silicon carbide đã trở thành “con cưng” của nhiều lĩnh vực công nghệ cao nhờ những đặc tính tuyệt vời như độ cứng cao, độ bền cao, độ ổn định nhiệt và độ bền hóa học tốt. Từ hàng không vũ trụ đến sản xuất chất bán dẫn, từ xe năng lượng mới đến máy móc công nghiệp, gốm silicon carbide đóng một vai trò không thể thiếu. Trong quá trình chế tạo gốm silicon carbide, phương pháp thiêu kết là yếu tố then chốt quyết định tính chất và phạm vi ứng dụng của nó. Hôm nay, chúng ta sẽ đi sâu vào quá trình thiêu kết silicon carbide và tập trung khám phá những ưu điểm độc đáo của phương pháp thiêu kết phản ứng.gốm silicon carbide.
Các phương pháp thiêu kết phổ biến cho silicon carbide
Có nhiều phương pháp thiêu kết silicon carbide khác nhau, mỗi phương pháp có nguyên lý và đặc điểm riêng.
1. Thiêu kết ép nóng: Phương pháp thiêu kết này bao gồm việc đặt bột silicon carbide vào khuôn, tạo áp suất nhất định trong khi gia nhiệt, để hoàn thành đồng thời quá trình đúc và thiêu kết. Thiêu kết ép nóng có thể thu được gốm silicon carbide đặc ở nhiệt độ tương đối thấp và trong thời gian ngắn, với kích thước hạt mịn và tính chất cơ học tốt. Tuy nhiên, thiết bị thiêu kết ép nóng phức tạp, chi phí khuôn cao, yêu cầu quy trình sản xuất nghiêm ngặt và chỉ có thể chế tạo các chi tiết có hình dạng đơn giản, dẫn đến hiệu suất sản xuất thấp, phần nào hạn chế việc ứng dụng quy mô lớn.
2. Thiêu kết áp suất khí quyển: Thiêu kết áp suất khí quyển là quá trình thiêu kết làm đặc silic cacbua bằng cách nung nóng đến 2000-2150℃ trong điều kiện áp suất khí quyển và khí trơ, bằng cách bổ sung các chất trợ thiêu kết thích hợp. Quá trình này được chia thành hai quá trình: thiêu kết thể rắn và thiêu kết pha lỏng. Thiêu kết pha rắn có thể đạt được mật độ silic cacbua cao, không có pha thủy tinh giữa các tinh thể và có các tính chất cơ học tuyệt vời ở nhiệt độ cao; thiêu kết pha lỏng có ưu điểm là nhiệt độ thiêu kết thấp hơn, kích thước hạt nhỏ hơn, độ bền uốn và độ dẻo dai của vật liệu được cải thiện. Thiêu kết áp suất khí quyển không hạn chế về hình dạng và kích thước sản phẩm, chi phí sản xuất thấp và các tính chất vật liệu toàn diện tuyệt vời, nhưng nhiệt độ thiêu kết cao và mức tiêu thụ năng lượng cao.
3. Thiêu kết phản ứng: SiC được P. Popper đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1950. Quy trình này bao gồm việc trộn nguồn cacbon và bột SiC, sau đó tạo thành vật liệu xanh bằng các phương pháp như ép phun, ép khô hoặc ép đẳng tĩnh lạnh. Sau đó, phôi được nung nóng đến nhiệt độ trên 1500℃ trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Tại thời điểm này, silic rắn tan chảy thành silic lỏng, thấm vào các lỗ rỗng chứa phôi thông qua hiện tượng mao dẫn. SiC lỏng hoặc hơi silic trải qua phản ứng hóa học với C trong vật liệu xanh, và β – SiC được tạo ra tại chỗ kết hợp với các hạt SiC ban đầu trong vật liệu xanh để tạo thành vật liệu gốm SiC thiêu kết phản ứng.
Ưu điểm của gốm sứ silicon carbide thiêu kết phản ứng
So với các phương pháp thiêu kết khác, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng có nhiều ưu điểm đáng kể:
1. Nhiệt độ thiêu kết thấp và chi phí kiểm soát được: Nhiệt độ thiêu kết phản ứng thường thấp hơn nhiệt độ thiêu kết khí quyển, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và yêu cầu hiệu suất nhiệt độ cao của thiết bị thiêu kết. Nhiệt độ thiêu kết thấp hơn đồng nghĩa với chi phí bảo trì thiết bị thấp hơn và giảm mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất, giúp giảm chi phí sản xuất hiệu quả. Điều này làm cho gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng có lợi thế kinh tế đáng kể trong sản xuất quy mô lớn.
2. Định hình gần kích thước lưới, thích hợp cho các cấu trúc phức tạp: Trong quá trình thiêu kết phản ứng, vật liệu hầu như không bị co ngót thể tích. Đặc tính này đặc biệt thích hợp để chế tạo các chi tiết kết cấu có kích thước lớn, hình dạng phức tạp. Cho dù là linh kiện cơ khí chính xác hay linh kiện thiết bị công nghiệp lớn, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng đều có thể đáp ứng chính xác các yêu cầu thiết kế, giảm các bước xử lý tiếp theo, nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời giảm thiểu tổn thất vật liệu và tăng chi phí do quá trình xử lý gây ra.
3. Độ cô đặc vật liệu cao: Bằng cách kiểm soát hợp lý các điều kiện phản ứng, quá trình thiêu kết phản ứng có thể đạt được độ cô đặc cao của gốm silicon carbide. Cấu trúc đặc này mang lại cho vật liệu những tính chất cơ học tuyệt vời, chẳng hạn như độ bền uốn và độ bền nén cao, cho phép vật liệu duy trì tính toàn vẹn cấu trúc ngay cả khi chịu tác động ngoại lực mạnh. Đồng thời, cấu trúc đặc cũng tăng cường khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của vật liệu, cho phép vật liệu hoạt động ổn định trong môi trường làm việc khắc nghiệt và kéo dài tuổi thọ.
4. Độ ổn định hóa học tốt: Gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng có khả năng chống axit mạnh và kim loại nóng chảy tuyệt vời. Trong các ngành công nghiệp như hóa chất và luyện kim, thiết bị thường xuyên phải tiếp xúc với nhiều môi trường ăn mòn khác nhau. Gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng có thể chống lại sự ăn mòn của các môi trường này một cách hiệu quả, đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường, giảm chi phí bảo trì và thay thế, đồng thời cải thiện tính liên tục và ổn định của sản xuất.
Có thể áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau
Với những ưu điểm này, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực thiết bị lò nung nhiệt độ cao, nó có thể chịu được môi trường nhiệt độ cao và đảm bảo hoạt động hiệu quả của lò nung; trong bộ trao đổi nhiệt, khả năng dẫn nhiệt và chống ăn mòn tuyệt vời của chúng khiến chúng trở thành lựa chọn vật liệu lý tưởng; trong các thiết bị bảo vệ môi trường như vòi phun khử lưu huỳnh, nó có thể chống lại sự ăn mòn của môi trường ăn mòn và đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của thiết bị. Ngoài ra, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng còn đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực cao cấp như quang điện và hàng không vũ trụ.
Gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng chiếm vị trí quan trọng trong dòng gốm silicon carbide nhờ những ưu điểm độc đáo. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ và quá trình tối ưu hóa liên tục, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng được tin tưởng sẽ chứng minh hiệu suất vượt trội trong nhiều lĩnh vực hơn, cung cấp nền tảng vật liệu vững chắc cho sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Thời gian đăng: 13-06-2025