Từ bột đến gốm rắn: Phương pháp tạo hình và thiêu kết
Chỉ riêng bột SiC không phải là loại gốm bền và đặc. Để tạo ra một vật thể rắn, bột phải được tạo hình và sau đó hợp nhất với nhau trong một quá trình gọi là thiêu kết. Thách thức chính là SiC có liên kết cộng hóa trị mạnh, khiến cho việc thiêu kết rất khó khăn. Vì vậy, cần phải có các kỹ thuật đặc biệt. Ba phương pháp chính là:
1. Thiêu kết (Thiêu kết trạng thái rắn)
Đây là phương pháp phổ biến nhất để tạo ra các thành phần có hình dạng phức tạp.
# Trộn: Bột SiC được trộn với chất trợ thiêu kết, điển hình là một lượng nhỏ Boron (B) và Carbon (C). Carbon giúp loại bỏ lớp oxit trên các hạt SiC và boron thúc đẩy quá trình khuếch tán nguyên tử.
# Tạo hình: Hỗn hợp bột được tạo hình thành “thân xanh” (dạng không kết dính). Điều này có thể được thực hiện bằng cách:
* Ép khô: Ép một trục hoặc đẳng tĩnh cho các hình dạng đơn giản.
* Đùn: Đối với các hình dạng dài, liên tục như ống hoặc thanh.
* Ép phun: Dành cho các hình dạng rất phức tạp và phức tạp.
# Thiêu kết: Thân xanh được nung nóng trong môi trường trơ (như argon) ở nhiệt độ khoảng 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F). Ở nhiệt độ này, các hạt khuếch tán vào nhau tại các điểm tiếp xúc, liên kết với nhau để tạo thành một loại gốm đặc, rắn chắc với độ xốp tối thiểu.
Kết quả: Cacbua silic thiêu kết (SSiC). Nó có độ tinh khiết cao, khả năng chống mài mòn tuyệt vời và độ bền cơ học tốt.
2. Liên kết phản ứng (hoặc Silicon hóa)
Phương pháp này tạo ra một chi tiết gần như hình lưới với độ co rút tối thiểu.
# Tạo hình: Hỗn hợp bột SiC và Carbon (ví dụ than chì) được tạo thành thành một vật thể xốp màu xanh lá cây.
# Xâm nhập: Vật thể màu xanh lá cây sau đó được đặt tiếp xúc với kim loại silicon (Si) nóng chảy trong lò nung dưới chân không.
# Phản ứng: Silicon nóng chảy được hút vào vật liệu xốp bằng hoạt động mao dẫn. Sau đó, nó phản ứng với carbon trong cơ thể để tạo thành cacbua silic mới (Si + C → SiC), liên kết các hạt SiC ban đầu với nhau.
# Silicon dư: Bất kỳ khoảng trống nào không được lấp đầy bởi phản ứng sẽ được lấp đầy bằng kim loại silicon dư.
Kết quả: Cacbua silic liên kết phản ứng (RBSC) hoặc cacbua silic hóa silicon. Nó đặc hơn SSiC nhưng chứa 5-15% silicon tự do, làm giảm độ bền nhiệt độ cao và khả năng kháng hóa chất so với SSiC.
3. Ép nóng
Phương pháp này tạo ra mật độ và độ bền cao nhất nhưng đắt hơn và bị giới hạn ở các hình dạng đơn giản.
# Quy trình: Bột SiC (có chất trợ thiêu kết) được đưa vào khuôn, thường làm bằng than chì.
# Nhiệt và áp suất đồng thời: Khuôn được nung nóng đến nhiệt độ thiêu kết (~1900°C - 2000°C) đồng thời áp dụng áp suất một trục rất cao (hàng chục MPa).
# Lợi ích: Sự kết hợp giữa nhiệt và áp suất thúc đẩy quá trình cô đặc hiệu quả hơn và ở nhiệt độ thấp hơn so với thiêu kết không áp suất.
Kết quả: Cacbua silic ép nóng (HPSiC). Nó có các đặc tính cơ học vượt trội nhưng thường được sản xuất dưới dạng các hình dạng đơn giản như tấm hoặc khối đòi hỏi phải gia công tiếp theo bằng các công cụ kim cương.
Bước cuối cùng: Gia công
Sau khi thiêu kết, bộ phận gần đạt được hình dạng cuối cùng nhưng thường yêu cầu gia công chính xác. Vì SiC cực kỳ cứng (9,5 trên thang Mohs, gần bằng kim cương) nên điều này chỉ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các dụng cụ hoặc bánh mài tẩm kim cương.
Tóm lại, sản xuất gốm cacbua silic là một quá trình gồm nhiều bước, đầu tiên bao gồm việc tổng hợp bột siêu cứng, sau đó sử dụng các kỹ thuật nhiệt độ cao, chuyên dụng để cô đặc nó thành vật liệu kỹ thuật bền, chắc.
Có thể bạn quan tâm: Gốm sứ Zirconia, Thành phần gốm sứ
