Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ công nghiệp hiện đại, công nghệ tạo hình vật liệu tổng hợp ma trận gốm đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trên toàn cầu. Trong số rất nhiều vật liệu tổng hợp ma trận gốm, cacbua silic (SiC) đã thu hút sự chú ý liên tục trong những thập kỷ gần đây do tính chất cơ học tuyệt vời, mật độ thấp, khả năng chống ăn mòn, khả năng chống oxy hóa mạnh, ổn định nhiệt và hóa học tốt, hiệu suất ma sát và mài mòn vượt trội, khiến nó trở thành vật liệu mới đầy hứa hẹn. Các kịch bản ứng dụng của nó bao gồm-các thiết bị vi sóng công suất cao trong các hệ thống thương mại và quân sự, các thiết bị điện tử như đèn LED và MOSFET, thiết bị quang học trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, cảm biến hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) vi mô cho môi trường khắc nghiệt, cảm biến khí và hóa học cho động cơ đốt trong và lò nung, cũng như cảm biến quang điện trong quang điện tử, cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi.
Si-SiC tổng hợp
Vật liệu tổng hợp Si-SiC chủ yếu được điều chế bằng phản ứng thiêu kết: Bột SiC và bột than chì được trộn theo tỷ lệ cụ thể và được ép thành vật thể màu xanh lá cây, sau đó được thấm silic nóng chảy hoặc khí ở nhiệt độ trên 1410 độ trong chân không, cho phép Si phản ứng với than chì, cuối cùng tạo thành hỗn hợp gốm dựa trên SiC- đậm đặc. Vật liệu này không chỉ kế thừa những đặc tính ưu việt của chính SiC mà còn có những ưu điểm như mật độ thấp, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời và hệ số giãn nở nhiệt cực thấp, cùng với đó là khả năng xử lý đơn giản, nhiệt độ thiêu kết thấp, chi phí có thể kiểm soát và tính linh hoạt khi kết hợp với các quá trình tạo hình khác. Kết quả là, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực.
Tuy nhiên, độ bền đứt gãy thấp là điểm yếu nghiêm trọng của vật liệu tổng hợp SiC-liên kết Si{1}}phản ứng, hạn chế nghiêm trọng ứng dụng của chúng trong các tình huống đòi hỏi khắt khe hơn. Để giải quyết nhược điểm này, nghiên cứu hiện tại chủ yếu áp dụng hai phương pháp tối ưu hóa: một là giảm hàm lượng Si tự do bên trong vật liệu thông qua cải tiến quy trình, nâng cao tính chất cơ học từ góc độ kiểm soát thành phần; cách còn lại là đưa giai đoạn gia cố vào hệ thống vật liệu, cải thiện độ bền khi đứt gãy thông qua tối ưu hóa cấu trúc, từ đó đặt nền tảng cho việc phát triển hơn nữa vật liệu tổng hợp Si-SiC.
SiC-Phức hợp SiCf
Vật liệu tổng hợp SiC-SiCf là vật liệu tổng hợp gốm dựa trên SiC-tốt nhất, kết hợp khả năng chịu nhiệt độ-cao, cường độ riêng cao và mô đun riêng cao, đồng thời thể hiện hành vi giả dẻo tương tự như kim loại và độ nhạy bậc thấp. Chúng dần trở thành vật liệu được ưa thích cho các bộ phận-nóng chính của động cơ hàng không-và các bộ phận kết cấu nhiệt của máy bay siêu âm, giữ vị trí không thể thay thế trong các thiết bị-cao cấp như hàng không vũ trụ. Các vật liệu tổng hợp này có cấu trúc phân cấp đa cấp độ phức tạp, tạo ra các cơ chế đứt gãy khác nhau ở nhiều cấp độ cụ thể cũng như các đặc điểm hư hỏng kết hợp giữa-quy mô chéo, mang đến cả thách thức và cơ hội để kiểm soát hiệu suất chính xác.
Thông qua-nghiên cứu chuyên sâu, các nhà khoa học đã thiết lập thành công, từ góc độ cơ học vĩ mô, mối quan hệ giữa các đặc tính cấu thành bên trong (chẳng hạn như sợi, ma trận và giao diện) và hoạt động cơ học của vật liệu tổng hợp SiC-SiCf, cung cấp hỗ trợ về mặt lý thuyết cho việc tối ưu hóa hiệu suất vật liệu. Về mặt kỹ thuật điều chế, các phương pháp chủ đạo hiện nay bao gồm thấm và nhiệt phân tiền chất (PIP), thấm hơi hóa học (CVI)/lắng đọng hơi hóa học (CVD), thấm tan chảy phản ứng (RMI), ép nóng (HP), v.v. Trong số này, CVI và PIP là các kỹ thuật truyền thống và được sử dụng rộng rãi nhất. CVI đạt được mật độ thông qua quá trình phân hủy, đa ngưng tụ và lắng đọng các hợp chất khí tiền chất ở nhiệt độ cao bên trong môi trường xốp, bao gồm các bước chính như khuếch tán khí, hấp phụ, phản ứng bề mặt và giải hấp khí; trong khi PIP lại thành thạo hơn trong việc lấp đầy các lỗ chân lông lớn bên trong vật liệu.
Trong sản xuất thực tế, xem xét những hạn chế của một quy trình đơn lẻ, quy trình CVI/PIP kết hợp thường được sử dụng. Sự kết hợp này tích hợp các ưu điểm của quá trình lắng đọng pha khí liên tục của CVI với hiệu suất cao của quá trình thẩm thấu pha-lỏng của PIP, cho phép cô đặc nhanh chóng các vật liệu tổng hợp SiC-SiCf, cải thiện hiệu quả hiệu quả sản xuất và hiệu suất vật liệu, do đó cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho ứng dụng-quy mô lớn của họ trong các lĩnh vực-cao cấp.
Bản tóm tắt
Tóm lại, gốm cacbua silic và hai loại vật liệu tổng hợp cốt lõi của chúng, mỗi loại có những ưu điểm về hiệu suất riêng, thể hiện giá trị ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực then chốt của ngành công nghiệp hiện đại. Với việc liên tục tối ưu hóa các quy trình chuẩn bị và nghiên cứu hiệu suất chuyên sâu, những tài liệu này chắc chắn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các tình huống-cao cấp hơn, thúc đẩy nâng cấp và phát triển công nghệ trong các ngành liên quan.