Trong lĩnh vực khoa học vật liệu rộng lớn, gốm silicon carbide đã trở thành “ngôi sao” của nhiều lĩnh vực công nghệ cao nhờ các đặc tính tuyệt vời như độ cứng cao, độ bền cao, độ ổn định nhiệt và độ ổn định 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 vai trò không thể thiếu. Trong quá trình chế tạo gốm silicon carbide, phương pháp thiêu kết là yếu tố then chốt quyết định các đặc tính và phạm vi ứng dụng của nó. Hôm nay, chúng ta sẽ đi sâu vào quá trình thiêu kết silicon carbide và tập trung vào việc 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 cacbua silic
Có nhiều phương pháp thiêu kết silicon carbide khác nhau, mỗi phương pháp đều 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, áp dụng một áp suất nhất định trong khi nung nóng, để hoàn thành đồng thời quá trình tạo hình và thiêu kết. Thiêu kết ép nóng có thể thu được gốm silicon carbide đặc chắc 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 quả sản xuất thấp, phần nào hạn chế ứng dụng quy mô lớn của phương pháp này.
2. Thiêu kết áp suất khí quyển: Thiêu kết áp suất khí quyển là quá trình thiêu kết làm đặc cacbua silic bằng cách nung nóng nó đến 2000-2150 ℃ dưới áp suất khí quyển và điều kiện môi trường khí trơ, bằng cách thêm các chất trợ thiêu kết thích hợp. Nó được chia thành hai quá trình: thiêu kết pha rắn và thiêu kết pha lỏng. Thiêu kết pha rắn có thể đạt được mật độ cao của cacbua silic, không có pha thủy tinh giữa các tinh thể, và các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao tuyệt vời; Thiêu kết pha lỏng có ưu điểm là nhiệt độ thiêu kết thấp hơn, kích thước hạt nhỏ hơn, và cải thiện độ bền uốn và độ dai gãy của vật liệu. Thiêu kết áp suất khí quyển không có hạn chế về hình dạng và kích thước sản phẩm, chi phí sản xuất thấp và các đặc tính vật liệu tổng thể tuyệt vời, nhưng nhiệt độ thiêu kết cao và tiêu thụ năng lượng cao.
3. Thiêu kết phản ứng: Phương pháp thiêu kết phản ứng silicon carbide lần đầu tiên được đề xuất bởi P. Popper vào những năm 1950. Quá trình này bao gồm việc trộn nguồn carbon và bột silicon carbide, và chuẩn bị phôi thô thông qua các phương pháp như ép phun, ép khô hoặc ép đẳng tĩnh nguội. Sau đó, phôi được nung nóng đến trên 1500 ℃ trong chân không hoặc môi trường khí trơ, tại thời điểm đó silicon rắn tan chảy thành silicon lỏng, thấm vào phôi chứa các lỗ rỗng thông qua hiện tượng mao dẫn. Silicon lỏng hoặc hơi silicon trải qua phản ứng hóa học với C trong phôi thô, và β – SiC được tạo ra tại chỗ kết hợp với các hạt SiC ban đầu trong phôi thô để tạo thành vật liệu gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng.
Ưu điểm của gốm sứ cacbua silic nung kết phản ứng
So với các phương pháp thiêu kết khác, gốm silicon carbide thiêu kết bằng phản ứng có nhiều ưu điểm vượt trội:
1. Nhiệt độ thiêu kết thấp và chi phí dễ kiểm soát: Nhiệt độ thiêu kết phản ứng thường thấp hơn nhiệt độ thiêu kết ở khí quyển, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và yêu cầu về hiệu suất ở nhiệt độ cao đối với thiết bị thiêu kết. Nhiệt độ thiêu kết thấp hơn đồng nghĩa với chi phí bảo trì thiết bị thấp hơn và giảm tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất, từ đó giảm chi phí sản xuất một cách 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. Tạo hình gần kích thước cuối cùng, phù hợp với cấu trúc phức tạp: Trong quá trình thiêu kết phản ứng, vật liệu hầu như không bị co thể tích. Đặc tính này làm cho nó đặc biệt phù hợp để chế tạo các cấu kiện kết cấu có kích thước lớn, hình dạng phức tạp. Cho dù đó là các chi tiết cơ khí chính xác hay các chi tiết thiết bị công nghiệp lớn, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng có thể đáp ứng chính xác các yêu cầu thiết kế, giảm các bước gia công tiếp theo, nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời giảm tổn thất vật liệu và tăng chi phí do gia công.
3. Độ đặc chắc cao của vật liệu: Bằng cách kiểm soát hợp lý các điều kiện phản ứng, quá trình thiêu kết phản ứng có thể đạt được độ đặc chắc cao của gốm silicon carbide. Cấu trúc đặc chắc mang lại cho vật liệu các đặc tính cơ học tuyệt vời, chẳng hạn như độ bền uốn và độ bền nén cao, cho phép nó duy trì tính toàn vẹn cấu trúc dưới các lực tác động bên ngoài đáng kể. Đồng thời, cấu trúc đặc chắc cũng tăng cường khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của vật liệu, cho phép nó 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 chịu tuyệt vời với axit mạnh và kim loại nóng chảy. 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 hoạt động bình thường của thiết bị, giảm chi phí bảo trì và thay thế, đồng thời nâng cao tính liên tục và ổn định của sản xuất.
Có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Với những ưu điểm này, gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng đã được sử 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 làm cho chúng trở thành lựa chọn vật liệu lý tưởng; trong 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 cũng 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 họ gốm silicon carbide nhờ những ưu điểm độc đáo của chúng. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ và việc tối ưu hóa quy trình liên tục, người ta tin rằng gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng sẽ thể hiện hiệu suất tuyệt vời của chúng 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 bài: 13/06/2025