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 tốt và độ ổn định hóa học. 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 chính 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 vào việc khám phá những lợi thế độc đáo của phương pháp thiêu kết phản ứnggốm 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 liên quan đến việc đặt bột silicon carbide vào khuôn, tạo ra một áp suất nhất định trong khi gia nhiệt, để hoàn thành quá trình đúc và thiêu kết đồng thời. 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 về quy trình sản xuất nghiêm ngặt và chỉ có thể chế tạo các bộ phận có hình dạng đơn giản, dẫn đến hiệu quả sản xuất thấp, ở một mức độ nào đó hạn chế ứng dụng quy mô lớn của nó.
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 ℃ dưới điều kiện áp suất khí quyển và khí quyển trơ, bằng cách thêm chất trợ thiêu kết thích hợp. Nó được chia thành hai quy trình: thiêu kết trạng thái 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 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 và cải thiện độ bền uốn của vật liệu và độ dẻo dai khi gãy. 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 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: Silic cacbua thiêu kết phản ứng lần đầu tiên được P. Popper đề xuất vào những năm 1950. Quy trình này bao gồm việc trộn nguồn cacbon và bột silic cacbua, và chuẩn bị thân xanh thông qua các phương pháp như đúc phun, ép khô hoặc ép đẳng tĩnh lạnh. Sau đó, phôi được nung nóng đến trên 1500 ℃ trong điều kiện chân không hoặc khí trơ, tại thời điểm đó, silic rắn tan chảy thành silic lỏng, thấm vào các lỗ rỗng chứa phôi thông qua tác động mao dẫn. Silic lỏng hoặc hơi silic trải qua phản ứng hóa học với C trong thân xanh và β – SiC tạo ra tại chỗ kết hợp với các hạt SiC ban đầu trong thân xanh để tạo thành vật liệu gốm silic cacbua 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 có thể kiểm soát: 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 đối với thiết bị thiêu kết. Nhiệt độ thiêu kết thấp hơn có nghĩa là chi phí bảo trì thiết bị thấp hơn và giảm mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất, giúp giảm hiệu quả chi phí sản xuất. 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 điểm này làm cho nó đặc biệt thích hợp để chế tạo các thành phần cấu trúc có hình dạng phức tạp, kích thước lớn. Cho dù là các thành phần cơ khí chính xác hay các thành phần 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 xử lý tiếp theo, cải thiện hiệu quả sản xuất và cũng giảm tổn thất vật liệu và tăng chi phí do xử lý.
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 dày đặc mang lại cho vật liệu các tính chất cơ học tuyệt vời, chẳng hạn như cường độ uốn và cường độ nén cao, cho phép vật liệu duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc dưới các lực bên ngoài đáng kể. Đồng thời, cấu trúc dày 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 sử dụng.
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 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 cải thiện tính liên tục và ổn định của sản xuất.
Có thể áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
Với những ưu điểm này, gốm silicon carbide phản ứng thiêu kết 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, độ dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của chúng khiến 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 xói mòn của môi trường ăn mòn và đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của thiết bị. Ngoài ra, gốm silicon carbide phản ứng thiêu kết 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 do những ưu điểm độc đáo của chúng. Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ và quá trình tối ưu hóa liên tục, người ta tin rằng gốm silicon carbide thiêu kết phản ứng sẽ chứng minh hiệu suất tuyệt vời của chúng trong nhiều lĩnh vực hơn, cung cấp hỗ trợ vật liệu mạnh mẽ cho sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Thời gian đăng: 13-06-2025