Die Rolle von Siliziumkarbid-Whiskern bei der Verstärkung von Verbundwerkstoffen

Anorganische Whisker sind mikro- bis nanoskalige kurze Fasern, die durch das Wachstum hochreiner Einzelkristalle gebildet werden. Mit einer Festigkeit nahe der atomaren Bindung, vollständigen Querschnitten, minimalen strukturellen Fehlstellen und hohen Aspektverhältnissen werden diese Whisker häufig eingesetzt, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Polymeren und Verbundwerkstoffen zu verbessern.

Unter vielen anorganischen Materialien, die in der Lage sind, Fasern zu bilden, silicon Carbide (SiC) stellt Siliziumkarbid ein prominentes Beispiel dar. Als kovalent gebundenes Keramikmaterial weist Siliziumkarbid hervorragende allgemeine Eigenschaften auf, darunter hohe Festigkeit, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, extreme Härte, Kriechfestigkeit, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit sowie hervorragende thermische Stabilität.

Wenn es zu Fasern ausgebildet wird, existiert Siliziumkarbid in zwei Kristallstrukturen: α-Typ und β-Typ , wobei β-SiC-Fasern die höchste bekannte Härte, Steifigkeit, Zugfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Hitze aller Fasern bieten. Diese Fasern sind äußerst kosteneffizient und lassen sich leicht mit verschiedenen Matrixmaterialien kombinieren, weshalb sie Gegenstand umfangreicher globaler Forschung sind.

Anwendungen von Siliziumkarbid-Fasern

Als Hochleistungsverstärkungsmaterial SiC-Fasern tragen sie dazu bei, die Zähigkeit und Festigkeit von Verbundwerkstoffen durch Mechanismen wie Rissablenkung, Rissüberbrückung, Faserausziehen und Faserbruch zu verbessern. Derzeit werden sie breit eingesetzt in metallmatrix , keramikmatrix , und harzmatrix verbundmaterialien.

1. Verstärkende Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs)

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe verwenden typischerweise die folgenden Metallarten als Matrizen:

• Aluminium (Al) und magnesium (Mg) : leicht, hohe spezifische Festigkeit.

• Titan (Ti) : hoher Schmelzpunkt, hervorragende strukturelle Stabilität, herausragende Hochtemperaturleistung.

• Eisen (Fe) und nickel (Ni) : hochtemperaturbeständig, gute magnetische Permeabilität, geringe Koerzitivität.

• Kupfer (Cu) , silber (Ag) , und gold (Au) : hervorragende Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit.

SiC-Whisker-verstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe weisen erhebliche Verbesserungen auf:

• SiCW/Cu-Verbundwerkstoffe : gesteigerte Zugfestigkeit und ausgewogene Eigenschaften.

• SiCW/Al-Verbundwerkstoffe : deutlich verbesserte spezifische Steifigkeit, Zugfestigkeit, Verschleißbeständigkeit und reduzierte thermische Ausdehnung.

• MB15-Legierung mit SiCW : erhöhte Härte und Alterungsrate.

2. Verstärkung Keramische Matrixverbunde (CMCs)

Obwohl Keramiken für ihre Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen bekannt sind, beschränkt ihre inhärente Sprödigkeit eine breitere Anwendung. Die Verstärkung von Keramiken durch Whisker ist eine der effektivsten Möglichkeiten, diese Einschränkungen zu überwinden.

Gängige Herstellungsverfahren für SiC-Whisker-verstärkte Keramiken umfassen:

• Heißpressung

• Heißisostatisches Pressen

• Druckloses Sintern

• Chemische Dampfinfiltration (CVI)

• Funkensintern (SPS)

Beispielsanwendungen :

• Mit SiCW verstärktes Al₂O₃/Ti₃SiC₂ verbundwerkstoffe: verbesserte Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit.

• Mit SiCW gezähntes ZrB₂ keramiken: gesteigerte Biegefestigkeit und Zähigkeit.

3. Verstärkung von Harz-Matrix-Verbundwerkstoffen

Hochleistungs- harz-Matrix-Verbundwerkstoffe gewinnen in verschiedenen Branchen an Beliebtheit, dank ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit, Ermüdungswiderstand, Schwingungsdämpfung, Korrosionsbeständigkeit und geringen thermischen Ausdehnung.

Im Luftfahrtbereich ist Gewichtsreduzierung entscheidend. Allerdings müssen Harzwerkstoffe strenge Leistungsanforderungen erfüllen, um als tragende Bauteile eingesetzt werden zu können, beispielsweise:

• Hochtemperaturbeständig

• Erhöhte Kraft

• Wellendurchlässigkeit und -absorption

• Elektromagnetische Tarnung

SiC-Whisker sind eine Schlüssellösung um diese Eigenschaften zu verbessern.

Ein bemerkenswertes Beispiel ist eine Studie von Guo Weiwei , der SiC-Whisker verwendete, um UV-härtbare Harzkomposite mittels Stereolithografie (SLA) zu verstärken. Durch die Oberflächenbehandlung der Whisker mit dem Kupplungsagenten KH550 stellte die Studie fest, dass die Zugabe der Whisker:

• Die UV-Aushärtegeschwindigkeit verlangsamte

• Die mechanischen Eigenschaften deutlich verbesserte

• Kaum negative Auswirkungen auf den Aushärtungsprozess hatte

• SiCW in Ti(C,N)-basierten Metallkeramik-Kompositen : Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.

Praxisanwendungen

Heute, SiC-Verstärkungskomposite werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Automobilindustrie, chemische Industrie, Elektronik und biomedizinische Anwendungen.

Beispiele hierfür sind:

• Luft- und Raumfahrt : Lager, Kraftstoffsystemventile, Brennkammern, Radarantennen, Infrarotkuppeln, Hubschrauber- und Jetflugzeugteile.

• Automobil : Kraftstoffeinspritzdüsen, emissionsarme Verbrennungsmotoren, Wärmekraftmaschinenteile.

• Chemische Industrie und Energie : Katalysatoren, Dichtdüsen, verschleißfeste Maschinenteile.

• Elektronik : Multilayer-Kondensatoren, Gas- und Drucksensoren.

• Biomédical : künstliche Zähne, Knochen, Gelenke und Implantatmaterialien.

Schlussfolgerung

Mit ihren hervorragenden Leistungsmerkmalen Werden SiC-Whisker als die „Könige der Whisker“ angesehen und haben weltweit erhebliche Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen. Länder wie die USA und Japan begannen bereits früh mit der Erforschung und Industrialisierung von Siliziumcarbid-Whiskern und erzielten dadurch bedeutende technologische und wirtschaftliche Vorteile. China begann zwar verspätet, hat jedoch rasche Fortschritte erzielt.

Die Förderung der Forschung zu SiC und anderen Whiskern kann Chinas Fähigkeiten auf dem Gebiet der Verbundwerkstoffwissenschaften stärken und seine globale Wettbewerbsfähigkeit, insbesondere im Bereich der Landesverteidigung, erheblich verbessern.

Derzeit SiC-Whisker werden am weitesten in metallischen und keramischen Matrix-Verbundwerkstoffen erforscht und eingesetzt . Die Forschung zu ihrer Anwendung in Harz-Matrizen befindet sich noch in der Entwicklungsphase. Um das volle Potenzial von SiC-Whiskern in Harz-Systemen auszuschöpfen, sind tiefere und systematischere Untersuchungen zu Oberflächenmodifikationstechniken unerlässlich.