Role karbidu křemičitého v kompozitních materiálech

Anorganické vousky jsou mikro- až nanometrické krátké vlákna vznikající růstem vysoce čistých jednokrystalů. S pevností blízkou pevnosti atomových vazeb, plným průřezem, minimálními strukturálními vady a vysokým poměrem délky ku průměru se tyto vousky jsou široce využívány ke zlepšování fyzikálních a mechanických vlastností polymerů a kompozitů.

Mezi mnoha anorganickými materiály schopnými tvořit vousky, křemíková dušť (SiC) silikonový karbid se řadí mezi nejvýznamnější příklady. Jako kovalentně vázaná keramika vykazuje silikonový karbid vynikající komplexní vlastnosti, včetně vysoké pevnosti, vysoké tepelné a elektrické vodivosti, extrémní tvrdosti, odolnosti proti tečení, opotřebení a korozi, odolnosti proti oxidaci a vynikající tepelné stability.

Při tvorbě vousků existuje u SiC dvě krystalové struktury: α-typ a β-typ , přičemž vousky β-SiC nabízejí nejvyšší známou tvrdost, modul pružnosti, pevnost v tahu a odolnost proti vysokým teplotám mezi vousky. Tyto vousky jsou velmi cenově výhodné a snadno kompatibilní s různými matricovými materiály, což z nich činí předmět rozsáhlého celosvětového výzkumu.

Aplikace silikonkarbidových vousků

Jako vysoce výkonný zpevňovací materiál Silikonkarbidové vousky zlepšují houževnatost a pevnost kompozitů prostřednictvím mechanismů, jako je odklon trhlin, můstkování trhlin, vytahování vousků a jejich lámání. V současnosti se široce používají v kovová matrice , keramická matrice , a pryskyřičná matrice kompozitní materiály.

1. Kovové kompozity s vyztuženou matricí (MMCs)

Kovové matricové kompozity obvykle využívají následující typy kovů jako matrice:

• Hliník (Al) a hořčík (Mg) : lehký, vysoká měrná pevnost.

• Titán (Ti) : vysoká teplota tavení, vynikající strukturní stabilita, výborné vlastnosti za vysokých teplot.

• Železo (Fe) a nikl (Ni) : odolnost proti vysokým teplotám, dobrá magnetická propustnost, nízká koercivní síla.

• Měď (Cu) , stříbrná (Ag) , a zlato (Au) : vynikající vodivost, odolnost proti korozi.

Kompozitní materiály s kovovou matricí a vyztužené whiskery SiC vykazují pozoruhodné vylepšení:

• Kompozity SiCW/Cu : zvýšená pevnost v tahu a vyvážené vlastnosti.

• Kompozity SiCW/Al : výrazně zlepšená měrná tuhost, pevnost v tahu, odolnost proti opotřebení a snížená tepelná roztažnost.

• Slitina MB15 s SiCW : zvýšená tvrdost a rychlost stárnutí.

2. Zpevňování Keramické matricové kompozity (CMCs)

I když jsou keramiky známé svou odolností proti vysokým teplotám, odolností proti korozi a vynikajícím mechanickým výkonem při zvýšených teplotách, jejich vrozená křehkost omezuje širší uplatnění. Použití vláken (whiskerů) ke zpevnění keramik je jednou z nejúčinnějších cest, jak tato omezení překonat.

Běžné metody výroby keramik vyztužených vlákny SiC zahrnují:

• Termální tisk

• Horké izostatické lisování

• Beztlakové slinování

• Infiltrace chemických par (CVI)

• Jiskrové plazmatické slinování (SPS)

Příklady aplikací :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂ vyztužená SiCW kompozity: zlepšená lomová houževnatost a ohybová pevnost.

• ZrB₂ odolný proti SiCW keramika: zvýšená ohybová pevnost a houževnatost.

3. Výztužové pryskyřičné matrice kompozitů

Vysokovýkonnostní pryskyřičné matrice kompozitů získávají v průmyslu stále větší popularitu díky nízké hustotě, vysokému měrnému modulu a pevnosti, odolnosti proti únavě, tlumení vibrací, odolnosti proti korozi a nízké tepelné roztažnosti.

V leteckém průmyslu je rozhodující snížení hmotnosti. Nicméně, aby mohly být pryskyřičné materiály použity jako nosné konstrukce, musí splňovat přísné provozní požadavky, jako jsou:

• Odolnost proti vysokým teplotám

• Zvýšená síla

• Průchodnost a pohlcení vln

• Elektromagnetický stealth

SiC vlákna jsou klíčovým řešením pro zlepšení těchto vlastností.

Zajímavým příkladem je studie od Guo Weiwei , který použil SiC vlákna k posílení UV-zhutnitelných pryskyřicových kompozitů prostřednictvím stereolitografie (SLA). Povrchovou úpravou vláken vazebným činidlem KH550 zjistila studie, že přidání vláken:

• Zpomalilo rychlost UV vytvrzování

• Výrazně zlepšilo mechanické vlastnosti

• Mělo minimální negativní dopad na proces vytvrzování

• SiCW ve sloučeninách kovové keramiky na bázi Ti(C,N) : celkové zlepšení mechanických vlastností.

Skutečné aplikace

Dnes, Kompozity vyztužené SiC vlákny se používají v různých průmyslových odvětvích, včetně leteckého a obranného průmyslu, automobilového průmyslu, chemického průmyslu, elektroniky a biomedicínského oboru.

Příklady zahrnují:

• Letecký průmysl : ložiska, ventily palivového systému, baterie pro spalovací komory, radarové antény, infračervené kopule, díly vrtulníků a proudových letadel.

• Automobilový : vstřikovače paliva, motory s nízkou úrovní emisí, díly tepelných motorů.

• Chemický a energetický : katalytické reforméry, těsnicí trysky, odolné strojní součásti.

• Elektronika : vícevrstvé kondenzátory, senzory plynu a tlaku.

• Biomedicínské : umělé zuby, kosti, klouby a implantáty.

Závěr

Díky svým vynikajícím vlastnostem Jsou karbidokřemíková vlákna označována jako „Král vláken“ a vzbudila významnou pozornost výzkumných pracovníků po celém světě. Země jako Spojené státy a Japonsko začaly s výzkumem a industrializací karbidokřemíkových vláken již v rané fázi, čímž dosáhly silných technologických a ekonomických výhod. Čína s tím začala později, avšak byly dosaženy rychlé pokroky.

Podpora výzkumu karbidokřemíkových a dalších vláken může zvýšit schopnosti Číny v oblasti vědy o kompozitních materiálech a výrazně posílit její globální konkurenceschopnost, zejména v oblasti národní obrany.

Aktuálně Karbidokřemíková vlákna jsou nejšířeji studována a využívána v kovových a keramických kompozitních matricích . Výzkum jejich použití v pryskyřičných matricích je stále ve vývoji. Aby karbidokřemíková vlákna plně rozvinula svůj potenciál v pryskyřičných systémech, je nezbytný hlubší a systematický výzkum technik povrchové modifikace.