Gốm cacbua silic (SiC)Chúng đã trở thành vật liệu cốt lõi trong lĩnh vực gốm cấu trúc chịu nhiệt độ cao nhờ hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao, độ cứng cao và độ ổn định nhiệt và hóa học tuyệt vời. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực trọng điểm như hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân, quân sự và chất bán dẫn.
Tuy nhiên, liên kết cộng hóa trị cực mạnh và hệ số khuếch tán thấp của SiC khiến việc nung kết trở nên khó khăn. Vì vậy, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều công nghệ nung kết khác nhau, và gốm SiC được chế tạo bằng các công nghệ khác nhau có sự khác biệt đáng kể về cấu trúc vi mô, tính chất và ứng dụng. Bài viết này sẽ phân tích các đặc điểm cốt lõi của năm loại gốm silicon carbide phổ biến.
1. Gốm SiC không nung kết dưới áp suất (S-SiC)
Ưu điểm cốt lõi: Phù hợp với nhiều quy trình tạo hình, chi phí thấp, không bị giới hạn bởi hình dạng và kích thước, đây là phương pháp thiêu kết dễ dàng nhất để đạt được sản xuất hàng loạt. Bằng cách thêm boron và carbon vào β – SiC chứa một lượng nhỏ oxy và thiêu kết trong môi trường khí trơ ở khoảng 2000 ℃, có thể thu được vật liệu thiêu kết với mật độ lý thuyết là 98%. Có hai quy trình: pha rắn và pha lỏng. Quy trình pha rắn có mật độ và độ tinh khiết cao hơn, cũng như độ dẫn nhiệt cao và độ bền ở nhiệt độ cao.
Ứng dụng điển hình: Sản xuất hàng loạt vòng đệm và ổ trượt chống mài mòn và ăn mòn; Nhờ độ cứng cao, trọng lượng riêng thấp và khả năng chống đạn tốt, nó được sử dụng rộng rãi làm lớp giáp chống đạn cho xe cộ và tàu thuyền, cũng như để bảo vệ két sắt dân sự và xe vận chuyển tiền mặt. Khả năng chịu nhiều va đập của nó vượt trội so với gốm SiC thông thường, và điểm gãy của lớp giáp bảo vệ nhẹ hình trụ có thể đạt trên 65 tấn.
2. Gốm SiC thiêu kết phản ứng (RB SiC)
Ưu điểm cốt lõi: Hiệu suất cơ học tuyệt vời, độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa; Nhiệt độ thiêu kết và chi phí thấp, có khả năng tạo hình gần kích thước cuối cùng. Quy trình bao gồm việc trộn nguồn carbon với bột SiC để tạo ra phôi. Ở nhiệt độ cao, silicon nóng chảy thấm vào phôi và phản ứng với carbon để tạo thành β – SiC, kết hợp với α – SiC ban đầu và lấp đầy các lỗ rỗng. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thiêu kết nhỏ, làm cho nó phù hợp với sản xuất công nghiệp các sản phẩm có hình dạng phức tạp.
Các ứng dụng điển hình: Thiết bị lò nung nhiệt độ cao, ống bức xạ, bộ trao đổi nhiệt, vòi phun khử lưu huỳnh; Nhờ hệ số giãn nở nhiệt thấp, mô đun đàn hồi cao và đặc tính tạo hình gần như hoàn chỉnh, nó đã trở thành vật liệu lý tưởng cho gương phản xạ không gian; Nó cũng có thể thay thế thủy tinh thạch anh làm giá đỡ cho ống điện tử và thiết bị sản xuất chip bán dẫn.
3. Gốm SiC nung kết ép nóng (HP SiC)
Ưu điểm cốt lõi: Quá trình thiêu kết đồng bộ ở nhiệt độ và áp suất cao, bột ở trạng thái nhiệt dẻo, thuận lợi cho quá trình truyền khối. Có thể tạo ra sản phẩm có cấu trúc hạt mịn, mật độ cao và tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ thấp hơn và trong thời gian ngắn hơn, đồng thời đạt được mật độ hoàn chỉnh và trạng thái thiêu kết gần như tinh khiết.
Ứng dụng điển hình: Ban đầu được sử dụng làm áo chống đạn cho phi hành đoàn trực thăng Mỹ trong Chiến tranh Việt Nam, thị trường áo giáp đã được thay thế bằng cacbua bo ép nóng; Hiện nay, nó chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng có giá trị gia tăng cao, chẳng hạn như các lĩnh vực đòi hỏi khắt khe về kiểm soát thành phần, độ tinh khiết và độ đặc, cũng như các lĩnh vực chống mài mòn và công nghiệp hạt nhân.
4. Gốm SiC tái kết tinh (R-SiC)
Ưu điểm cốt lõi: Không cần thêm chất trợ thiêu kết, đây là phương pháp phổ biến để chế tạo các thiết bị SiC siêu tinh khiết và kích thước lớn. Quy trình bao gồm trộn bột SiC thô và mịn theo tỷ lệ thích hợp và tạo hình, sau đó thiêu kết chúng trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ 2200~2450 ℃. Các hạt mịn bay hơi và ngưng tụ tại điểm tiếp xúc giữa các hạt thô để tạo thành gốm, có độ cứng chỉ đứng sau kim cương. SiC duy trì độ bền cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa và chống sốc nhiệt.
Các ứng dụng điển hình: Nội thất lò nung nhiệt độ cao, bộ trao đổi nhiệt, vòi phun đốt; Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quân sự, nó được sử dụng để chế tạo các bộ phận cấu trúc tàu vũ trụ như động cơ, cánh đuôi và thân máy bay, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.
5. Gốm SiC thấm silicon (SiSiC)
Ưu điểm cốt lõi: Phù hợp nhất cho sản xuất công nghiệp, với thời gian thiêu kết ngắn, nhiệt độ thấp, mật độ cao và không bị biến dạng, bao gồm ma trận SiC và pha Si thấm vào, được chia thành hai quy trình: thấm lỏng và thấm khí. Quy trình thấm khí có chi phí cao hơn nhưng mật độ và độ đồng nhất của silicon tự do tốt hơn.
Ứng dụng điển hình: độ xốp thấp, độ kín khí tốt và điện trở thấp giúp loại bỏ tĩnh điện, thích hợp để sản xuất các bộ phận lớn, phức tạp hoặc rỗng, được sử dụng rộng rãi trong thiết bị xử lý bán dẫn; Nhờ mô đun đàn hồi cao, trọng lượng nhẹ, độ bền cao và độ kín khí tuyệt vời, đây là vật liệu hiệu suất cao được ưa chuộng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, có thể chịu được tải trọng trong môi trường không gian và đảm bảo độ chính xác và an toàn của thiết bị.
Thời gian đăng bài: 02/09/2025