Gốm sứ được sử dụng để làm đồ gốm trong các nền văn minh cổ đại; ngày nay chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các loại gốm sứ hiện đại khác nhau có những đặc tính và ứng dụng tinh vi.
Trong số đó, gốm kết cấu là loại vật liệu quan trọng được sử dụng trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, y tế, ô tô, kỹ thuật, năng lượng và điện tử.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến các ứng dụng của gốm kết cấu trong các ngành công nghiệp hiện đại. Hãy bắt đầu thôi.
Gốm sứ kết cấu là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Gốm kết cấu là vật liệu gốm kỹ thuật được xử lý để sản xuất máy móc, thiết bị, công cụ và phương tiện tiên tiến.
Các chi tiết gốm kết cấu mang lại hiệu suất ổn định trong điều kiện khắc nghiệt. Chúng được ưa chuộng nhờ độ bền cơ học cao, độ ổn định nhiệt, khả năng chống mài mòn, độ bền và tính trơ tuyệt vời.
Gốm kết cấu nhẹ nhưng bền chắc. Việc sử dụng chúng giúp giảm đáng kể trọng lượng của máy móc và dụng cụ.
Các thành phần gốm này có ứng dụng trong sản xuất công nghệ cao, nơi gốm sứ và kim loại thông thường không thể sử dụng được. Chúng đã làm cho các lĩnh vực kỹ thuật quan trọng như cơ khí, hàng không vũ trụ và ô tô trở nên sáng tạo hơn.
Công nghệ hiện đại phụ thuộc nhiều vào đặc tính và hiệu suất đặc biệt của gốm sứ kết cấu.
Một số ví dụ về gốm sứ kết cấu quan trọng:
-
Nhôm oxit (Al2O3): Nhôm oxit là một trong những vật liệu gốm kết cấu nổi tiếng nhất. Đây là vật liệu màu trắng với một số đặc tính vượt trội, bao gồm điểm nóng chảy cao, độ bền cao, độ cứng cực cao, độ ổn định nhiệt, khả năng chống mài mòn và độ dẫn điện.
Al2O3 tinh khiết với các đặc tính mong muốn có giá thành thấp. Đây là vật liệu gốm chịu lửa thường được sử dụng làm vật liệu mài mòn, cách điện và gia nhiệt.
-
Silic Nitride (Si3N4): Si3N4 là vật liệu gốm cấu trúc có khả năng chịu mài mòn cao và ổn định nhiệt. Nó có màu đen hoặc xám đậm, có thể được đánh bóng để có vẻ ngoài sáng bóng.
-
Cacbua Silic (SiC): Silicon carbide là vật liệu có màu đen hoặc xanh lục, có khả năng chống ăn mòn và độ cứng cao.
Silic cacbua có thể chế tạo thành nhiều sản phẩm gốm cực kỳ cứng, rất lý tưởng để sử dụng trong các bộ phận ô tô.
-
Zirconia (ZrO2): ZrO2 là oxit tinh thể màu trắng của zirconi. Độ ổn định nhiệt cao và khả năng chống sốc nhiệt vượt trội là hai đặc tính quan trọng của Zirconia.
Đây là loại gốm không mùi, chịu lửa, được sử dụng phổ biến trong cảm biến oxy, lớp phủ phun plasma và cấy ghép y tế.
-
Nitrua Bo (BN): Bo nitrua bao gồm một nguyên tử bo và một nguyên tử nitơ, tạo thành cấu trúc lục giác giống như than chì nhờ các liên kết cộng hóa trị nhị phân. Nó có khả năng cách điện cực tốt, độ dẫn nhiệt rất cao và độ ổn định nhiệt độ cao.
Nitrua bo được tìm thấy ở dạng rắn và dạng hạt có độ cứng cực cao, tương tự như kim cương.
Ứng dụng của gốm sứ kết cấu trong các ngành công nghiệp hiện đại khác nhau:
-
Kỹ thuật cơ khí: Kỹ thuật cơ khí là một lĩnh vực kỹ thuật phức tạp, trong đó các chi tiết gốm kết cấu đóng vai trò quan trọng. Các chi tiết gốm thể hiện độ chính xác và độ bền vượt trội trong máy móc và thiết bị cơ khí.
Một số thành phần gốm thiết yếu được sử dụng trong kỹ thuật cơ khí là thanh gốm, pít-tông gốm, ống lót gốm, con lăn hàn gốm, đĩa gốm, chốt gốm, vòi phun gốm và van gốm.
Gốm kết cấu cũng có ứng dụng to lớn trong sản xuất máy móc, dụng cụ cắt và mài, linh kiện chống mài mòn, thiết bị xử lý nhiệt và thiết bị xử lý hóa chất.
Dưới đây là các loại máy móc cơ khí thông dụng được làm từ gốm kết cấu:
-
Vòng bi và ống lót
-
Phớt và miếng đệm
-
Đá mài
-
Chèn cắt
-
Cánh bơm và lớp lót
-
Ghế van và bi
-
Đồ nội thất lò nung
-
Bộ trao đổi nhiệt
-
Hệ thống lọc
-
Bình phản ứng, v.v.
-
Hàng không vũ trụ: Vật liệu gốm kết cấu rất cần thiết cho ngành hàng không vũ trụ.
Chúng là những thành phần chính của thân máy bay, các bộ phận động cơ và vật liệu an toàn, và thường được sử dụng dưới dạng vật liệu composite nền gốm (CMC). Những vật liệu CMC này bền và cứng hơn so với vật liệu gốm đơn lẻ.
Trong ngành hàng không vũ trụ, trọng lượng là một yếu tố quan trọng; gốm kết cấu làm giảm tổng trọng lượng của xe và tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu.
-
Ô tô: Gốm kết cấu đã giúp ô tô đạt hiệu suất cao trong điều kiện khắc nghiệt. Chúng là thành phần chính của các bộ phận phanh, hệ thống xả và các thiết bị điện tử trên ô tô hiện đại.
Thị trường gốm sứ ô tô toàn cầu đang phát triển và dự kiến sẽ đạt CAGR (Tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm) là 6,3% vào năm 2030.
-
Bộ Năng lượng: Cơ sở hạ tầng và thiết bị năng lượng đòi hỏi vật liệu có độ ổn định nhiệt độ cao và bền vững trong điều kiện môi trường đầy thách thức.
Gốm kết cấu hỗ trợ việc sản xuất các thiết bị và cấu trúc năng lượng hiệu suất cao cho ngành năng lượng. Các thành phần điện và cơ khí chắc chắn sau đây được chế tạo bằng loại gốm này:
-
Tua bin khí,
-
Bộ tăng áp,
-
Bộ trao đổi nhiệt,
-
Hệ thống xả,
-
Thiết bị cách điện,
-
Pin nhiên liệu và pin,
-
Pin mặt trời
-
Robot
-
Bộ phận tác động bằng gốm
-
sứ cách điện cao áp, rơ le và cảm biến.
-
Ngành công nghiệp hóa chất: Ngành công nghiệp hóa chất hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, nơi các vật liệu thông thường thường thiếu độ bền. Do đó, thiết bị sản xuất gốm kết cấu là rất quan trọng đối với các nhà máy này.
Sau đây là những yếu tố chính của các nhà máy chế biến hóa chất nơi có vật liệu gốm tiên tiến.
Lò phản ứng hóa học: Zirconia (ZrO2) và Silicon carbide (SiC) là hai loại gốm cấu trúc đa năng với khả năng chống ăn mòn và hóa chất vượt trội. Chúng được sử dụng để chế tạo lò phản ứng hóa học, chịu được môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ cao.
Bình phản ứng và lớp lót: Các thành phần gốm có độ trơ cao trong điều kiện oxy hóa. Chúng ngăn ngừa các phản ứng hóa học và ô nhiễm trong các hệ thống xử lý hóa học có tính phản ứng cao, đảm bảo tính toàn vẹn trong vận hành.
Phụ kiện bơm và van: Gốm kết cấu cứng, chống mài mòn và bền bỉ. Do đó, các bộ phận van và bơm được làm bằng vật liệu gốm kết cấu. Chúng có thể đạt tuổi thọ cao hơn ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt nhất của các nhà máy hóa chất.
-
Sản xuất chất bán dẫn: Gốm hiệu suất cao được chế tạo thành phụ kiện có nhiều ứng dụng trong sản xuất chất bán dẫn. Chúng mang lại độ chính xác, độ tin cậy và độ bền trong quá trình chế tạo các thiết bị và chip bán dẫn tinh vi.
Nhôm oxit và silicon nitride được sử dụng trong các đế wafer để đánh bóng nhờ độ cứng và khả năng chống mài mòn. Chúng cũng được sử dụng trong các cấu trúc mạch tích hợp (IC) phức tạp và đóng gói bán dẫn.
-
Thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử làm bằng gốm có cấu trúc cứng đáng tin cậy và bền hơn. Các khung điện tử phức tạp đòi hỏi chất lượng điện và nhiệt vượt trội, thường được tìm thấy trong các chất nền gốm.
Vật liệu gốm cho phép tạo ra những thiết kế sáng tạo cho các thiết bị điện tử.
Một số vật liệu gốm chức năng là thành phần thiết yếu trong mạch tần số cao của hệ thống viễn thông và truyền dẫn.
Một số vật liệu gốm composite khác có tác dụng như lá chắn điện từ cho các hệ thống điện tử nhạy cảm và chống nhiễu điện từ (EMI).
-
Ứng dụng y tế: Gốm sứ kết cấu có tác động mang tính cách mạng đối với công nghệ y học hiện đại. Chúng đã đưa việc điều trị y tế lên một tầm cao mới.
Thiết bị điện y tế: Các máy điện y tế khác nhau có các thành phần cấu trúc làm bằng gốm, chẳng hạn như:
-
chất cách điện làm bằng nhôm hiệu suất cao trong máy chụp X-quang,
-
cấu trúc chính xác của điện cực gốm và giá đỡ điện cực trong máy quang phổ khối,
-
nhôm siêu tinh khiết trong máy xét nghiệm máu,
-
các thành phần bơm chính xác, v.v.
Khoa học sự sống: Một số phụ kiện y tế cứu sinh được làm từ vật liệu gốm cấu trúc chống mài mòn và ăn mòn, bao gồm bình phun chất lỏng, van máu trượt và vòi phun phân phối chất lỏng.
Những câu hỏi thường gặp:
Câu hỏi: Gốm sứ hiện đại khác với gốm sứ truyền thống như thế nào?
Trả lời: Sự khác biệt chính giữa gốm sứ hiện đại và gốm sứ truyền thống nằm ở nguyên liệu thô, quy trình chế biến và tính chất của chúng.
Đồ gốm truyền thống thường được làm từ các thành phần tự nhiên như đất sét, khoáng chất và đá.
Tuy nhiên, thành phần chính của gốm sứ hiện đại là các hợp chất vô cơ, chất tổng hợp và chất kết dính có độ tinh khiết cao. Chúng được tổng hợp trong một quy trình đúc, thiêu kết và gia công nghiêm ngặt.
Gốm sứ được sử dụng trong công nghiệp như thế nào?
Các ứng dụng công nghiệp của gốm sứ bao gồm sản xuất phụ tùng chịu nhiệt, chịu mài mòn, vật liệu chịu lửa, ổ trục, vật liệu mài mòn, dụng cụ cắt, v.v.
Kết luận: Do đó, vật liệu gốm kết cấu là một phần không thể thiếu của nền văn minh công nghệ hiện đại. Chúng được ứng dụng từ hàng không vũ trụ đến các linh kiện gia dụng, và ngành công nghiệp gốm sứ đang phát triển nhanh chóng ở khắp mọi nơi.
Gốm sứ kết cấu không chỉ là vật liệu; chúng là một yếu tố kiến trúc đặc biệt, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của chúng ta mỗi ngày. Nhu cầu về những vật liệu này đang vượt xa kỷ lục nhờ sự tiến bộ của công nghệ.