Tại sao nên sử dụng cacbua silic đen trong tấm cách nhiệt?

Tại sao nên sử dụng cacbua silic đen trong tấm cách nhiệt?

Vật liệu SiC đen được lựa chọn nhờ sự kết hợp độc đáo các đặc tính giúp giải quyết trực tiếp những thách thức trong môi trường nhiệt độ cao.

1. Khả năng chống sốc nhiệt vượt trội

Đây là lý do quan trọng nhất. SiC có  độ dẫn nhiệt rất cao  (khoảng 120-140 W/m·K), điều này thoạt nhìn có vẻ trái ngược với trực giác đối với một tấm cách nhiệt. Tuy nhiên, khi được sử dụng như một chất kết dính bên trong một ma trận cách nhiệt xốp, nó hoạt động như một mạng lưới “đường dẫn nhiệt”.

• Cơ chế:  Khi một mặt của tấm được nung nóng nhanh, các hạt SiC sẽ nhanh chóng phân bổ năng lượng nhiệt khắp vật liệu, ngăn ngừa sự tích tụ các chênh lệch nhiệt độ lớn và ứng suất gây nứt. Ma trận xốp xung quanh vẫn đảm bảo khả năng cách nhiệt tổng thể.

2. Độ bền cơ học và độ cứng cao

• SiC là một trong những vật liệu cứng nhất hiện có (độ cứng Mohs ~9,5). Việc kết hợp nó sẽ làm tăng đáng kể các đặc tính của bo mạch:

  • Độ bền nén nguội:  Tấm ván có thể chịu được tải trọng nặng ở nhiệt độ phòng.

  • Khả năng chống mài mòn:  Tấm ván ít bị ăn mòn do luồng khí hoặc tiếp xúc vật lý.

  • Độ bền ở nhiệt độ cao (Modulus of Rupture – Mô đun phá vỡ ở nhiệt độ cao):  Vật liệu này vẫn giữ được độ bền ở nhiệt độ mà các vật liệu khác sẽ bị mềm đi.

3. Độ dẫn nhiệt cao (như một lợi thế chiến lược)

Như đã đề cập, chức năng này được sử dụng để  điều tiết  nhiệt, chứ không chỉ để ngăn chặn nhiệt. Nó cho phép:

• Chu kỳ làm nóng và làm nguội nhanh hơn mà không làm hỏng bo mạch.

• Phân bố nhiệt độ đồng đều hơn bên trong lò nung.

4. Khả năng chịu nhiệt tuyệt vời

• SiC đen có điểm nóng chảy cao (khoảng 2.730°C hoặc 4.946°F) và ổn định trong môi trường trơ ​​hoặc khử lên đến khoảng 1.600°C. Điều này làm cho nó phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ cao đòi hỏi khắt khe nhất.

Những điểm cần cân nhắc và thách thức chính

Việc sử dụng SiC đen không phải là không có những hạn chế, cần được quản lý cẩn thận trong quá trình sản xuất và ứng dụng.

1. Quá trình oxy hóa

• Vấn đề:  Ở nhiệt độ trên khoảng 900°C trong môi trường oxy hóa (không khí), SiC bắt đầu bị oxy hóa, tạo thành một lớp silica (SiO₂) trên bề mặt.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• Hậu quả:

  • Lớp SiO₂ có thể dẫn đến sự xuống cấp và suy yếu dần các hạt SiC theo thời gian.

  • Quá trình oxy hóa gây ra sự giãn nở thể tích nhẹ, điều này có thể tạo ra ứng suất bên trong.

• Biện pháp khắc phục:  Các nhà sản xuất thường thêm chất chống oxy hóa (ví dụ: silicon kim loại) vào hỗn hợp, chất này sẽ ưu tiên oxy hóa, bảo vệ các hạt SiC.

2. Chi phí

• Silicon carbide đen đắt hơn các loại cốt liệu chịu nhiệt thông thường khác như đất sét nung, bauxite, hoặc thậm chí cả alumina nung trắng. Điều này làm tăng chi phí cuối cùng của tấm cách nhiệt.

3. Kiểm soát độ xốp cho vật liệu cách nhiệt

• Vì SiC có mật độ cao và dẫn điện tốt, nhà sản xuất phải thiết kế cẩn thận cấu trúc còn lại của bo mạch để duy trì độ dẫn nhiệt thấp. Điều này thường được thực hiện bằng cách:

  • Sử dụng các chất độn có độ xốp cao như  bong bóng alumina  hoặc  các quả cầu mulite .

  • Kết hợp các vật liệu cháy hữu cơ tạo ra các túi khí.

  • Tạo ra cấu trúc lỗ xốp mịn, khép kín.

Thành phần điển hình của tấm cách điện được gia cường bằng SiC

Công thức điển hình có thể trông như thế này:

• 60-70%:  Bong bóng alumina / Cốt liệu Mulite (Thành phần cách nhiệt chính)

• 15-25%:  Hạt cacbua silic đen (Cốt liệu gia cường)

• 10-15%:  Bột nhôm oxit phản ứng + Đất sét (Chất kết dính)

• 1-3%:  Phụ gia chống oxy hóa (ví dụ: Bột kim loại silic)

• + Chất kết dính:  Ví dụ như phosphat hoặc silica dạng keo để giữ cho khối gốm thô liên kết với nhau trước khi nung.

Ứng dụng phổ biến

Các bo mạch chứa SiC đen được sử dụng trong những lĩnh vực đòi hỏi khắt khe nhất:

• Mặt nóng của lò nung:  Lớp lót bên trong tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa và nhiệt độ cao.

• Giá đỡ phôi lò nung:  Cấu trúc dùng để giữ sản phẩm nung trong lò nung kiểu con lăn hoặc lò nung dạng đường hầm, đòi hỏi độ bền cao và khả năng chịu sốc nhiệt.

• Khối chắn buồng đốt:  Bao quanh các buồng đốt tốc độ cao, nơi nhiệt độ biến động cực độ.

• Lò xử lý nhiệt:  Dùng cho các quy trình yêu cầu chu kỳ nhiệt nhanh.

• Lớp cách nhiệt dự phòng:  Nằm phía sau lớp vật liệu chịu lửa đúc khuôn dày đặc để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc.

Tóm tắt: So sánh SiC đen với các vật liệu thay thế

Phần kết luận

Silicon carbide đen là một chất phụ gia cao cấp giúp biến đổi tấm cách nhiệt gốm tiêu chuẩn thành sản phẩm hiệu suất cao, bền bỉ và chịu nhiệt tốt.  Vai trò chính của nó là cung cấp khả năng chống sốc nhiệt và tính toàn vẹn cấu trúc vượt trội trong môi trường có sự thay đổi nhiệt độ nhanh và ứng suất cơ học liên tục. Mặc dù chi phí và khả năng bị oxy hóa là những nhược điểm, nhưng những lợi ích về hiệu suất trong các ứng dụng quan trọng khiến nó trở thành vật liệu không thể thiếu.