Khả năng chống sốc nhiệt của gốm sứ tiên tiến

Khả năng chống sốc nhiệt là khả năng của vật liệu chịu được sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng mà không bị nứt hoặc hỏng. Mặc dù gốm sứ tiên tiến nổi tiếng với độ cứng và độ bền cao, nhưng do tính giòn vốn có và khả năng chịu nhiệt độ thấp, nó dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Do đó, khi lựa chọn gốm sứ cho môi trường nhiệt độ cao và áp lực cao, khả năng chống sốc nhiệt là một chỉ số quan trọng.

Khả năng chịu sốc nhiệt

Tại sao khả năng chống sốc nhiệt lại quan trọng đối với gốm sứ?

Gốm sứ thường hoạt động trong môi trường có sự thay đổi nhiệt độ cực đoan và không thể dự đoán được:

  • Phốt cơ khí và ổ trục: Tiếp xúc đột ngột với chất làm mát sau khi quay với tốc độ cao.
  • Đầu phun plasma và laser: Tiếp xúc lặp đi lặp lại với khí nóng và làm mát nhanh chóng.
  • Thiết bị bán dẫn và LED: Chu trình nhiệt trong quá trình sản xuất và vận hành.
  • Phụ tùng ô tô và hàng không vũ trụ: Làm nóng/làm lạnh nhanh bằng cách đốt cháy hoặc luồng khí.

Nếu không có khả năng chống sốc nhiệt thích hợp, ngay cả gốm sứ có độ bền cao cũng có thể bị hỏng đột ngột, dẫn đến hư hỏng thiết bị, rủi ro an toàn và tăng chi phí bảo trì.

Yếu tố ảnh hưởng

  • Độ dẫn nhiệt cao → Giảm độ dốc nhiệt độ
  • Hệ số giãn nở nhiệt thấp → Giảm ứng suất nhiệt
  • Độ bền gãy cao → Khả năng chống lại sự lan rộng của vết nứt
  • Độ bền cao, độ đậm đặc tốt → Nâng cao chênh lệch nhiệt độ sốc nhiệt ΔTc

Kết luận: Các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao thường thể hiện khả năng chống sốc nhiệt tốt hơn.

Nguyên tắc thiết kế

  • Sử dụng gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao.
  • Giảm tập trung ứng suất bên trong gốm sứ (tối ưu hóa thiết kế cấu trúc)
  • Tránh các góc nhọn, sử dụng các góc tròn
  • Tối ưu hóa độ dày vật liệu và đường dẫn tản nhiệt
  • Cài đặt các bộ phận dự phòng hoặc lớp cách nhiệt ở các khu vực thường xuyên xảy ra sốc nhiệt.
  • Khi cần thiết, áp dụng công nghệ gia cố bằng gốm composite.

Dữ liệu về khả năng chống sốc nhiệt của gốm sứ tiên tiến trọng điểm

Lựa chọn gốm sứ tiên tiến phù hợp với điều kiện sốc nhiệt đòi hỏi phải cân bằng giữa độ bền cơ học, hệ số giãn nở nhiệt và hệ số dẫn nhiệt. Mặc dù không có vật liệu nào có thể đáp ứng hoàn hảo tất cả các yêu cầu, nhưng việc lựa chọn vật liệu được thiết kế riêng có thể đạt được hiệu suất tối ưu dưới tác động của ứng suất nhiệt chu kỳ.

Tại Great Ceramic, chúng tôi cung cấp tư vấn vật liệu và gia công chính xác cho các ứng dụng nhiệt đa dạng, từ ngành hàng không vũ trụ đến ngành bán dẫn.

Vật liệu Độ dẫn nhiệt(W/m·K) Sự giãn nở nhiệt(10⁻⁶/K) Dung sai ΔT tiêu biểu (℃) Đặc điểm
Silicon nitride (Si₃N₄) 20–30 2,8–3,3 500~700 Độ bền gãy cao + độ dẫn nhiệt trung bình đến cao, vật liệu lý tưởng cho khả năng chống sốc nhiệt.
Silicon carbide (SiC) 120 4.0–4.5 350~500 Tính dẫn nhiệt cao + độ bền cao, được ứng dụng rộng rãi trong môi trường nhiệt của ngành luyện kim và hóa chất.
Nitrua nhôm (AlN) 175 4.5–5.3 300~500 Gốm sứ dẫn nhiệt cao, được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống quản lý nhiệt.
Oxit beo (BeO) 230 7,5–9,0 ~250 Độ dẫn nhiệt cực cao, nhưng độc hại, ứng dụng hạn chế.
Zirconia-toughened alumina ~15 7,5–8,0  ~325 Alumina tăng cường độ bền, thích hợp cho môi trường sốc nhiệt nhẹ
Boron nitride (BN) 60–80 (hexadecimal) 1.0–2.0 ~200 Hệ số giãn nở cực thấp nhưng độ bền thấp, thích hợp cho lớp cách nhiệt.
Glass ceramics that can be processed 1,5–3,5 3.0–3.5 ~200 Có khả năng gia công cơ khí tốt, nhưng tính dẫn nhiệt và độ bền thấp.
Zirconium oxide (ZrO₂) 2,5–3 10.0–11.5 ~300 Độ bền cao nhưng tính dẫn nhiệt thấp, dễ bị nứt do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột.
Aluminium oxide (Al₂O₃, 99.5%) 25–35 7,5–8,5 200~300 Thường được sử dụng trong gốm sứ, nhưng không thích hợp cho môi trường có sự thay đổi nhiệt độ đột ngột thường xuyên.

*Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo.

Cần giúp đỡ để chọn gốm sứ phù hợp?

Việc lựa chọn vật liệu gốm sứ có độ bền cao phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ tin cậy lâu dài và hiệu suất tối ưu. Dù bạn cần gốm sứ dựa trên zirconia, silicon nitride hay alumina, vật liệu của chúng tôi đều cung cấp độ bền, độ bền và độ chính xác hàng đầu trong ngành.

Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn – hãy liên hệ với chúng tôi ngay lập tức, chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn những lời khuyên chuyên nghiệp và tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể của bạn.

So sánh: Gốm sứ với kim loại và nhựa

Hình dưới đây sử dụng thông số R làm chỉ số (giá trị càng cao, hiệu suất càng tốt), và sắp xếp các vật liệu thông dụng theo giá trị kháng sốc nhiệt của chúng. Các giá trị này được lấy từ cơ sở dữ liệu vật liệu và tiêu chuẩn ngành.

■ Đỏ: Gốm sứ cao cấp    ■ Màu vàng: Kim loại    ■ Xanh lục: Nhựa

*Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo.

Ứng dụng dựa trên tính chống sốc nhiệt của gốm sứ

  • Chất liệu: Nitrua nhôm (AlN)
  • Bối cảnh ứng dụng: Các thiết bị như IGBT, MOSFET công suất, v.v. thường xuyên trải qua sự thay đổi nhiệt độ nóng lạnh trong quá trình hoạt động.
  • Yêu cầu về tính năng chính: Độ dẫn nhiệt cao, tính cách điện và khả năng chịu sốc nhiệt.
  • Ưu điểm: Bề mặt gốm sứ sẽ phải chịu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột trong quá trình hàn hoặc biến đổi dòng điện, trong khi AlN có thể chịu được chênh lệch nhiệt độ >400°C, ngăn ngừa nứt vỡ hoặc bong tróc.
  • Chất liệu: Oxit berili (BeO)
  • Ứng dụng: Ống chân không tần số cao, thiết bị vi sóng.
  • Khả năng chống sốc nhiệt: BeO có cả độ dẫn nhiệt cao và khả năng chống sốc nhiệt xuất sắc, có thể chịu được sự tăng nhiệt đột ngột khi hoạt động ở công suất cao.
  • Chất liệu: Nitrua silic (Si₃N₄)
  • Bối cảnh ứng dụng: Quá trình ngâm lặp đi lặp lại giữa thủy tinh nóng chảy ở nhiệt độ cao và khu vực làm mát trong quá trình sản xuất thủy tinh.
  • Ưu điểm: Silic nitride có thể chịu được nhiệt độ cao lên đến 1500℃, có thể nhanh chóng chuyển từ nhiệt độ cao sang nước lạnh mà không bị vỡ, vượt trội hơn so với nhôm oxit hoặc vật liệu kim loại.
  • Vật liệu sử dụng: ZTA20 (oxit zirconium tăng cường độ bền cho oxit nhôm)
  • Ngành nghề: Ngành ép nóng, luyện kim bột.
  • Ưu điểm: Việc gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại của khuôn dễ gây ra vết nứt do nhiệt. ZTA có thể tăng cường độ bền và khả năng chống sốc nhiệt của khuôn, kéo dài tuổi thọ của khuôn.
  • Chất liệu: Nhôm oxit tinh khiết cao (Al₂O₃ 99.7%)
  • Bối cảnh ứng dụng: Các bộ phận gốm y tế cần chịu được các chu kỳ lặp lại của quá trình tiệt trùng bằng nhiệt độ cao và áp suất cao (tiệt trùng bằng áp suất cao) ở nhiệt độ từ 121℃ đến 135℃.
  • Ưu điểm: Nhôm oxit có độ tinh khiết cao có thể chịu được nhiều lần quá trình tiệt trùng ở nhiệt độ cao → chu trình làm mát, đảm bảo tính ổn định cấu trúc và tính trơ sinh học.
  • Vật liệu sử dụng: Silic cacbua nung ở áp suất thường (SSiC)
  • Ứng dụng: Nhiệt độ làm việc lên đến 800℃~1000℃, khởi động nóng và khởi động lạnh thường xuyên, dừng hoạt động.
  • Ưu điểm: SiC có tính dẫn nhiệt và ổn định nhiệt độ cao, có thể ngăn ngừa sự nứt vỡ cấu trúc do mỏi nhiệt.
  • Chất liệu: Nitrua silic hoặc cacbua silic
  • Ứng dụng: Thiết bị dùng để vận chuyển muối nóng chảy ở nhiệt độ cao (>700℃).
  • Ưu điểm: Biến động nhiệt độ hàng ngày lớn, lớp lót gốm Si₃N₄ hoặc SSiC có thể ngăn ngừa nứt do mỏi nhiệt, duy trì độ kín khí và độ bền cơ học lâu dài.

Vật liệu gốm sứ quan trọng

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng có thể gây ra ứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền gãy của gốm sứ.

Silicon nitride (Si3N4) và silicon carbide (SiC) là những vật liệu hàng đầu trong ngành.

Thử nghiệm tiêu chuẩn bao gồm thử nghiệm làm nguội bằng nước, chu kỳ nhiệt và độ bền cơ học sau va đập (ASTM C1525).

Được. Có thể thực hiện thông qua việc lựa chọn vật liệu, hình dạng hình học và cấu trúc composite như FGM (vật liệu gradient chức năng).