Gốm sứ silicon carbide (SiC)đã trở thành vật liệu cốt lõi trong lĩnh vực gốm kết cấu 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 then chốt 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 cô đặc vật liệu này trở nên khó khăn. Vì vậy, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều công nghệ thiêu kết khác nhau, và gốm SiC được chế tạo bằng các công nghệ khác nhau có sự khác biệt đáng kể về vi cấu trúc, tính chất và ứng dụng. Dưới đây là phân tích các đặc điểm cốt lõi của năm loại gốm silicon carbide chủ đạo.
1. Gốm SiC thiêu kết không áp suất (S-SiC)
Ưu điểm cốt lõi: Phù hợp với nhiều quy trình đúc, 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 bo và cacbon vào β – SiC chứa một lượng nhỏ oxy và thiêu kết trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ khoảng 2000℃, có thể thu được vật liệu thiêu kết có mật độ lý thuyết là 98%. Có hai quy trình: pha rắn và pha lỏng. Pha rắn có mật độ và độ tinh khiết cao hơn, cũng như độ dẫn nhiệt cao và độ bền nhiệt độ cao.
Ứng dụng điển hình: Sản xuất hàng loạt vòng đệm kín và ổ trục trượt chống mài mòn và chống ăn mòn; Nhờ độ cứng cao, trọng lượng riêng thấp và hiệu suất đạn đạo tốt, sản phẩm được sử dụng rộng rãi làm áo giáp chống đạn cho xe cộ và tàu thuyền, cũng như bảo vệ két sắt dân dụng và xe chở tiền. Khả năng chống va đập đa điểm của sản phẩm vượt trội so với gốm SiC thông thường, và điểm gãy của áo giáp bảo vệ nhẹ hình trụ có thể đạt tới hơn 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 thể tạo hình gần đạt kích thước thực. 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 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 rất nhỏ, phù hợp cho sản xuất công nghiệp các sản phẩm có hình dạng phức tạp.
Ứng dụng điển hình: Thiết bị lò nung nhiệt độ cao, ống bức xạ, bộ trao đổi nhiệt, vòi phun khử lưu huỳnh; Do hệ số giãn nở nhiệt thấp, mô đun đàn hồi cao và đặc tính tạo hình gần như lưới, nó đã trở thành vật liệu lý tưởng cho các tấm phản xạ không gian; Nó cũng có thể thay thế thủy tinh thạch anh làm vật cố định hỗ trợ cho các ống điện tử và thiết bị sản xuất chip bán dẫn.
3. Gốm SiC thiêu kết ép nóng (HP SiC)
Ưu điểm cốt lõi: Thiêu kết đồng bộ dưới nhiệt độ và áp suất cao, bột ở trạng thái nhiệt dẻo, thuận lợi cho quá trình truyền khối. Có thể sản xuất các sản phẩm có hạt mịn, mật độ cao và tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ thấp hơn và trong thời gian ngắn hơn, đồng thời có thể 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 các thành viên phi hành đoàn trực thăng của Hoa Kỳ trong Chiến tranh Việt Nam, thị trường áo giáp đã được thay thế bằng boron carbide ép nóng; Hiện nay, nó chủ yếu được sử dụng trong các tình huống có giá trị gia tăng cao, chẳng hạn như các lĩnh vực có yêu cầu cực kỳ cao về kiểm soát thành phần, độ tinh khiết và độ đặc, cũng như các lĩnh vực công nghiệp chống mài mòn và hạt nhân.
4. Gốm SiC kết tinh lại (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 cỡ lớn và có độ tinh khiết cực cao. Quy trình bao gồm việc trộn bột SiC thô và mịn theo tỷ lệ thích hợp, sau đó tạo hình, thiêu kết trong môi trường trơ ở nhiệt độ 2200~2450°C. Các hạt mịn bay hơi và ngưng tụ tại điểm tiếp xúc giữa các hạt thô để tạo thành gốm, với độ cứng chỉ đứng sau kim cương. SiC vẫn giữ được độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa và chống sốc nhiệt.
Ứng dụng điển hình: Đồ nội thất lò nung nhiệt độ cao, bộ trao đổi nhiệt, vòi đốt; Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quân sự, được sử dụng để sản xuất các thành phần cấu trúc tàu vũ trụ như động cơ, cánh đuôi và thân máy bay, có thể cải thiện hiệu suất thiết bị và tuổi thọ.
5. Gốm SiC thấm silic (SiSiC)
Ưu điểm cốt lõi: Phù hợp nhất cho sản xuất công nghiệp, thời gian thiêu kết ngắn, nhiệt độ thấp, mật độ hoàn toàn và không biến dạng, cấu tạo từ nền SiC và pha Si thâm nhập, chia thành hai quy trình: thâm nhập lỏng và thâm nhập khí. Phương pháp sau có chi phí cao hơn nhưng mật độ và độ đồng đều của silic tự do tốt hơn.
Ứng dụng điển hình: độ xốp thấp, độ kín khí tốt và điện trở thấp có lợi cho việc 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 chất bán dẫn; Do có 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: 02-09-2025