ซิลิกอนคาร์ไบด์ถูกนำมาใช้ในสารเคลือบเทฟลอนแบบไม่ติดกระทะอย่างไร?

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุเสริมแรงประสิทธิภาพสูง ถูกนำมาใช้ในสารเคลือบเทฟลอน (โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน, PTFE) ชนิดไม่ติดกระทะ โดยส่วนใหญ่แล้วเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล ความทนทานต่อการสึกหรอ และอายุการใช้งานของสารเคลือบ ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติการไม่ติดกระทะและความทนทานต่อสารเคมีดั้งเดิมของ PTFE ไว้ หลักการและวิธีการใช้งานเฉพาะของ PTFE มีดังนี้

บทบาทหลัก: เพิ่มประสิทธิภาพการเคลือบ
ปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอ:

การเคลือบ PTFE บริสุทธิ์มีความอ่อนนุ่มและเกิดรอยขีดข่วนได้ง่ายจากภาชนะโลหะ หลังจากเติมซิลิคอนคาร์ไบด์ (โดยเฉพาะอนุภาคขนาดนาโนหรือไมครอน) ความแข็งที่สูงมาก (ความแข็ง Mohs 9.2 รองจากเพชร) จะสร้าง “โครงรองรับ” ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทานต่อรอยขีดข่วนของการเคลือบได้อย่างมาก

ผลลัพธ์: อายุการใช้งานของสารเคลือบสามารถขยายได้ 3-5 เท่า เหมาะสำหรับอุปกรณ์ในครัวความถี่สูง (เช่น กระทะเคลือบเทฟลอน) หรืออุปกรณ์อุตสาหกรรม

การเสริมการยึดเกาะ:

PTFE มีแรงยึดเกาะกับพื้นผิวโลหะที่อ่อน อนุภาคซิลิกอนคาร์ไบด์ถูกฝังอยู่ในรูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิวของพื้นผิวผ่านการยึดเกาะทางกายภาพ ช่วยเพิ่มแรงกัดเชิงกลระหว่างสารเคลือบและพื้นผิว

การประสานงานกระบวนการ: จำเป็นต้องพ่นทรายหรือกัดกร่อนพื้นผิวด้วยสารเคมีก่อนเพื่อสร้างพื้นผิวที่ขรุขระ เพื่อให้อนุภาคซิลิกอนคาร์ไบด์และพื้นผิวสร้างโครงสร้างที่ประสานกัน

การปรับปรุงการนำความร้อน:

PTFE บริสุทธิ์มีค่าการนำความร้อนต่ำ (ประมาณ 0.25 W/m·K) ส่งผลให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอ ซิลิคอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนสูง (120-490 W/m·K) ซึ่งสามารถปรับปรุงค่าการนำความร้อนโดยรวมของสารเคลือบได้

ผลลัพธ์: หลีกเลี่ยงการสลายตัวของสารเคลือบที่เกิดจากความร้อนสูงเกินไปในบริเวณนั้น และยืดอายุการใช้งาน (เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเตาที่อุณหภูมิสูงโดยเฉพาะ)

ขั้นตอนสำคัญในกระบวนการใช้งาน
การเตรียมซิลิกอนคาร์ไบด์:

อนุภาคต่างๆ จะต้องได้รับการปรับเปลี่ยนพื้นผิว (เช่น การเคลือบสารจับคู่ไซเลน) เพื่อให้เข้ากันได้กับ PTFE มากขึ้น และป้องกันการเกาะตัวกันเป็นก้อน

การควบคุมขนาดอนุภาค: โดยทั่วไปจะใช้อนุภาคขนาด 1-10 ไมครอน อนุภาคที่ละเอียดเกินไป (ระดับนาโน) จะจับตัวเป็นก้อนได้ง่าย และหากหยาบเกินไปจะส่งผลต่อความเรียบของสารเคลือบ

การกระจายและการผสม:

ซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ปรับเปลี่ยนจะกระจายอย่างสม่ำเสมอในอิมัลชัน PTFE (แบบน้ำหรือแบบตัวทำละลาย) และใช้การเฉือนความเร็วสูงหรือการบำบัดด้วยอัลตราโซนิกเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการเกาะตัวกันเป็นก้อน

อัตราส่วนการเติมโดยทั่วไป: 5%-15% (อัตราส่วนน้ำหนัก) หากมากเกินไป คุณสมบัติการไม่ติดจะลดลง

การพ่นและการเผาผนึก:

หลังจากพ่นสารละลายผสมลงบนพื้นผิว (เช่น หม้ออลูมิเนียม) จะต้องนำไปเผาที่อุณหภูมิสูง (อุณหภูมิการหลอมเหลวของ PTFE อยู่ที่ประมาณ 327°C)

ซิลิกอนคาร์ไบด์ยังคงมีเสถียรภาพในระหว่างการเผา (ทนความร้อน > 1600°C) และฝังอยู่ในเมทริกซ์ PTFE เพื่อสร้างโครงสร้างแบบคอมโพสิต

ความท้าทายของการรักษาสมดุลประสิทธิภาพ
คุณสมบัติ การเคลือบ PTFE บริสุทธิ์ การเคลือบ PTFE เสริมด้วยซิลิกอนคาร์ไบด์ โซลูชัน
ประสิทธิภาพการไม่ติดกระทะ ยอดเยี่ยม ลดลงเล็กน้อย ควบคุมปริมาณการเติม ≤15%
ความต้านทานการสึกหรอ อ่อนแอ ปรับปรุง 3-5 เท่า เพิ่มประสิทธิภาพการกระจายขนาดอนุภาค
ความหนาของการเคลือบ บาง (20-30μm) ต้องทำให้หนาขึ้นเป็น 40-60μm กระบวนการพ่นหลายชั้น
ความเรียบของพื้นผิว สูง อาจหยาบ พื้นผิวที่เคลือบด้วย PTFE บริสุทธิ์บางๆ (การเคลือบสองชั้น)
เทคโนโลยีการเคลือบสองชั้น:
พื้นผิว → ชั้นล่าง PTFE ที่มีซิลิกอนคาร์ไบด์ (การยึดเกาะและความต้านทานการสึกหรอที่เพิ่มขึ้น) → ชั้นผิว PTFE บริสุทธิ์ (รับประกันประสิทธิภาพการไม่ติดกระทะ)

สถานการณ์การใช้งานทั่วไป
ของเครื่องครัวระดับไฮเอนด์:

กระทะเคลือบเทฟลอน ถาดอบ ฯลฯ อาจถูกขูดด้วยเกรียงโลหะบ่อยครั้ง

ชิ้นส่วนอุตสาหกรรม:

ตลับลูกปืนและพื้นผิวการปิดผนึกวาล์วจะต้องทนทานต่อการกัดกร่อนและการสึกหรอ

การเคลือบสารปลดแม่พิมพ์:

แม่พิมพ์ขึ้นรูปยาง/พลาสติก ลดการยึดเกาะและยืดระยะเวลาในการทำความสะอาด

การเปรียบเทียบสารตัวเติมเสริมแรงชนิดอื่น
ประเภทของสารตัวเติม ข้อดี ข้อจำกัด สถานการณ์ที่สามารถใช้งานได้
ซิลิกอนคาร์ไบด์ ความแข็งสูงมาก นำความร้อนสูง ต้นทุนสูง ตกตะกอนง่าย สภาพแวดล้อมที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและการสึกหรอ
กราฟีน ความลื่นไหลเป็นพิเศษ กระจายตัวยาก ต้นทุนสูงมาก การเคลือบระดับไฮเอนด์เกรดห้องปฏิบัติการ
ไฟเบอร์กลาส ต้นทุนต่ำ ทำให้เหนียวขึ้น ลดการเหนียว ชิ้นส่วนอุตสาหกรรมที่อุณหภูมิต่ำ
โบรอนไนไตรด์ ความลื่นไหลที่ดี การนำความร้อนต่ำกว่า SiC การเคลือบหล่อลื่นที่อุณหภูมิปานกลาง
ข้อควรพิจารณาทางสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย
ความปลอดภัยของอาหาร:
ซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นไม่มีพิษ (ได้รับการรับรองจาก FDA) แต่จำเป็นต้องแน่ใจว่าอนุภาคถูกเคลือบด้วย PTFE อย่างสมบูรณ์เพื่อหลีกเลี่ยงการหลุดออก

เสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง:
ก่อนอุณหภูมิการสลายตัวของ PTFE (＞400°C) ซิลิกอนคาร์ไบด์จะไม่ทำปฏิกิริยาและไม่มีการปล่อยสารที่เป็นอันตราย

สรุป
ซิลิคอนคาร์ไบด์ทำหน้าที่เป็น “เกราะที่มองไม่เห็น” ในสารเคลือบเทฟลอน ช่วยชดเชยข้อบกพร่องทางกลของ PTFE ผ่านกลไกการเสริมแรงทางกายภาพ ขณะที่กระบวนการเคลือบสองชั้นช่วยสร้างสมดุลระหว่างความทนทานต่อการสึกหรอและความเหนียว การใช้งานนี้สะท้อนถึงแก่นแท้ของการออกแบบวัสดุคอมโพสิต คือการบรรลุผลลัพธ์ที่ดีที่สุดระหว่างคุณสมบัติที่ขัดแย้งกัน (เช่น ความแข็งและความลื่น) ซึ่งท้ายที่สุดแล้วช่วยยืดอายุการใช้งานของสารเคลือบ PTFE ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง