Vật liệu điện nhiệt có thể chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt và được sử dụng để chế tạo các phần tử gia nhiệt điện trở, được sử dụng rộng rãi trong thiết bị công nghiệp và dân dụng. Trong lĩnh vực xử lý nhiệt độ cao, các hoạt động dưới điều kiện làm việc khắc nghiệt liên tục tăng, làm cho việc lựa chọn vật liệu điện nhiệt trở nên quan trọng. Bài viết này đi sâu vào các khía cạnh cơ bản của thanh cacbon silic: các loại, tính chất, vật liệu sử dụng trong sản xuất, lợi ích ứng dụng và phân tích ứng dụng của chúng.
1. Các loại và đặc điểm của vật liệu điện nhiệt
Vật liệu điện nhiệt có thể được chia thành hai loại: kim loại và phi kim loại.
Vật liệu điện nhiệt kim loại chủ yếu bao gồm hợp kim nền niken (như dây niken-crom Ni-Cr) và hợp kim nền sắt (như dây sắt-crom-nhôm Fe-Cr-Al).
Các vật liệu điện nhiệt phi kim loại bao gồm thanh cacbon silic, thanh molypden silic, phần tử điện nhiệt PTC, MoSi2, v.v.
· Vật liệu điện nhiệt kim loại
Vì vật liệu điện nhiệt kim loại có độ dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, dễ dàng tạo hình, được sử dụng rộng rãi làm phần tử gia nhiệt cho lò điện trong các ngành công nghiệp truyền thống và thiết bị gia dụng.
Hợp kim niken-crom có nhiệt độ gia nhiệt tối đa là 1150°C, và hợp kim sắt-crom là 1400°C. Thông thường, khi nhiệt độ hoạt động vượt quá 1000°C, sẽ có các vấn đề như bay hơi, biến dạng và thậm chí là nóng chảy.
Thêm vào đó, tốc độ oxy hóa của các phần tử gia nhiệt kim loại tương đối nhanh, và khó đảm bảo sự ổn định và hiệu quả lâu dài trong quá trình sử dụng liên tục. Hơn nữa, tỷ lệ điện trở của các phần tử gia nhiệt kim loại sẽ tăng lên ở nhiệt độ cao, làm giảm độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ cao.
· Vật liệu điện nhiệt phi kim loại
Vật liệu điện nhiệt phi kim loại có đặc điểm chịu nhiệt độ cao, độ ổn định nhiệt tốt, chống ăn mòn, chống oxy hóa, tỷ lệ chuyển đổi điện nhiệt cao và tính chất cơ học tuyệt vời.
Do đó, vật liệu điện nhiệt phi kim loại ổn định hơn so với vật liệu kim loại trong môi trường công nghiệp nhiệt độ cao và ăn mòn khắc nghiệt, được ứng dụng rộng rãi trong lò điện và lò điện thí nghiệm trong các ngành công nghiệp nhiệt độ cao cũng như trong hàng không vũ trụ, y sinh, ô tô và các lĩnh vực khác.
2. Vật liệu cacbon silic và Ưu điểm của các thanh silic cacbua
Silic cacbua (SiC) là một vật liệu phi kim loại vô cơ mới được sản xuất bằng cách nấu chảy cát silic và nguyên liệu chứa cacbon ở nhiệt độ cao. Silic cacbua tổng hợp nhân tạo được nhà khoa học người Mỹ Edison phát hiện tình cờ vào năm 1891 trong một thí nghiệm.
Silic cacbua có nhiều ưu điểm, bao gồm độ cứng cao, độ dẫn nhiệt cao, độ ổn định hóa học cao, độ ổn định nhiệt cao và tính chất bán dẫn. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như thiết bị điện tử, chất mài mòn và công cụ cắt, vật liệu chịu lửa, hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô và các thiết bị khác.
Các thanh cacbon silic được làm từ silic cacbua lục giác xanh tinh khiết cao làm nguyên liệu chính, được chế tạo và xử lý chính xác thành hình dạng mong muốn, sau đó được nung ở nhiệt độ 2200°C để tạo thành phần tử gia nhiệt điện phi kim loại dạng thanh hoặc ống.
Điểm nóng chảy của các thanh silic cacbua rất cao, với nhiệt độ làm việc trong môi trường oxy hóa có thể đạt tới 1.450°C, và có thể hoạt động liên tục và ổn định trong 2000 giờ.
Ngoài các đặc điểm ổn định nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa mạnh, các thanh cacbua silic còn có ưu điểm là khả năng chống mài mòn cao, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, gia nhiệt nhanh và dễ dàng lắp đặt và sử dụng.
Thêm vào đó, ở một số nhiệt độ nhất định, điện trở suất của các thanh cacbua silic giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng, do đó cung cấp khả năng dẫn nhiệt hiệu quả hơn so với các thành phần kim loại ở nhiệt độ cao.
Ngoài việc phục vụ như là thành phần gia nhiệt điện cốt lõi cho các lò hầm, lò con lăn, lò nung chảy thủy tinh, lò chân không và các thiết bị gia nhiệt khác, các thanh cacbua silic cũng có thể hoạt động với các hệ thống điều khiển điện tử tự động tiên tiến để đạt được kiểm soát nhiệt độ chính xác không đổi, và thực hiện điều chỉnh nhiệt độ tự động theo đường cong theo yêu cầu của quy trình sản xuất cụ thể.
3. Phân tích Ứng dụng của Các Thanh Cacbua Silic
Mặc dù các thanh cacbua silic có nhiều ưu điểm mà các phần tử gia nhiệt kim loại không có, việc sử dụng chúng bị hạn chế do giá cao hơn so với các vật liệu nhiệt điện kim loại thường được sử dụng khi nhiệt độ hoạt động dưới 1000°C. Các thanh cacbua silic thường được sử dụng trong các môi trường làm việc khắc nghiệt mà các vật liệu nhiệt điện kim loại không thể đáp ứng.
Ứng dụng của các thanh cacbua silic
· Thiết bị Lò Công nghiệp: Các thanh cacbua silic có thể được sử dụng làm phần tử gia nhiệt, lò sưởi và khuôn đúc cho các lò điện khác nhau trong các ngành công nghiệp như luyện kim và sản xuất.
· Ngành công nghiệp điện tử: Trong quá trình xử lý nhiệt của các vật liệu như chất bán dẫn, các thanh cacbua silic có thể cung cấp môi trường nhiệt độ cao được kiểm soát chính xác để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt.
· Chuẩn bị vật liệu từ tính: Các thanh cacbua silic thường được sử dụng để thiêu kết và ủ các vật liệu từ tính, với sự ổn định nhiệt độ cực cao của chúng đảm bảo hiệu suất và chất lượng của các vật liệu từ tính.
· Ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ và thủy tinh: Các thanh cacbua silic có thể duy trì hiệu quả nhiệt độ cao không đổi cần thiết trong quá trình chuẩn bị, đảm bảo sưởi ấm đồng đều của phôi, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm.
· Nghiên cứu khoa học: Các thanh cacbua silic rất phù hợp cho các môi trường thí nghiệm yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt sự thay đổi nhiệt độ.
Hơn nữa, các thanh cacbua silic đã cho thấy tiềm năng lớn trong các ứng dụng trong các lĩnh vực như y học, thực phẩm, giám sát môi trường nhờ vào hiệu suất tuyệt vời của chúng trong các tính chất hóa học, cơ học, quang học và các tính chất khác.
4. Tóm tắt
Trong các quy trình công nghiệp nhiệt độ cao, hoạt động liên tục của các lò đặc biệt phụ thuộc vào các vật liệu có tuổi thọ dài để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tối đa hóa lợi tức đầu tư. Do đó, các vật liệu nhiệt điện cần phải được chuyên môn hóa cao và có hiệu suất tuyệt vời để phù hợp với các loại lò khác nhau. Các thanh cacbua silic do đó là lựa chọn lý tưởng cho các vật liệu nhiệt điện nhiệt độ cao. Với sự phát triển liên tục của nền kinh tế toàn cầu và sự tiến bộ của quá trình công nghiệp hóa, thị trường ứng dụng của các thanh cacbua silic đang mở rộng đều đặn.
