KHÁM PHÁ VIỆC SỬ DỤNG CHẤT LIỆU SILICON CARBIDE: VẬT LIỆU GỐM CAO CẤP

Giới thiệu:

Một trong những vật liệu gốm tiên tiến đang tạo nên làn sóng trong lĩnh vực sản xuất là gốm silicon carbide. Giới khoa học vô cùng phấn khích trước khám phá này. Đây là một vật liệu gốm tiên tiến, đáp ứng nhiều nhu cầu của các nhà công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử công suất.

Nguồn gốc của silicon carbide

Chất bán dẫn tiên tiến ngày nay được gọi là silicon carbide được phát hiện tình cờ vào năm 1891 bởi Acheson Ed. Ông là một nhà khoa học người Mỹ, người muốn tìm ra một chất thay thế cho kim cương. Ý định của ông rất rõ ràng, nhưng kết quả thí nghiệm đã tạo ra silicon carbide, điều này đã mang lại cho ông sự nổi tiếng, bởi chưa từng có ai thực hiện được một khám phá như vậy.

Silic cacbua cũng được Moissan Henri phát hiện tồn tại tự nhiên dưới dạng khoáng chất trong một thiên thạch vào năm 1893. Từ đó, nó được gọi là Moissanite. Do phát hiện này và sự tương đồng về thành phần với bụi sao, silic cacbua được mệnh danh là đá quý từ bầu trời4.

HÌNH 1: Một mảnh thiên thạch

Chuẩn bị thương mại của Silicon Carbide

Gốm silicon carbide có thể được sản xuất tổng hợp với số lượng lớn. Có hai phương pháp sản xuất silicon carbide tổng hợp đã biết: phương pháp Lely do Anthony Lely khởi xướng năm 1955, còn được gọi là công nghệ nuôi cấy tinh thể, và phương pháp hơi hóa học.

HÌNH 2: Liên kết cộng hóa trị của silic cacbua

1. Phương pháp Lely: Đây là quy trình sản xuất thương mại tinh thể silicon carbide cho ngành công nghiệp bán dẫn. Tại đây, bột silicon carbide được thăng hoa và nung trong nồi nấu kim loại ở nhiệt độ rất cao với khí argon. Sau đó, các tinh thể bám vào một thanh kim loại ở giữa nồi nấu kim loại, nơi có nhiệt độ thấp hơn.

2. Phương pháp hơi hóa học: Đây là một phương pháp được các ngành công nghiệp luyện kim và khai khoáng áp dụng để tạo ra các sản phẩm có độ tinh khiết cao8. Phương pháp hơi hóa học liên quan đến quá trình phân hủy các nguyên tử silic và cacbon trong môi trường được kiểm soát. Quá trình phân hủy không hoàn toàn này tạo ra các chất nền silic cacbua, được ngành công nghiệp bán dẫn sử dụng7.

Nhiều kích thước của silicon carbide như một loại gốm bán dẫn

Silicon carbide là một chất còn được gọi là carborundum. Các tên gọi khác của nó là silicon carbide bán dẫn, sic, ceramic sic và silicon carbide substrate. Chúng tôi sẽ thường xuyên thay đổi cách sử dụng các tên gọi này trong phần thảo luận về các đặc tính khác nhau của loại gốm tiên tiến này.

Tuy nhiên, bất kể bạn chọn tên gọi nào cho vật liệu này, các đặc tính cơ bản của nó vẫn không thay đổi. Các đặc tính của gốm sic sẽ được xem xét kỹ hơn là các đặc tính hóa học, vật lý và cơ học (tính chất).

Tính chất hóa học của Silic cacbua (Sic): Silic cacbua là một hợp chất hóa học được tạo thành từ các ion silic và cacbon liên kết chặt chẽ với nhau. Các liên kết mạnh mẽ mà loại gốm tiên tiến này sở hữu khiến nó trở nên trơ về mặt hóa học. Khoảng cách dải (band gap) trong cấu trúc hóa học của nó rất mạnh, do đó làm cho nó trở thành một loại gốm bán dẫn (sic ceramic) có hiệu quả cao.

Nói cách khác, sic không dễ bị phân hủy bởi các chất hóa học khác, đặc biệt là axit và kiềm. Liên kết tứ diện giữa các nguyên tử silic và cacbon tạo ra chất nền silicon carbide1. Do đó, sic có thành phần bên trong cần thiết, phù hợp với lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là chất bán dẫn.

Nó cũng có khả năng kháng muối và kiềm cao và không thể hòa tan trong nước. Thay vào đó, nó có thể hòa tan trong sắt nóng chảy cũng như một số dạng axit flohydric.

Về mặt điện tử, mật độ hạt mang điện nội tại của gốm sic rất thấp và điều này làm tăng tính phù hợp của nó với các hoạt động ở nhiệt độ cao.

Tính chất vật lý: Những đặc điểm này dễ dàng được phản ánh qua màu sắc, hình dạng và kết cấu của vật liệu. Carborundum là một loại đá quý và điều này được thể hiện qua các sắc thái màu đa dạng của nó. Giống như kim cương, chúng được đánh giá cao nhờ độ bóng, và màu sắc được phân loại từ 4 đến 7. Cũng cần lưu ý rằng độ sáng xanh lục của nó có thể khiến người ta nhầm lẫn với kim cương.

Còn được gọi là Sic cte do đặc tính nhiệt của nó, vì sic cte xác định hệ số nhiệt của nó, vật liệu silicon carbide được cho là có khả năng dẫn điện cao. Nó có điểm sôi và điểm nóng chảy rất cao.

Tính chất cơ học của silic cacbua: Silic cacbua là một vật liệu rất cứng. Trên thực tế, nó là vật liệu cứng nhất2. Silic cacbua được cho là một vật liệu cứng, chỉ đứng sau kim cương. Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử silic và cacbon trong silic cacbua khiến nó rất cứng8. Gốm SIC được coi là có khả năng chống ăn mòn và va đập cao.

Gốm Sic có trọng lượng lớn, cũng như khả năng hấp thụ cao.

Carborundum và đa hình: Gốm SIC kết tinh thành các cấu trúc khác nhau thông qua một quá trình được gọi là đa hình2, tạo ra các đa hình của gốm tiên tiến. Sự hình thành các đa hình trong silicon carbide được cho là do sự khác biệt về đặc điểm bề mặt của cả carbon và silicon5.

Các loại gốm sic đa dạng có những đặc điểm riêng biệt về độ linh động, khoảng cách dải và tính chất điện tử. Chúng cũng được phân biệt dựa trên cách xếp chồng các tinh thể2. Đặc điểm tinh thể của silicon carbide đã tạo nên nguồn gốc cho hình dạng carborundum, một loại đá quý có giá trị cao.

Tính di động của các polytype gốm sic được thể hiện trong việc sử dụng silicon carbide để phát triển vật liệu âm thanh.

HÌNH 3: Tinh thể gốm Sic

Công dụng của gốm sic (silicon carbide):

1. Gốm SIC được coi là một trong những vật liệu gốm tiên tiến tốt nhất được sử dụng để sản xuất thiết bị đạn đạo. Chúng bao gồm trang phục bảo vệ cơ thể như áo chống đạn. Hầu hết áo chống đạn đều sử dụng vật liệu gốm tiên tiến làm lớp trước của trang phục. Điều này là do chất bán dẫn có khả năng làm chệch hướng các vật thể bay có vận tốc cao như đạn9.

2. Sic CTE được sử dụng làm lớp phủ cho công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) được triển khai trong các hệ thống y sinh và sinh hóa10. Các sản phẩm điện tạo ra từ công nghệ MEM như máy phát điện và máy phát âm thanh đòi hỏi những đặc tính này của Sic CTE. Mục tiêu của việc lựa chọn Sic CTE là đạt được hiệu quả về chi phí sản xuất cũng như độ tin cậy8.

HÌNH 4: Chất bán dẫn silicon carbide trong các bộ phận máy phát điện

3. Silic cacbua là vật liệu gốm sứ tiên tiến đáng tin cậy được sử dụng trong sản xuất gạch xây dựng bền vững. Silic có trong đất sét được sử dụng trong sản xuất gạch mang lại cho nó đặc tính gốm sứ tiên tiến. Gạch được sử dụng trong xây dựng để đạt được độ bền, độ bền và khả năng thông gió tốt trong các công trình xây dựng11.

HÌNH 5: Chất bán dẫn silicon carbide (Gạch)

4. Ngành hàng không nổi tiếng với việc chú trọng đến chất lượng và độ bền của thiết bị. Điều này được thể hiện qua việc sử dụng lớp phủ gốm silicon trong vật liệu chế tạo máy bay. Điều này đảm bảo máy bay đủ bền để chống chịu được sức gió và lực va chạm của tàu bay có vận tốc cao. Trọng lượng phù hợp của gốm silicon được sử dụng cũng đảm bảo máy bay luôn nổi.

HÌNH 6: Các bộ phận máy bay được chế tạo từ gốm sic

5. Các đặc tính vật lý và cấu trúc vi mô của vật liệu gốm tiên tiến như gốm sic khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu. Chúng được ứng dụng thích hợp trong sản xuất các linh kiện quan trọng của thiết bị điện như máy phát điện cũng như dụng cụ phẫu thuật. Việc sử dụng chúng dưới dạng màng mỏng giúp vật liệu có độ bền lâu dài và chống mài mòn.

HÌNH 7: Ứng dụng của Sic trong điện tử.

6. Chúng tôi đã đề cập ở đầu bài viết rằng silicon carbide còn được gọi là carborundum. Thuật ngữ carborundum đặc biệt được áp dụng cho gốm sic khi nói đến việc sử dụng nó trong trang sức. Là một lựa chọn thay thế tốt cho kim cương, carborundum rất được ưa chuộng để chế tác nhẫn đính hôn. Nó rẻ hơn kim cương nhưng hiệu quả cũng không kém!

7. Khả năng chịu được điện áp cao của silicon carbide khiến nó phù hợp cho xe điện và xe chạy bằng năng lượng mặt trời. Silicon carbide có độ dẫn nhiệt rất cao và thúc đẩy quá trình tản nhiệt giữa các bộ phận của xe điện12. Gốm silicon carbide được sử dụng trong bộ sạc xe điện (EV) giúp tăng hiệu suất bằng cách giảm nhu cầu sử dụng các bộ phận khác12.

8. Gốm SIC hữu ích cho các quá trình quang xúc tác. Đây là những phương pháp được sử dụng để tăng cường các quá trình nhiệt động lực học bằng cách sử dụng năng lượng ánh sáng cho quá trình quang hợp. Các quá trình quang xúc tác giúp giảm thiểu sự tiếp xúc của môi trường với hóa chất và độc tố từ các hoạt động công nghiệp. Theo cách này, silicon carbide là một công cụ hữu ích để bảo vệ môi trường của chúng ta13.

9. Độ cứng của vật liệu gốm sic khiến chúng được sử dụng làm vật liệu mài mòn. Bản thân vật liệu mài mòn cần có độ bền kéo cũng như độ bền. Vật liệu mài mòn như gốm sic được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xây dựng và công nghệ. Ví dụ về vật liệu mài mòn bao gồm giấy nhám, được sử dụng để làm nhẵn các bề mặt thô ráp mềm hơn14.

HÌNH 8: Vật liệu mài mòn silicon carbide - giấy nhám

10. Silicon carbide cũng được sử dụng để chế tạo vật liệu cắt. Nó rất cứng và do đó có thể chịu được sự ăn mòn khi cắt các vật thể khác. Vật liệu được phủ gốm sic mang lại độ chính xác và độ cứng cao khi cắt các vật liệu cứng. Hơn nữa, gốm silicon carbide dùng để cắt không dễ bị mài mòn hoặc ăn mòn ngay cả khi sử dụng nhiều lần.

Những thách thức trong việc sử dụng của silicon carbide bao gồm những điều sau đây:

Ø Silic cacbua là một vật liệu rất hiếm. Do đó, nguồn cung cấp của nó phụ thuộc vào sản xuất thương mại, mà trong hầu hết các trường hợp, dẫn đến các dạng hợp chất không tinh khiết.

Ø Chi phí sản xuất silicon carbide cao và điều này được phản ánh trong chi phí mua cao của các nhà công nghiệp có nhu cầu.

Phần kết luận:

Silic cacbua là một phát minh rất đáng chú ý và đã tiếp tục tạo ra những tác động tích cực trong nhiều hình thức ứng dụng khác nhau. Chúng tôi hy vọng rằng những tiến bộ công nghệ hơn nữa sẽ xuất hiện để đổi mới các phương pháp rẻ hơn, giúp nhiều nhà công nghiệp hơn có thể tiếp cận vật liệu này.