Gốm silicon carbide ngày càng được ưa chuộng trong ngành bất chấp những thách thức

Trong thời đại công nghệ phát triển nhanh chóng, khoa học vật liệu ngày càng trở nên quan trọng. Khi môi trường công nghiệp ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn, các vật liệu truyền thống thường không đáp ứng được các yêu cầu khắc nghiệt về nhiệt độ cao và điều kiện ăn mòn. Trong số các vật liệu gốm tiên tiến, cacbua silic (SiC) nổi bật với các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt, thu hút được sự chú ý đáng kể trong ngành hàng không vũ trụ, điện tử, kỹ thuật hóa học và các ngành công nghiệp khác.

Cacbua silic là hợp chất của các nguyên tử silicon và carbon liên kết thông qua liên kết cộng hóa trị mạnh. Nó tồn tại ở nhiều dạng tinh thể, với α-SiC (cấu trúc lục giác) phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp và β-SiC (cấu trúc khối) hứa hẹn trong các ứng dụng bán dẫn do tính linh động của điện tử cao hơn.

Vật liệu này được nhà phát minh người Mỹ Edward Goodrich Acheson vô tình phát hiện vào năm 1893 khi đang cố gắng tổng hợp kim cương. Khám phá tình cờ này đã dẫn đến việc sản xuất công nghiệp chất mài mòn SiC, với các ứng dụng dần dần mở rộng sang vật liệu chịu lửa và linh kiện điện tử.

Với điểm nóng chảy 2700°C, gốm SiC duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc dưới nhiệt độ cực cao nhờ liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ của chúng. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho các bộ phận lò nung, vòi đốt và đồ nội thất trong lò nung trong ngành công nghiệp sản xuất thép và thiêu kết gốm sứ. Trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, cánh tuabin dựa trên SiC có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ và tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng.

Xếp hạng 2500-3000 HV trên thang đo Vickers, gốm SiC vượt qua gốm sứ truyền thống như alumina (1500-2000 HV) về độ cứng. Độ bền uốn của chúng (400-800 MPa) cũng gấp đôi so với alumina, khiến chúng trở nên vô giá đối với các vòng đệm cơ khí, mạ áo giáp và các bộ phận chống mài mòn trong thiết bị khai thác mỏ và dầu mỏ.

Các liên kết Si-C bền chắc mang lại khả năng kháng axit, kiềm và các tác nhân oxy hóa vượt trội. Trong các ứng dụng xử lý hóa chất và môi trường, các thành phần SiC giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của thiết bị trong xử lý môi trường ăn mòn, từ đường ống đến hệ thống xử lý nước thải.

Mặc dù không phù hợp với độ dẫn nhiệt của nhôm nitrit nhưng định mức 120-270 W/m·K của SiC giúp nó có hiệu quả trong việc làm mát các thiết bị điện tử công suất và bộ trao đổi nhiệt công nghiệp. Độ dẫn điện có thể điều chỉnh của nó thông qua pha tạp cho phép ứng dụng chất bán dẫn đa dạng.

Giống như hầu hết các loại gốm sứ, SiC có độ bền gãy thấp. Nghiên cứu tập trung vào việc kết hợp các chất làm cứng (ống nano carbon, graphene), kiểm soát kích thước hạt và sửa đổi bề mặt để giảm thiểu hạn chế này.

Thay đổi nhiệt độ nhanh có thể gây ra nứt. Các giải pháp bao gồm sửa đổi hệ số giãn nở nhiệt, tăng cường độ dẫn nhiệt và mạng lưới vết nứt vi mô được kiểm soát kỹ thuật để hấp thụ ứng suất.

Nguyên liệu thô đắt tiền, yêu cầu sản xuất phức tạp và gia công chính xác hiện đang hạn chế việc áp dụng rộng rãi. Các phương pháp mới nổi bao gồm các nguồn nguyên liệu thay thế, quy trình thiêu kết đơn giản hóa và kỹ thuật gia công tiên tiến để giảm chi phí.

Kỹ thuật sản xuất chính bao gồm:

• Thiêu kết:Nén bột hiệu quả về chi phí và phản ứng tổng hợp ở nhiệt độ cao
• Liên kết phản ứng:Hình thành tại chỗ từ hỗn hợp silicon-carbon
• Lắng đọng hơi:Sản xuất màng mỏng có độ tinh khiết cao cho thiết bị điện tử
• Phương pháp thay thế:Bao gồm sol-gel và tổng hợp nhiệt độ cao tự lan truyền

Các thiết bị nguồn SiC cho phép các bộ biến tần và bộ chuyển đổi hiệu quả hơn, đã được các nhà lãnh đạo ngành như Tesla và BYD áp dụng để mở rộng phạm vi sử dụng pin.

Các bộ phận tuabin và bộ phận động cơ tên lửa thế hệ tiếp theo tận dụng khả năng chịu nhiệt độ cao của SiC để cải thiện lực đẩy và tiết kiệm nhiên liệu.

Tấm wafer SiC đang cách mạng hóa điện tử công suất cho cơ sở hạ tầng 5G và hệ thống năng lượng, mang lại hiệu suất vượt trội so với silicon truyền thống.

Các ứng dụng bổ sung bao gồm năng lượng hạt nhân (lớp phủ nhiên liệu), cấy ghép y tế (thay thế khớp) và chất mài mòn tiên tiến để gia công chính xác.

Khi các nhà nghiên cứu giải quyết các rào cản về độ giòn và chi phí thông qua các chiến lược tăng cường mới và phương pháp sản xuất có thể mở rộng, gốm sứ cacbua silic đã sẵn sàng để chuyển đổi nhiều ngành công nghiệp. Những tiến bộ liên tục sẽ củng cố vai trò của họ trong việc hỗ trợ các công nghệ thế hệ tiếp theo trong các lĩnh vực năng lượng, vận tải và sản xuất tiên tiến.