tìm hiểu nghiên cứu về xơ ceranic ( xơ gốm) và ứng dụng của xơ gốm trong sản xuất tấm đệm cách nhiệt

Các sợi gốm đường kính lớn với đường kính trên 100µm được tạo ra bằng cách lắng đọng hơi hóa học CVD và bằng phương pháp biểu mô tăng trưởng từ sự tan chảy cũng là những lực lượng tiếp v

BÀI KI M TRA TH Ể ƯỜ NG XUYÊN

H C PH N : V T LI U M I TRONG D T MAY Ọ Ầ Ậ Ệ Ớ Ệ

Đ tài: Tìm hi u, nghiên c u v x ceranic (x g m) và ng ề ể ứ ề ơ ơ ố ứ

d ng c a x g m trong s n xu t t m đ m cách nhi t ụ ủ ơ ố ả ấ ấ ệ ệ

• S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

• S i ch t o t các oxit đa tinh th khác ợ ế ạ ừ ể

• S i ch t o t oxit đ n tinh th ợ ế ạ ừ ơ ể

3 Tính ch t x g m ấ ơ ố

4 ng d ng c a x g m trong s n xu t t m đ m cách nhi t ứ ụ ủ ơ ố ả ấ ấ ệ ệ

Xơ sợi Ceramic được định nghĩa là xơ thuộc loại vật liệu chịu lửa, đa tinh thể (polycrystalline refractory fibre) mà thành phần gồm có oxit kim loại, cacbua kim loại, nitrua kim loại hoặc các hỗn hợp khác.

Từ năm 1950 sự phát triển công nghệ của hàng không vũ trụ, luyện kim, hạt nhân và hóa học đòi hỏi những vật liệu xơ chịu được nhiệt

độ cao và có sức kháng nhiệt cao hơn là xơ sợi thủy tinh.

Xơ sợi Ceramic bắt đầu phát triển từ 1980 dựa trên alumina (nhôm oxit Al2O3) hoặc silicat alumina hoặc silicon cacbua (silicon carbide).

Hình nh x g m ả ơ ố

1 Ngu n g c c u trúc x ồ ố ấ ơ

Các sợi gốm đường kính lớn với đường kính trên 100µm được tạo ra bằng cách lắng đọng hơi hóa học (CVD) và bằng phương pháp biểu mô tăng trưởng từ sự tan chảy cũng là những lực lượng tiếp viện tiềm năng Các ứng dụng dự kiến

là trong các tuabin khí, cả hàng không và trên mặt đất, nhiệt

bộ trao đổi, tường ngăn đầu tiên cho lò phản ứng nhiệt hạch, cũng như sử dụng cho mà không cần ma trận như bộ lọc nén cho khí ở nhiệt độ cao

Sợi gốm có thể chịu được những điều kiện khắt khe như vậy nhưng cũng thường cần thiết để chống lại tải cơ học tĩnh hoặc động ở nhiệt độ cao, Lý tưởng nhất, sợi gốm phải thể hiện đủ độ mềm dẻo để tạo hình có thể được tạo

ra bằng cách dệt và sau đó bị ma trận xâm nhập Điều này

có thể đạt được với gốm sứ có moduli Young cao, nếu các sợi có đường kính đủ nhỏ, vì độ mềm dẻo liên quan đến nghịch đảo của lũy thừa thứ tư của đường kính

2 Tính ch t, ph ng pháp s n xu t x ấ ươ ả ấ ơ

 Ch t o s i d a trên cacbua silic ế ạ ợ ự

• Chế tạo sợi dựa trên cacbua silic

Sợi SiC có đường kính mịn được làm từ các sợi tiền thân được kéo thành sợi từ sự nóng chảy của polyme

organosilicon, chẳng hạn như polycarbosilan (PCS) hoặc một trong các dẫn xuất của nó Họ polyme này chủ yếu được hình thành từ các vòng của sáu nguyên tử Si và C, định hình trước kiến trúc của cấu trúc blende- thời hạn của SiC Các nhóm metyl và nguyên tử hydro được ghép vào các vòng này và, một phần, vẫn còn trong sợi sau khi chuyển đổi thành sợi gốm bằng cách nhiệt phân trên 1200°

C

Oxy, được đưa vào trong quá trình đóng rắn, hình thành với cacbon

và silic, pha Si – C – O bền vững chiếm 35 đến 40% sợi theo trọng lượng, phần còn lại của sợi bao gồm các hạt carbon tự do Pha Si –

C – O cản trở sự phát triển của hạt và làm cho hạt bị rão Giai đoạn này bắt đầu phân hủy từ 1200 ° C Carbon và oxy dư thừa bị mất trong dạng oxit của cacbon nhưng không có sự đông đặc của phần còn lại đang phát triển

Yajima đã báo cáo việc chế tạo các sợi dựa trên SiC mịn đầu tiên và các đồng nghiệp của ông ở Nhật Bản vào giữa những năm 1970 2 và được thương mại hóa theo tên của sợi Nicalon bởi Nippon Carbon vào đầu những năm 1980 Chúng được sản xuất từ sợi PCS để đạt được liên kết chéo bằng cách xử lý nhiệt trong không khí ở khoảng 200 °

C Liên kết Si – H và C – H bên bị oxy hóa và các liên kết Si – O – Si hoặc Si – O – C mới được tạo ra các cặp liên kết của chuỗi polyme

Hình thái đứt gãy của Nicalon NL-200 gốc SiC đóng rắn bằng oxy chất xơ.

Sợi có đường kính 14µm và có dạng thủy tinh.

xuất hiện khi quan sát trong SEM (kính hiển vi điện tử quét).

 Ch t o s i d a trên cacbua silic ế ạ ợ ự

• X đ c b o d ng b ng cách chi u x ơ ượ ả ưỡ ằ ế ạ

Việc cải tiến hơn nữa các sợi dựa trên SiC yêu cầu loại

bỏ oxy từ cấu trúc Điều này đã đạt được nhờ Nippon Carbon bằng cách chiếu xạ- sợi PCS tiền thân ating với chùm điện tử 2 MeV Si và nguyên tử C ngồi các gốc được hình thành và các phản ứng tái tổ hợp gốc- gốc cho phép các chuỗi được liên kết chéo mà không

có oxy những Hi- Sợi Nicalon 5 bị nhiệt phân lên đến khoảng 1400 ° C Hàm lượng oxy là giảm xuống 0,5% trọng lượng nhưng sợi chứa nhiều carbon tự do hơn (C at / Si at = 1.39) vì càng ít oxit cacbon có thể rời khỏi sợi trong quá trình xử lý nhiệt.

Lo i s i ạ ợ Nhà ch t o ế ạ Th ng hi u ươ ệ Thành ph n (wt ầ

%)

Đ ng ườ kính(µ m)  

T tr ng (g/m ỉ ọ 3 L c kéo (Gpa) ự S c căng đ n ứ ế

14  

2,55  

2.0  

1,05  

190   Cacbua

NLM 202  

31,7% C 11,7% O    

Nippon  

Hi-Nicalon  

62,4% Si  

14  

2,74  

2,6  

1,0  

263   Cacbua

0,5% O  

Ube Industries  

Tyranno Lox-M

54,0% Si 31,6% C 12,4% O 2,0% T  

8.5  

2,37  

2,5  

1,4  

180  

Ube Industries  

Tyranno Lox-E

54,8% Si 37,5% C 5,8% O 1,9% T  

11  

2,39  

2,9  

1,45  

199  

G n góc Si-C ầ

Nippon Carbon  

Hi-Nicalon Type-S  

68,9% Si 30,9% C 0,2% O  

13  

3.0  

2,5  

0,65  

375  

Ube Industries  

Tyranno SA1 SA3  

SiC

Al <1%

+ l ng nh c a C+O ượ ỏ ủ  

10 7,5  

3.0 3.1  

2,6 2,9  

0,75 0,8  

330 340   Dow Corning

Sylramic  

SiC 96% ∼ TiB2∼ 3,0%

C 1,0% ∼

O 0,3% ∼  

10  

3.1  

3.0  

0,75  

390  

B ng tính ch t và thành ph n c a s i d a trên silicon. Thành ả ấ ầ ủ ợ ự

ph n và m t đ là nh ng thành ph n do nhà s n xu t đ a ra ầ ậ ộ ữ ầ ả ấ ư

Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có độ phân giải cao của một sợi Hi-Nicalon,

hiển thị các hạt β-SiC khoảng 10nm, bao quanh bởi pha Si – C kém tổ chức và cacbon bậc ba.

• X thêu k t ơ ế

Ba loại sợi thiêu kết mới, được các nhà sản xuất của họ gọi là stichiometric, được phát triển bởi Ube Industries, Dow Corning và Nippon Carbon và được gọi lần lượt là Tyranno SA, 8 Sylramic 9 và Hi-Nicalon Type-S

Sợi tiền thân PCS được xử lý bằng cách chiếu xạ và nhiệt phân trong hydro bầu không khí phong phú lên đến 1500 ° C để giảm hàm lượng carbon tự do

Ba loại sợi chứa một lượng tự do đáng kể carbon, nằm ở các túi giữa các cụm hạt SiC, điều này giải thích tại sao mô đun Young của họ vẫn thấp hơn

so với SiC thiêu kết số lượng lớn

 Ch t o s i d a trên cacbua silic ế ạ ợ ự

Cấu trúc vi mô củasợi Hi-Nicalon Type-S được TEM tiết lộ.

Các sợi được cấu tạo từ các hạt SiC có kích thước từ 50 đến 100nm

và các túi tự docarbon.

Hạt kích thước là 50 đến 100nm, như trong Ba loại sợi chứa một lượng tự do đáng kể carbon, nằm ở các túi giữa các cụm hạt SiC, điều này giải thích tại sao mô đun Young của họ vẫn thấp hơn so với SiC thiêu kết số lượng lớn.

Khi thành phần của các sợi tiếp cận với phép đo phân lớp, độ rão thấp hơn và tốc độ oxy hóa thu được Tuy nhiên, họ sợi này là có khả năng bị giới hạn bởi quá trình oxy hóa ở nhiệt độ tối đa 1400 ° C.

 Ch t o s i d a trên cacbua silic ế ạ ợ ự

• Sợi SiC được làm bằng cách lắng đọng hơi hóa học

Sợi cacbua silic được tạo ra bởi CVD được sản xuất trên cả vonfram và lõi cacbon Trong sản xuất thương mại, hỗn hợp khí được đưa vào nhiều điểm phun của lò phản ứng thẳng đứng, khoảng hai mét theo chiều dài Nhiệt độ dọc theo lò phản ứng đạt cực đại từ 1400 đến 1500 ° C ở giai đoạn đầu của quá trình lắng đọng Đi qua lò phản ứng có thứ tự trong một hoặc hai phút và tạo

ra một sợi với đường kính lớn hơn 100µm

Trọng lượng riêng của đường kính 100µm mét của sợi SiC-W là 3,35 trong khi của sợi SiC-C có đường kính 140µm là khoảng 3.2

 Các sợi SiC ban đầu được phát hiện có độ phân tán rộng về độ bền kéo và điều này đã được giảm bớt bằng cách phủ lên chúng một lớp carbon mỏng

 Ch t o s i d a trên cacbua silic ế ạ ợ ự

Mặt cắt ngang của sợi SiC do CVD tạo ra trên lõi vonfram

Các loại sợi không oxit khác nhau đã được phát triển tại phòng thí nghiệm hoặc thí điểm cáu cặn từ silicon khác có chứa tiền chất như polysilazane Các sợi thu được có cấu trúc vô định hình dựa trên Si – C – N – O, Si – N hoặc Si – B – N – C, nhưng kết tinh lại từ 1200 ° C hoặc cho thấy khả năng chống ôxy hóa kém.

Các sợi boron nitride có cấu trúc tuabin định hướng cũng đang được được phát triển cho các ứng dụng cụ thể, nhưng

về bản chất chúng không thích ứng với chống lại quá trình oxy hóa.

• S i ch t o trên oxit khác ợ ế ạ

 S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

• S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

N u các s i hi u su t cao ph i ti p xúc v i môi tr ng oxy hóa và ế ợ ệ ấ ả ế ớ ườnhi t đ trên 1400 ° C, chúng s ph i đ c làm t các oxit v i nhi t ệ ộ ẽ ả ượ ừ ớ ệ

đ nóng ch y cao. α-alumina đ c s d ng r ng rãi. ộ ả ượ ử ụ ộ

C u trúc ph c t p c a nó cung c p vect l n đ ng su t là c n thi t ấ ứ ạ ủ ấ ơ ớ ể ứ ấ ầ ế

đ t o ra tính d o trong đ n tinh th Có th thu đ c các s i α-ể ạ ẻ ơ ể ể ượ ợalumin caoine không b rão lên đ n 1600 ° C n u tr c s i hoàn toàn ị ế ế ụ ợ

t ng ng v i tr c [0001]. Tuy nhiên không có kh thi các quy trình ươ ứ ớ ụ ả

t n t i hi n nay đ s n xu t các monocrys liên t c t t và linh ho t- ồ ạ ệ ể ả ấ ụ ố ạ

s i caoine. Do đó, ch có các s i đa tinh th m i có th đ c coi là ợ ỉ ợ ể ớ ể ượgia c đ g m. Các tuy n x lý khác nhau t n t i đ th c hi n s i và ố ồ ố ế ử ồ ạ ể ự ệ ợchúng d n đ n m t lo t các vi c u trúc và hành vi t i nhi t đ caoẫ ế ộ ạ ấ ạ ệ ộ

Ti n ch t c a alumin là dung d ch n c nh t c a nhôm c b n Al ề ấ ủ ị ướ ớ ủ ơ ả

X n (OH) 3− n, trong đó X có th là ph i t vô c (Cl - NO 3 −) ho c m t ph i ể ố ử ơ ặ ộ ố

t h u c (HCOOH -). 12 Quay ti n ch t t o ra m ts i gel sau đó đ c làm ử ữ ơ ề ấ ạ ộ ợ ượkhô và x lý nhi t. ử ệ

S phân h y c a ti n con tr t o ra s k t t a c a nhôm hydroxit, ch ng ự ủ ủ ề ỏ ạ ự ế ủ ủ ẳ

h n nh boehmite AlO (OH), và s thoát ra m t l ng l n các h p ch t còn ạ ư ự ộ ượ ớ ợ ấ

l i. Các s thay đ i th tích liên quan và đ x p b c này ph i đ c ki m ạ ự ổ ể ộ ố ở ướ ả ượ ểtra c n th n. Nó cũng có th quay các sol n c d a trên nhôm hydrox-ides ẩ ậ ể ướ ự

tr c ti p.ự ế

 S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

S i Alumina-silica là s i g m đ u tiên đ c s n xu t vào th i kỳ đ u 1970, cho các ợ ợ ố ầ ượ ả ấ ờ ầ

ng d ng cách nhi t. M t l ng nh silica (≈3% tr ng l ng trong các s i

Hình nh tr ng t i c as i Altex ti t l các h t γ-aluminađ c nhúng ả ườ ố ủ ợ ế ộ ạ ượ

trong silica vô đ nh hình.ị

• S i α-alumin m t pha ợ ộ

 S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

Đ có đ c s i alumin ch ng rão, chúng ph i đ c lo i b các pha ể ượ ợ ố ả ượ ạ ỏsilicat d ng h t. Đi u này áp đ t các quy trình khác ngoài vi c b sung ạ ạ ề ặ ệ ổsilica đ ki m soát s phát tri n c a α-alumina. M t s i α-alumina tinh ể ể ự ể ủ ộ ợkhi t đ u tiên đ c t o ra do Du Pont đ a ra vào năm 1979. ế ầ ượ ạ ư

S i α-alumina linh ho t yêu c u đ ng kính kho ng 10µm. Đây là l n ợ ạ ầ ườ ả ầ

đ u tiên đ t đ c b i Mitsui Mining b ng cách gi m kích th c c a ầ ạ ượ ở ằ ả ướ ủ

b t α-alumina. ộ

C u trúc vi mô c as i Nextel 610 bao g m các h t α-alumina ấ ủ ợ ồ ạ

kho ng 100nm ả  

• S i t α-alumina / zirconia ợ ừ

 S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

S i có m t đ ng kính 20µm và ch a 20% tr ng l ng zirconia ợ ộ ườ ứ ọ ượ

t giác d ng h t có kích th c 0,1µm, h n ch s phát tri n ứ ở ạ ạ ướ ạ ế ự ể

C u trúc tinh th ph c t p c a mullite cung c p kh năng ch ng rão n u có th ấ ể ứ ạ ủ ấ ả ố ế ểthu đ c vi c u trúc thiêu k t, đ c g i là Nextel 720, 22 b ng cách s d ng ượ ấ ế ượ ọ ằ ử ụsol n c bao g m silica đ c tr n đ u và ti n ch t alumin, v i các h p ch t s t ướ ồ ượ ộ ề ề ấ ớ ợ ấ ắ

đ c s d ng làm h t gi ng cho α-alumin.ượ ử ụ ạ ố

S i đ c c u t o b i m t chu i liên t c c a các h t kh m mullite ợ ượ ấ ạ ở ộ ỗ ụ ủ ạ ảkho ng 0,5µm v i đ ng vi n g n sóng, không có pha gi a các h t ả ớ ườ ề ợ ữ ạsilicat. M i b c tranh kh m ngũ c c bao g m m t s h t mullite ỗ ứ ả ố ồ ộ ố ạ

h i l n l n v i nhau đ nh h ng và bao quanh các h t α-alumin ơ ẫ ộ ớ ị ướ ạhình c u và kéo dài c a có đ ng kính t ng ng là 50nm và chi u ầ ủ ườ ươ ứ ềdài 100nm

 S i ch t o trên các oxit g c nhôm ợ ế ạ ố

• S i t α-alumina / mullite ợ ừ

Hình thái đ t gãy c as i Nextel 720  1200 ° C trong ứ ủ ợ ở

s hi n di n c a các ch t gây ô nhi m ki m ự ệ ệ ủ ấ ễ ề

N l c s n xu t các ch t gia c oxit ch ng rão đã d n đ n th nghi m ỗ ự ả ấ ấ ố ố ẫ ế ử ệphát tri n s i đa tinh th t tinh th ph c t p- h th ng lographical ể ợ ể ừ ể ứ ạ ệ ố

nh mullite, chrysoberyl ho c c u trúc gi ng garnet Trong s ư ặ ấ ố ố

đó, s i garnet nhôm yttrium (YAG) (Yợ 3 Al5 O12) d ng nh h u h t đi u ườ ư ầ ế ề

h a h n.ứ ẹ 

• Các s i ch t o t oxit đa tinh th khác ợ ế ạ ừ ể

 S i ch t o t oxit đ n tinh th ợ ế ạ ừ ơ ể

Các s i đ n tinh th liên t c đã đ c phát tri n b i Công ty Saphikon ợ ơ ể ụ ượ ể ở ở

M  Nh ng s i này đ c phát tri n t quá trình n u ch y alumin, ho c đ c ỹ ữ ợ ượ ể ừ ấ ả ặ ượnung nóng trong chén nung ho c t đ u thanh nhôm đ c đ t nóng b ng tia ặ ừ ầ ượ ố ằlaser, và do đó, đ c t o ra v i t c đ ch m và giá thành cao và đ ng kính ượ ạ ớ ố ộ ậ ườ

l n th ng v t quá 100µm ớ ườ ượ

• S i ch t o t oxit đ n tinh th ợ ế ạ ừ ơ ể

C ng đ quan sát đ c r i vào kho ng 300 ° C, sau đó là tăng ườ ộ ượ ơ ả

c ng đ kho ng 500 ° C, có th do ăn mòn ng su t ti p theo b ng ườ ộ ả ể ứ ấ ế ằcách b khóa v t n t. 24 Nh ng s i này không ph i là không có ẻ ế ứ ữ ợ ả

khuy t t t và đ c tínhế ậ ặ

Nh ng tính ch t quan tr ng nh t c a x Ceramic là đ b n cao, mô ữ ấ ọ ấ ủ ơ ộ ềđun cao, đ d n nhi t r t th p và nhi t đ cao nó ch u nhi t r t ộ ẫ ệ ấ ấ ở ệ ộ ị ệ ấ

t t và ch ng l i s suy bi n v t lýố ố ạ ự ế ậ

X Ceramic có th đ c s d ng liên t c nhi t đ cao và trong ơ ể ượ ử ụ ụ ở ệ ộ

m t s tr ng h p, ph m vi nhi t đ có th lên t i 1800ộ ố ườ ợ ạ ệ ộ ể ớ oC

X Ceramic có đ ng kính nh đ c s d ng hi u qu trong các c t ơ ườ ỏ ượ ử ụ ệ ả ốgia c ng kim lo i, th y tinh và ceramic Trong tr ng h p này, ườ ạ ủ ườ ợcompozit có th ch u đ c nhi t đ l n h n 1000ể ị ượ ệ ộ ớ ơ oC Trên nhi t đ ệ ộnày nh ng x lo i có đ ng kính nh gi m đ b n c h c khi đ lâu ữ ơ ạ ườ ỏ ả ộ ề ơ ọ ểtrong nhi t đ trên Khi d báo hi u qu c a x Ceramic tác đ ng ệ ộ ự ệ ả ủ ơ ộlên tính ch t c a compozit c n thi t ph i xác đ nh đ c tính ch t ấ ủ ầ ế ả ị ượ ấ

c h c c a x nhi t đ cao.ơ ọ ủ ơ ở ệ ộ

3 Tính ch t x Ceramic ấ ơ

Lo i x ạ ơ

Nhi t đ t i đa đ c s d ng ( ệ ộ ố ượ ử ụ o C)

Môi tr ng ôxi hóa ườ Môi tr ng ườ

không ôxi hóa

Nhi t đ ệ ộ nóng ch y ả

Công ngh Compozit Trong đó có yêu c u đ b n cao, đ c ng và tính n đ nh ệ ầ ộ ề ộ ứ ổ ị

c u trúc nhi t đ cao.ấ ở ệ ộCách nhi t c c m nh, l c khí nhi t đ cao.ệ ự ạ ọ ệ ộ

X Ceramic có ng d ng ngày càng nhi u trong gia c ng kim lo i và ceramic có ơ ứ ụ ề ườ ạ

ng d ng trong các compozit tiên ti n phù h p cho công nghi p hàng không vũ

tr và công nghi p hóa h c ng d ng ceramic h ng vào v t li u đ t trong nhi t ụ ệ ọ Ứ ụ ướ ậ ệ ặ ệ

đ cao và/ho c đi u ki n ăn mòn.ộ ặ ề ệ

4 ứng dụng của xơ gốm trong sản xuất tấm đệm cách nhiệt

X Ceramic g n trong khuôn ceramic, là m t lo i v t li u compozit ơ ắ ộ ạ ậ ệ

m i có ng d ng trong nhi u lĩnh v c nhi t đ cao và c n có đ b n ớ ứ ụ ề ự ệ ộ ầ ộ ềcao, ch u đ c bi n d ng rão và l i r t t t Nó đ c ng d ng trong ị ượ ế ạ ỏ ấ ố ượ ứ ụcác t m ch n nhi t và đ ng c ph n l cấ ắ ệ ộ ơ ả ự

T M Đ M X G M Ấ Ệ Ơ Ố

T m đ m x g m đ c t o thành t x g m, m t v t li u cách nhi t ấ ệ ơ ố ượ ạ ừ ơ ố ộ ậ ệ ệ

ch ng cháy có màu tr ng và kích th c g n gàng, tích h p ch c năng ố ắ ướ ọ ợ ứ

ch ng cháy, tách nhi t và cách nhi t, không ch a ch t k t dính và duy ố ệ ệ ứ ấ ếtrì đ b n kéo t t, đ d o dai và c u trúc d ng x khi đ c s d ng trong ộ ề ố ộ ẻ ấ ạ ơ ượ ử ụmôi tr ng trung tính, b ôxy hóa.ườ ị