Gốm công nghiệp

Gốm Công Nghiệp là vật liệu kỹ thuật hiệu suất cao được làm bằng cách nung các vật liệu vô cơ phi kim loại ở nhiệt độ cao.

Ngành công nghiệp gốm sứ công nghiệp là một ngành công nghệ cao dựa trên các vật liệu vô cơ phi kim loại, sản xuất các bộ phận cấu trúc và thiết bị chức năng có hiệu suất cao với khả năng thích ứng môi trường vượt trội thông qua thiết kế công thức chính xác, xử lý bột siêu mịn và công nghệ thiêu kết ở nhiệt độ cao. Khác với gốm sứ thông thường dùng hàng ngày, giá trị cốt lõi của nó nằm ở sự tích hợp sáng tạo giữa khoa học vật liệu, cơ học kỹ thuật và độ ổn định hóa học, mang lại cho sản phẩm các đặc tính độc đáo như khả năng chịu nhiệt cực cao, độ cứng siêu cao, chống ăn mòn và mật độ thấp.
Ngành công nghiệp gốm kỹ thuật bao gồm gốm cấu trúc (chẳng hạn như gioăng cơ học, dụng cụ cắt), gốm điện tử (chẳng hạn như đế bán dẫn, chip cảm biến), gốm sinh học (chẳng hạn như khớp nhân tạo), gốm năng lượng hạt nhân và gốm cho năng lượng mới (chẳng hạn như màng ngăn cho pin thể rắn) và nhiều lĩnh vực công nghệ đa dạng khác, là "trụ cột tiềm ẩn" trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ hiện đại, thiết bị cao cấp, công nghệ điện tử thông tin, năng lượng mới và công nghệ y tế.
Bản chất của gốm công nghiệp là chuyển đổi các vật liệu giòn thành các giải pháp kỹ thuật có khả năng đột phá giới hạn hiệu suất giữa kim loại và polymer thông qua việc kiểm soát tối ưu các biên giới hạt và thành phần pha ở cấp độ vi mô, là công nghệ nền tảng chịu trách nhiệm cho việc giảm trọng lượng các bộ phận chịu nhiệt độ cao, thu nhỏ kích thước các linh kiện điện tử và kéo dài tuổi thọ của thiết bị hóa chất.

Sự tái cấu trúc sâu sắc của mô hình cạnh tranh toàn cầu. Nhờ việc thúc đẩy sáng kiến "Vành đai và Con đường", các sản phẩm gốm công nghiệp của Trung Quốc đã tăng tốc mở rộng thị trường nước ngoài. Trong khi duy trì lợi thế xuất khẩu của các sản phẩm gốm kiến trúc truyền thống, các sản phẩm gốm điện tử cao cấp, gốm đặc chủng và các sản phẩm giá trị gia tăng khác đang trở thành động lực mới thúc đẩy tăng trưởng xuất khẩu. Đồng thời, cuộc cạnh tranh về hợp tác kỹ thuật xuyên biên giới và quyền thiết lập tiêu chuẩn ngày càng trở nên khốc liệt, các doanh nghiệp nắm giữ công nghệ cốt lõi dự kiến sẽ chiếm vị trí thống lĩnh trong chuỗi cung ứng công nghiệp toàn cầu.
Ngành gốm công nghiệp của Trung Quốc đang ở giai đoạn then chốt chuyển đổi và nâng cấp, tại điểm giao thoa của các cơ hội chiến lược. Từ việc hỗ trợ cải tạo và nâng cấp các ngành công nghiệp truyền thống đến thúc đẩy đột phá trong các ngành công nghiệp mới nổi, giá trị chiến lược của gốm công nghiệp ngày càng trở nên nổi bật. Trong tương lai, ngành cần lấy đổi mới công nghệ làm động lực cốt lõi, tăng cường đổi mới hợp tác giữa doanh nghiệp, nhà trường và viện nghiên cứu, đột phá các công nghệ trọng điểm then chốt; lấy chuyển đổi xanh làm nền tảng phát triển bền vững, xây dựng hệ sinh thái công nghiệp với việc sử dụng tài nguyên hiệu quả; lấy mở rộng thị trường làm cực tăng trưởng, đi sâu hợp tác quốc tế và xây dựng thương hiệu. Nhờ việc tiếp tục giải phóng lợi ích từ các chính sách ưu đãi và nhu cầu thị trường liên tục nâng cấp, ngành gốm công nghiệp Trung Quốc chắc chắn sẽ đạt được bước nhảy từ người đi theo sang người dẫn đầu, khắc sâu dấu ấn Trung Quốc lên bản đồ vật liệu mới toàn cầu. Quá trình này không chỉ liên quan đến việc nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp, mà còn là một minh chứng sinh động cho việc thực hiện tự chủ công nghệ và thúc đẩy phát triển chất lượng cao.

Với sự phát triển của khoa học vật liệu và công nghệ chế tạo, gốm công nghiệp đã trở thành vật liệu quan trọng không thể thay thế trong công nghiệp hiện đại.

Gốm công nghiệp chủ yếu được cấu tạo từ các oxit kim loại (như Al₂O₃, ZrO₂), nitrua (như Si₃N₄), cacbua (như SiC) và các hợp chất phi kim loại khác, có các đặc tính hiệu suất như sau:
Độ cứng cao và chống mài mòn tốt: Gốm công nghiệp thường cứng hơn các vật liệu kim loại, ví dụ gốm nhôm oxit có độ cứng Mohs là 9 (chỉ sau kim cương), phù hợp sử dụng trong môi trường mài mòn cao.
Chịu nhiệt độ cao: Có thể chịu được nhiệt độ trên 1000°C, ví dụ gốm cacbua silic vẫn ổn định ở 1600°C và thường được dùng trong các bộ phận động cơ máy bay.
Trơ về mặt hóa học: Gốm công nghiệp có khả năng chống chịu mạnh mẽ đối với các môi trường ăn mòn như axit, kiềm và muối, ví dụ gốm zirconia có thể được sử dụng lâu dài trong môi trường axit mạnh.
Cách điện và điện môi: Alumina, nitrua nhôm, v.v. là các vật liệu cách điện chất lượng cao được sử dụng rộng rãi trong các đế điện tử và bao bì.
Nhẹ: Chỉ bằng 1/3-1/2 mật độ của kim loại, giúp giảm trọng lượng thiết bị và nâng cao hiệu suất năng lượng.

Theo thành phần và công dụng, gốm công nghiệp có thể được chia thành các loại sau:
1. Gốm oxit
Gốm alumina (Al₂O₃):
Loại gốm công nghiệp phổ biến nhất, hàm lượng Al₂O₃ từ 75% đến 99,9%, độ cứng cao và cách điện tốt, được sử dụng trong các bộ phận đệm cơ học, đế điện tử, dụng cụ, v.v.
Gốm zirconia (ZrO₂):
Độ dẻo dai cao (độ bền chống nứt gấp 2-3 lần alumina), chống mài mòn, được sử dụng trong phục hình răng, vòng bi, vỏ sau điện thoại di động.
Gốm oxit beri (BeO):
Dẫn nhiệt cao, được sử dụng để tản nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn, tuy nhiên cần lưu ý đến độc tính.
2. Gốm phi oxit
Gốm carbide silicon (SiC):
Chịu nhiệt độ cao và chống sốc nhiệt mạnh, được sử dụng trong lớp lót lò nhiệt độ cao và thiết bị sản xuất chất bán dẫn.
Gốm nitride silicon (Si₃N₄):
Có cả độ bền cao và khả năng chịu sốc nhiệt, được sử dụng trong rotor tuabin, bi bạc đạn.
Gốm nitride nhôm (AlN):
Có độ dẫn nhiệt cao và cách điện tốt, là vật liệu được lựa chọn cho đế LED và bao bì vi mạch.

3. Các lĩnh vực ứng dụng cốt lõi của gốm công nghiệp

Sứ công nghiệp có thể đảm nhận các chức năng cơ học, nhiệt, hóa học và các chức năng khác trong các ứng dụng. Nhờ có các ưu điểm như chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn, chống mài mòn, chống xói mòn và các đặc tính vượt trội khác, vật liệu sứ công nghiệp có thể thay thế kim loại và vật liệu polymer hữu cơ trong các môi trường làm việc khắc nghiệt. Vật liệu này đã trở thành một loại vật liệu không thể thiếu trong việc cải tạo công nghiệp truyền thống, phát triển các ngành công nghiệp mới và công nghệ cao, và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như năng lượng, hàng không vũ trụ, máy móc, ô tô, điện tử, hóa chất và các ngành công nghiệp khác.

Những loại gốm công nghiệp này đều có những ưu điểm riêng và được sử dụng rộng rãi, ví dụ như sử dụng gốm có độ cứng cao và khả năng chống mài mòn tốt để sản xuất các bộ phận máy móc, phớt làm kín, dụng cụ cắt và các vật liệu khác; sử dụng gốm có khả năng chống mài mòn cao, độ bền cao và độ dẻo dai cao để chế tạo các bộ phận chống mài mòn, nhẹ, các bộ phận chịu nhiệt và cách nhiệt, cánh tuabin hơi nước, đỉnh piston...; sử dụng gốm có khả năng chống ăn mòn cao và tính ổn định hóa học tốt khi tiếp xúc với enzyme sinh học để sản xuất các nồi nung luyện kim loại, thiết bị trao đổi nhiệt, vật liệu sinh học... Các vật liệu cấu trúc khác nhau cũng được sản xuất bằng cách sử dụng các loại gốm có khả năng bắt giữ và hấp thụ neutron. Những ứng dụng này chỉ là một vài ví dụ trong số rất nhiều ứng dụng của gốm công nghiệp, cho thấy phạm vi sử dụng của gốm công nghiệp vô cùng rộng lớn.

Là vật liệu cốt lõi của ngành sản xuất cao cấp trong thế kỷ 21, sự đột phá về hiệu năng của gốm công nghiệp đang thúc đẩy đổi mới sáng tạo trong các lĩnh vực năng lượng, y tế, bán dẫn và các lĩnh vực khác. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo và việc nghiên cứu liên ngành ngày càng sâu sắc, gốm công nghiệp sẽ phát huy tiềm năng to lớn hơn trong các ứng dụng ở môi trường khắc nghiệt, thiết bị thu nhỏ và các lĩnh vực khác, trở thành nhân tố quan trọng thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa và chuyển dịch carbon.