Trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại, vật liệu phải đối mặt với môi trường làm việc ngày càng khắc nghiệt, nơi các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất, ăn mòn và mài mòn đặt ra những thách thức chưa từng có. Để đáp ứng những yêu cầu này, các nhà khoa học và kỹ sư tiếp tục khám phá các vật liệu gốm tiên tiến thể hiện khả năng chịu nhiệt, bảo vệ chống ăn mòn và độ bền mài mòn vượt trội. Trong số các lớp phủ phun nhiệt, gốm cordierite, mullite và forsterite đã nổi lên như những giải pháp đặc biệt hứa hẹn do những lợi thế hiệu suất độc đáo của chúng.
Phun nhiệt đại diện cho một kỹ thuật kỹ thuật bề mặt, trong đó các vật liệu nóng chảy hoặc bán nóng chảy được lắng đọng lên các chất nền để tạo ra các lớp phủ chức năng. So với các phương pháp phủ truyền thống, phun nhiệt cung cấp khả năng ứng dụng rộng hơn, lựa chọn vật liệu đa dạng và xử lý linh hoạt – giúp tăng cường đáng kể các đặc tính của chất nền bao gồm khả năng chống mài mòn, bảo vệ chống ăn mòn và độ ổn định nhiệt.
Vật liệu gốm cung cấp một số lợi thế quan trọng trong các ứng dụng phun nhiệt:
Những đặc tính này làm cho gốm phun nhiệt không thể thiếu trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô, năng lượng, chế biến hóa chất và điện tử.
Cordierite (Mg2Al4Si5O18) nổi bật trong số các loại gốm phun nhiệt vì hệ số giãn nở nhiệt cực thấp và khả năng chống sốc nhiệt đáng kể. Cấu trúc tinh thể trực giao giả lục giác của nó chứa các khoảng trống đáng kể, góp phần tạo ra mật độ thấp là 2,53 g/cm3 và điểm nóng chảy là 1470°C.
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) trung bình của vật liệu nằm trong khoảng từ 1,5-4,0 × 10-6°C-1 từ 25-700°C, với cordierite phun plasma đo được 2,94 × 10-6°C-1. Sự giãn nở cực thấp này làm giảm thiểu ứng suất nhiệt trong quá trình dao động nhiệt độ nhanh chóng, ngăn ngừa nứt và hỏng cấu trúc.
Khả năng chống sốc nhiệt của Cordierite cho phép các ứng dụng đa dạng:
Bằng sáng chế châu Âu mô tả các phương pháp tạo lớp phủ cordierite xốp thông qua phun nhiệt. Các nghiên cứu cho thấy cordierite phun plasma ban đầu tạo thành các cấu trúc vô định hình kết tinh thành μ-cordierite trên 830°C, biến đổi không thể đảo ngược thành cordierite cao gần 1000°C.
Mullite (3Al2O3·2SiO2) duy trì độ ổn định nhiệt và hóa học đặc biệt trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ tinh thể của nó mà không có sự biến đổi đa hình gây ra những thay đổi về thể tích. Cấu trúc mạng trực giao của nó thể hiện mật độ 3,0 g/cm3, điểm nóng chảy 1810°C và CTE là 5,3 × 10-6°C-1.
Các liên kết Al-O và Si-O mạnh mẽ mang lại độ cứng và độ bền cơ học cao, trong khi khả năng chống trượt tuyệt vời cho phép khả năng chịu tải ở nhiệt độ cao.
Độ ổn định của Mullite hỗ trợ các ứng dụng quan trọng:
Nghiên cứu của NASA xác nhận TBC mullite thể hiện khả năng chống sốc nhiệt vượt trội dưới 1100°C, mặc dù các biến đổi pha SiO2 gây ra sự suy thoái trên 1200°C. Thử nghiệm động cơ diesel cho thấy lớp phủ mullite phát triển ít vết nứt hơn so với các lựa chọn thay thế gốc zirconia trong điều kiện chu kỳ nhiệt giống hệt nhau.
Forsterite (Mg2SiO4) thể hiện độ bền cơ học cao và tiếp tuyến tổn thất thấp, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng điện tần số cao. Forsterite công nghiệp thường tồn tại dưới dạng pha enstatite với cấu trúc trực giao, mật độ 3,21 g/cm3 và điểm nóng chảy 1557°C.
Các liên kết Mg-O và Si-O mạnh mẽ góp phần tạo nên độ cứng đáng chú ý, trong khi tổn thất điện môi cực thấp đảm bảo truyền tín hiệu tần số cao hiệu quả.
Forsterite đóng vai trò quan trọng trong:
Các lớp lắng đọng forsterite phun plasma chứa các pha vô định hình với cấu trúc dạng phiến ít khác biệt hơn so với gốm alumina hoặc zirconia. Xử lý ủ thay đổi thành phần pha và các đặc tính giãn nở nhiệt, mặc dù động học kết tinh cần được điều tra thêm.
Những tiến bộ liên tục trong công nghệ phun nhiệt sẽ mở rộng các ứng dụng cho các loại gốm chuyên dụng này:
Thông qua sự đổi mới liên tục, gốm phun nhiệt cordierite, mullite và forsterite sẽ tiếp tục cung cấp sự bảo vệ đáng tin cậy cho các thành phần công nghiệp quan trọng phải đối mặt với những thách thức vận hành khắc nghiệt.
