Silicon Carbide xanh dùng cho vật liệu composite tiên tiến gia cường bằng SiC

1. Các đặc tính cốt lõi của vật liệu gia cường

2. Chức năng trong vật liệu composite gia cường bằng SiC

2.1 Gia cường và làm cứng cơ học

• Khả năng chịu tải: Các hạt cứng phân bố đều giúp chia sẻ ứng suất bên ngoài, tăng cường độ bền uốn và độ bền kéo lên hơn 30%.
• Sự lệch hướng vết nứt: Buộc các vết nứt lan truyền xung quanh các hạt và kéo dài đường đi của vết nứt, với độ bền gãy lên đến 8 MPa·m¹ᐟ².
• Tinh luyện hạt: Hạn chế sự phát triển của các hạt trong cấu trúc nền, đồng thời cải thiện độ bền và độ dẻo dai.

2.2 Cải tiến quản lý nhiệt

• Thiết lập các đường dẫn truyền nhiệt liên tục và giảm điện trở nhiệt giao diện. Độ dẫn nhiệt của ma trận polymer tăng từ 0,2 lên 3,5 W/(m·K); thêm 20% SiC xanh vào gốm alumina làm tăng độ dẫn nhiệt từ 30 lên 60 W/(m·K).
• Hệ số giãn nở nhiệt thấp phù hợp tốt với chất nền, loại bỏ ứng suất bên trong dưới tác động của chu kỳ nhiệt độ từ -50 °C đến 200 °C và tăng gấp ba lần tuổi thọ chịu sốc nhiệt.

2.3 Cải thiện chức năng

• Khả năng chống mài mòn: Các hạt chịu tải trọng ma sát, giúp tăng khả năng chống mài mòn của vật liệu composite lên gấp 3 lần đối với phanh, ổ bi và các bộ phận khác.
• Cách điện: SiC xanh có độ tinh khiết cao sở hữu khả năng cách điện tuyệt vời cho bao bì điện tử và các mô-đun điện áp cao.
• Khả năng chống ăn mòn: Chống lại axit, kiềm và quá trình oxy hóa, duy trì hiệu suất ổn định trong môi trường ẩm ướt và ăn mòn.

3. Ứng dụng trong các hệ thống composite thông dụng

3.1 Vật liệu composite nền gốm (SiCₚ/SiC, Al₂O₃/SiC)

• Công thức: 15–25% bột vi mô SiC xanh + chất nền SiC/Al₂O₃; nhiệt độ thiêu kết: 1600–1800 °C.
• Tính năng: Chịu nhiệt trên 1600 °C, độ bền uốn ≥500 MPa, độ dẫn nhiệt ≥60 W/(m·K).
• Ứng dụng: Các bộ phận đầu ra nhiệt của động cơ máy bay, vòi phun tên lửa, chất nền tản nhiệt cho chất bán dẫn.

3.2 Vật liệu composite nền kim loại (Al/SiC, Mg/SiC)

• Công thức: 10–20% bột siêu mịn SiC xanh + hợp kim nhôm/magiê; được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột hoặc đúc khuôn.
• Tính năng: Độ bền riêng gấp 8 lần thép, độ dẫn nhiệt ≥180 W/(m·K), hệ số giãn nở nhiệt ≤5×10⁻⁶/°C.
• Ứng dụng: Giá đỡ pin xe năng lượng mới, tản nhiệt cho trạm gốc 5G, các bộ phận kết cấu nhẹ cho ngành hàng không vũ trụ.

3.3 Vật liệu composite nền polymer (Epoxy/Cao su silicon/SiC)

• Công thức: 15–30% bột SiC siêu mịn màu xanh lá cây + nhựa epoxy/cao su silicon; đóng rắn ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ trung bình.
• Hiệu năng: Độ dẫn nhiệt ≥2 W/(m·K), điện áp đánh thủng ≥15 kV/mm, tuổi thọ chống mài mòn tăng gấp đôi.
• Ứng dụng: Chất bao bọc linh kiện điện tử, chất nền tản nhiệt cho đèn LED, gioăng dẫn nhiệt cho các thiết bị công suất cao.

4. Tiêu chí lựa chọn và kiểm soát chất lượng chính

1. Độ tinh khiết : Chọn loại ≥99,5% cho các thiết bị điện tử cao cấp và hàng không vũ trụ; 98,5–99,0% cho các sản phẩm chịu mài mòn công nghiệp thông thường. Hàm lượng Fe, Ca và các tạp chất khác quá cao sẽ làm suy giảm hiệu suất giao diện.
2. Kích thước hạt : D50 1–3 μm cho chất nền gốm (mật độ thiêu kết cao); D50 5–10 μm cho chất nền kim loại (khả năng phân tán tốt); kích thước nano 0,5–1 μm cho chất nền polymer (độ dẫn nhiệt cao).
3. Điều chỉnh bề mặt : Được xử lý bằng các chất liên kết silan hoặc titanat để tăng cường liên kết giữa các lớp và giảm độ xốp.
4. Kiểm soát tạp chất : Hàm lượng cacbon tự do ≤0,2%, hàm lượng oxy ≤0,5% để ngăn ngừa quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và các phản ứng giao diện bất lợi.

5. Xu hướng thị trường và phát triển