دور ألياف كربيد السيليكون في تقوية المواد المركبة

الألياف غير العضوية هي ألياف قصيرة على نطاق الميكرون إلى النانو تتشكل من خلال نمو بلورات فردية نقية للغاية. وبفضل قوتها القريبة من قوة الروابط الذرية، ومقطعها الكامل، وعيوبها الهيكلية الدنيا، ونسبها الطولية العالية، تُستخدم هذه الألياف على نطاق واسع لتعزيز الخصائص الفيزيائية والخصائص الميكانيكية للبوليمرات والمواد المركبة.

من بين العديد من المواد غير العضوية القادرة على تشكيل الألياف الشوكيّة، كاربيد السيليكون (SiC) تُعتبر مثالاً بارزاً. كخزف متحد تساهمياً، يُظهر كربيد السيليكون خصائص شاملة ممتازة، تشمل مقاومة عالية، توصيل حراري وكهربائي عالي، صلابة شديدة، مقاومة للزحف، ومقاومة للتآكل والصدأ، ومقاومة للأكسدة واستقرار حراري متميز.

عند تشكيلها على شكل ألياف شوكية، يوجد كربيد السيليكون على شكل هيكليين بلوريين: النوع ألفا و النوع بيتا ، حيث تمتلك ألياف كربيد السيليكون الشوكية من النوع بيتا أعلى صلابة معروفة، ومعامل مرونة، ومقاومة للشد، ومقاومة للحرارة بين الألياف الشوكية الأخرى. هذه الألياف فعالة من حيث التكلفة وتتوافق بسهولة مع مختلف مواد المصفوفة، مما يجعلها محور بحث عالمي واسع.

تطبيقات الألياف الشوكية لكربيد السيليكون

باعتبارها مادة تقوية عالية الأداء، الألياف الشوكية لـ SiC تحسّن المتانة والقوة في المواد المركبة عن طريق آليات مثل انحراف الشقوق، والجسر بين الشقوق، وانسحاب الألياف الشوكية، وتكسير الألياف الشوكية. تُستخدم حالياً بشكل واسع في مصفوفة معدنية , مصفوفة سيراميكية , و مصفوفة راتنجية المواد المركبة.

1. مواد مركبة مصفوفتها معدنية وتعزز بالالياف (MMCs)

عادةً ما تستخدم المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية أنواعًا مختلفة من المعادن كمصفوفات:

• الألمنيوم (Al) و المغنيسيوم (Mg) : خفيفة الوزن، وقوة تحمل عالية نسبةً للوزن.

• التيتانيوم (Ti) : نقطة انصهار عالية، استقرار هيكلية ممتاز، أداء متميز عند درجات الحرارة العالية.

• الحديد (Fe) و النيكل (Ni) : مقاومة عالية لدرجات الحرارة، نفاذية مغناطيسية جيدة، قوة تحفيز منخفضة.

• النحاس (Cu) , الفضة (Ag) , و الذهب (Au) : توصيل ممتاز، مقاومة للتآكل

مواد مركبة معدنية مدعمة بألياف كربيد السيليكون تظهر تحسينات ملحوظة:

• مواد SiCW/Cu المركبة : تحسين في مقاومة الشد وتوازن الخصائص

• مواد SiCW/Al المركبة : تحسن ملحوظ في الصلابة النوعية، ومقاومة الشد، ومقاومة البلى، وانخفاض معامل التمدد الحراري

• سبائك MB15 مع SiCW : زيادة في الصلابة ومعدل التصلب

2. التدعيم المواد المركبة ذات المصفوفة السيراميكية (CMCs)

على الرغم من اشتهر السيراميك بمقاومته العالية للحرارة، ومقاومته للتآكل، وأدائه الميكانيكي الممتاز عند درجات الحرارة المرتفعة، إلا أن هشاشته الجوهرية تحد من استخدامه في تطبيقات أوسع. استخدام ألياف الويسكر (Whiskers) لتقوية السيراميك هي إحدى الطرق الأكثر فعالية للتغلب على هذه القيود.

الطرق الشائعة للتصنيع للسيراميك المدعم بألياف كربيد السيليكون تشمل:

• الضغط الساخن

• الضغط الحراري الأيزوستاتيكي

• التحميص بدون ضغط

• النفاذ الكيميائي للبخار (CVI)

• التحميص ببلازما الشرارة (SPS)

تطبيقات نموذجية :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂ المدعمة بألياف SiC المواد المركبة: تحسين مقاومة التشقق وقوة الانحناء.

• السيراميك ZrB₂ المقوى بألياف SiC السيراميك: زيادة مقاومة الانحناء وصلابة أعلى.

3. تقوية المواد المركبة ذات المصفوفة الراتنجية

عالية الأداء المواد المركبة ذات المصفوفة الراتنجية تكتسب شعبية متزايدة في مختلف الصناعات بفضل كثافتها المنخفضة ومعاملها العالي المحدد وقوتها ومقاومتها التعب والاهتزازات ومقاومتها للتآكل وتوسيعها الحراري المنخفض.

في صناعة الطيران والفضاء، يُعد تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، لاستخدامها كمكونات تحمل الأحمال، يجب أن تفي المواد الراتنجية بشروط الأداء الصارمة التالية:

• مقاومة درجات الحرارة العالية

• قوة متزايدة

• شفافية الموجات وامتصاصها

• الخداع الكهرومغناطيسي

تُعد ألياف السيليكون كاربايد (SiC) حلاً مفتاحيًا لتعزيز هذه الخصائص.

مثال بارز هو دراسة قام بها غو ويوي ، حيث استخدم ألياف SiC لتعزيز مركبات الراتنج القابلة للعلاج بالأشعة فوق البنفسجية باستخدام تقنية الطباعة الحجرية (SLA). ومن خلال معالجة سطح الألياف باستخدام عامل الربط KH550، وجدت الدراسة أن إضافة الألياف:

• أبطأت معدل العلاج بالأشعة فوق البنفسجية

• حسّنت الأداء الميكانيكي بشكل ملحوظ

• كان لها تأثير سلبي ضئيل على عملية العلاج

• الألياف SiC في مركبات السيراميك المعدني القائمة على Ti(C,N) : تحسين عام في الخواص الميكانيكية.

تطبيقات في العالم الحقيقي

اليوم المواد المركبة المدعمة بشعيرات كاربيد السيليكون تُستخدم في صناعات متنوعة، تشمل الفضاء والدفاع والسيارات ومعالجة المواد الكيميائية والإلكترونيات والمجالات الطبية الحيوية.

ومن الأمثلة على ذلك:

• الفضاء : المحامل، صمامات أنظمة الوقود، بطاريات الحارق، هوائيات الرادار، قباب الأشعة تحت الحمراء، مكونات المروحيات والطائرات النفاثة.

• السيارات : محركات الحقن، محركات احتراق داخلي منخفضة الانبعاثات، مكونات المحركات الحرارية.

• الكيميائية والطاقة : المُحَفِّزات، فوهات الإغلاق، أجزاء ماكينات مقاومة للتآكل.

• الإلكترونيات : المكثفات متعددة الطبقات، أجهزة استشعار للغاز والضغط.

• البيomedical : الأسنان الاصطناعية، العظام، المفاصل، ومواد الزرع.

خاتمة

بفضل أدائها المتميز، يُطلق على ألياف السيليكون كاربايد اسم "ملك الألياف"، وقد لفتت انتباه الباحثين في جميع أنحاء العالم. بدأت دول مثل الولايات المتحدة واليابان في دراسة وتطوير ألياف السيليكون كاربايد مبكرًا، مما حقق فوائد تكنولوجية واقتصادية كبيرة. بينما بدأت الصين لاحقًا، إلا أنها حققت تقدمًا سريعًا.

يمكن تعزيز دراسة ألياف السيليكون كاربايد وغيرها من الألياف رفع قدرات الصين في علم المواد المركبة وتعزيز مكانتها التنافسية العالمية بشكل كبير، خاصة في مجال الدفاع الوطني.

حاليًا، تُعد ألياف السيليكون كاربايد الأكثر دراسةً وتطبيقًا في المواد المركبة المعدنية والسيراميكية . لا تزال الأبحاث المتعلقة باستخدامها في المصفوفات الراتنجية في مراحل التطوير. ولإطلاق إمكانات ألياف السيليكون كاربايد بالكامل في الأنظمة الراتنجية، من الضروري إجراء دراسات أعمق وأكثر شمولًا حول تقنيات التعديل السطحي.