El papel de los bigotes de carburo de silicio en la refuerzo de materiales compuestos

Los bigotes inorgánicos son fibras cortas a escala micro- a nanométrica formadas mediante el crecimiento de cristales simples de alta pureza. Con una resistencia cercana a la de los enlaces atómicos, secciones transversales completas, mínimas deficiencias estructurales y elevadas relaciones de aspecto, estos bigotes se utilizan ampliamente para mejorar las propiedades físicas y mecánicas de polímeros y materiales compuestos.

Entre muchos materiales inorgánicos capaces de formar whiskers, carburo de Silicio (SiC) destaca como un ejemplo prominente. Como cerámica covalentemente unida, el carburo de silicio presenta excelentes propiedades generales, incluyendo alta resistencia, alta conductividad térmica y eléctrica, dureza extrema, resistencia a la fluencia, al desgaste y a la corrosión, resistencia a la oxidación y una notable estabilidad térmica.

Cuando se forma en whiskers, el SiC existe en dos estructuras cristalinas: tipo α y tipo β , siendo los whiskers de SiC tipo β los que ofrecen la mayor dureza conocida, módulo, resistencia a la tracción y resistencia al calor entre los whiskers. Estos whiskers son muy rentables y fácilmente compatibles con diversos materiales de matriz, convirtiéndolos en el foco de una amplia investigación mundial.

Aplicaciones de los Whiskers de Carburo de Silicio

Como material de refuerzo de alto rendimiento, Los whiskers de SiC mejoran la tenacidad y la resistencia en los compuestos mediante mecanismos tales como desviación de grietas, puenteo de grietas, extracción de whiskers y rotura de whiskers. Actualmente, se utilizan ampliamente en matriz metálica , matriz cerámica , y matriz de resina compuestos.

1. Materiales Compuestos Reforzados con Matriz Metálica (MMCs)

Los compuestos con matriz metálica suelen utilizar los siguientes tipos de metales como matrices:

• Aluminio (Al) y magnesio (Mg) : ligero, alta resistencia específica.

• Titanio (Ti) : punto de fusión elevado, estabilidad estructural excelente, rendimiento sobresaliente a altas temperaturas.

• Hierro (Fe) y níquel (Ni) : resistencia a altas temperaturas, buena permeabilidad magnética, baja coersividad.

• Cobre (Cu) , plata (Ag) , y el oro (Au) : excelente conductividad, resistencia a la corrosión.

Compuestos de matriz metálica reforzados con fibras de SiC muestran mejoras notables:

• Compuestos SiCW/Cu : mayor resistencia a la tracción y propiedades equilibradas.

• Compuestos SiCW/Al : rigidez específica, resistencia a la tracción, resistencia al desgaste notablemente mejoradas y reducción de la expansión térmica.

• Aleación MB15 con SiCW : mayor dureza y velocidad de envejecimiento.

2. Refuerzo Materiales compuestos con matriz cerámica (CMCs)

Aunque las cerámicas son conocidas por su resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y excelente rendimiento mecánico a temperaturas elevadas, su fragilidad inherente limita aplicaciones más amplias. Utilizar fibras para reforzar las cerámicas es una de las formas más efectivas de superar estas limitaciones.

Métodos comunes de fabricación para cerámicas reforzadas con fibras de carburo de silicio (SiC) incluyen:

• Prensado en caliente

• Prensado isostático en caliente

• Sinterización sin presión

• Infiltración de vapor químico (CVI)

• Sinterización por chispa plasmática (SPS)

Aplicaciones de ejemplo :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂ reforzado con SiCW compuestos: mayor tenacidad a la fractura y resistencia a la flexión.

• Cerámica ZrB₂ tenazada con SiCW cerámicas: mayor resistencia flexional y tenacidad.

3. Refuerzo de compuestos de matriz resina

Alta eficiencia compuestos de matriz resina están ganando popularidad en diversos sectores industriales debido a su baja densidad, alto módulo específico y resistencia, resistencia a la fatiga, amortiguación de vibraciones, resistencia a la corrosión y baja expansión térmica.

En la industria aeroespacial, la reducción de peso es crucial. Sin embargo, para ser utilizados como componentes estructurales, los materiales resinosos deben cumplir requisitos estrictos de rendimiento, tales como:

• Resistencia a altas temperaturas

• Mejorado de la fuerza

• Transparencia y absorción de ondas

• Furtividad electromagnética

Las fibras de carburo de silicio (SiC) son una solución clave para mejorar estas propiedades.

Un ejemplo destacado es un estudio realizado por Guo Weiwei , quien utilizó fibras de SiC para reforzar compuestos de resina termoendurecible UV mediante sinterización láser selectiva (SLA). Al tratar la superficie de las fibras con el agente de acoplamiento KH550, el estudio encontró que la adición de fibras:

• Disminuyó la velocidad de curado UV

• Mejoró significativamente el rendimiento mecánico

• Tuvo un impacto negativo mínimo en el proceso de curado

• Fibras de SiC en composites cerámicos metálicos basados en Ti(C,N) : mejora general en las propiedades mecánicas.

Aplicaciones en el mundo real

Hoy, Compuestos reforzados con fibras de SiC se utilizan en diversas industrias, incluyendo aeroespacial, defensa, automotriz, procesamiento químico, electrónica y campos biomédicos.

Ejemplos incluyen:

• Aeroespacial : cojinetes, válvulas del sistema de combustible, baterías de combustor, antenas de radar, cúpulas infrarrojas, componentes de helicópteros y aviones a reacción.

• Automotriz : inyectores de combustible, motores de combustión interna de bajas emisiones, componentes de motores térmicos.

• Química y energía : reformadores catalíticos, boquillas de sellado, piezas de maquinaria resistentes al desgaste.

• Electrónica : capacitores multicapa, sensores de gas y presión.

• Biomédico : dientes artificiales, huesos, articulaciones y materiales para implantes.

Conclusión

Con su rendimiento sobresaliente, Las fibras de carburo de silicio son aclamadas como el "Rey de las Fibras" y han generado una atención significativa por parte de investigadores de todo el mundo. Países como Estados Unidos y Japón comenzaron temprano en la investigación y comercialización de fibras de carburo de silicio, obteniendo beneficios tecnológicos y económicos importantes. Aunque China inició más tarde, se han logrado avances rápidos.

Promover el estudio del carburo de silicio y otras fibras puede elevar las capacidades de China en ciencia de materiales compuestos y aumentar considerablemente su competitividad global, especialmente en defensa nacional.

Actualmente, Las fibras de SiC son las más ampliamente estudiadas y aplicadas en composites con matrices metálicas y cerámicas . La investigación sobre su uso en matrices resinosas aún está en desarrollo. Para que las fibras de SiC puedan aprovechar plenamente su potencial en sistemas resinosos, son esenciales investigaciones más profundas y sistemáticas sobre técnicas de modificación superficial.