Il ruolo delle fibre di carburo di silicio nel rinforzo dei materiali compositi

Le fibre inorganiche sono brevi fibre a scala micro- a nanometrica formate dalla crescita di cristalli singoli ad alta purezza. Con una resistenza vicina a quella dei legami atomici, sezioni trasversali complete, minimi difetti strutturali e alti rapporti di forma, queste fibre sono ampiamente utilizzate per migliorare le proprietà fisiche e meccaniche di polimeri e materiali compositi.

Tra i molti materiali inorganici in grado di formare whisker, carburo di Silicio (SiC) si distingue come esempio prominente. Essendo una ceramica legata covalentemente, il carburo di silicio mostra eccellenti proprietà complessive, tra cui elevata resistenza, alta conduttività termica ed elettrica, estrema durezza, resistenza al creep, all'usura e alla corrosione, resistenza all'ossidazione e notevole stabilità termica.

Quando viene formato in whisker, il SiC presenta due strutture cristalline: tipo α e tipo β , con whisker di SiC di tipo β che offrono la durezza, il modulo, la resistenza a trazione e la resistenza al calore più elevate tra i whisker conosciuti. Questi whisker sono molto economici e facilmente compatibili con vari materiali matrice, rendendoli oggetto di estese ricerche a livello globale.

Applicazioni dei Whisker di Carburo di Silicio

Come materiale di rinforzo ad alte prestazioni, Whisker di SiC migliorano la tenacità e la resistenza dei compositi attraverso meccanismi come deviazione delle fratture, ponteggio delle fratture, estrazione dei whisker e rottura dei whisker. Al momento, vengono ampiamente utilizzati in matrice metallica , matrice ceramica , e matrice resinosa compositi.

1. Compositi con matrice metallica rinforzati (MMCs)

I compositi con matrice metallica utilizzano tipicamente i seguenti tipi di metalli come matrici:

• Alluminio (Al) e magnesio (Mg) : leggero, elevata resistenza specifica.

• Titanio (Ti) : punto di fusione elevato, ottima stabilità strutturale, prestazioni eccellenti ad alta temperatura.

• Ferro (Fe) e nichel (Ni) : resistente alle alte temperature, buona permeabilità magnetica, bassa coercitività.

• Rame (Cu) , argento (Ag) , e oro (Au) : eccellente conducibilità, resistenza alla corrosione.

Compositi a matrice metallica rinforzati con fibre di carburo di silicio presentano miglioramenti notevoli:

• Compositi SiCW/Cu : elevata resistenza a trazione e proprietà bilanciate.

• Compositi SiCW/Al : rigidità specifica, resistenza a trazione, resistenza all'usura significativamente migliorate e ridotta espansione termica.

• Lega MB15 con SiCW : maggiore durezza e velocità di indurimento.

2. Rafforzamento Compositi a matrice ceramica (CMCs)

Sebbene le ceramiche siano note per la resistenza ad alta temperatura, la resistenza alla corrosione e l'eccellente prestazione meccanica a temperature elevate, la loro fragilità intrinseca limita applicazioni più ampie. Utilizzare fibre per rafforzare le ceramiche è uno dei modi più efficaci per superare questi limiti.

Metodi comuni di fabbricazione per ceramiche rinforzate con fibre di carburo di silicio (SiC) includono:

• Pressatura a caldo

• Pressatura isostatica a caldo

• Sinterizzazione senza pressione

• Infiltrazione di vapore chimico (CVI)

• Sinterizzazione con plasma attivato (SPS)

Applicazioni esemplificative :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂ rinforzato con SiCW compositi: maggiore tenacità alla frattura e resistenza alla flessione.

• ZrB₂ rinforzato con SiCW ceramica: maggiore resistenza flessionale e tenacità.

3. Rafforzamento dei compositi a matrice resinosa

Alta prestazione compositi a matrice resinosa stanno guadagnando popolarità in diversi settori industriali grazie alla loro bassa densità, alto modulo specifico e resistenza, resistenza alla fatica, smorzamento delle vibrazioni, resistenza alla corrosione e bassa espansione termica.

Nell'aerospaziale, la riduzione del peso è cruciale. Tuttavia, per essere utilizzati come componenti portanti, i materiali resinosi devono soddisfare rigorosi requisiti prestazionali, come ad esempio:

• Resistenza ad alte temperature

• Forza accresciuta

• Trasparenza e assorbimento delle onde

• Stealth elettromagnetico

Le fibre di carburo di silicio (SiC) sono una soluzione chiave per migliorare queste proprietà.

Un esempio notevole è uno studio di Guo Weiwei , che ha utilizzato fibre di SiC per rinforzare compositi a base di resina fotocurabile mediante stereolitografia (SLA). Tramite un trattamento superficiale delle fibre con l'agente di accoppiamento KH550, lo studio ha evidenziato che l'aggiunta delle fibre:

• Rallentava la velocità di fotocura

• Migliorava significativamente le proprietà meccaniche

• Aveva un impatto negativo minimo sul processo di polimerizzazione

• Fibre di SiC in compositi metallo-ceramici a base di Ti(C,N) : miglioramento generale delle proprietà meccaniche.

Applicazioni nel Mondo Reale

Oggi, Compositi rinforzati con fibre di SiC vengono utilizzati in diversi settori industriali, tra cui aerospaziale, difesa, automobilistico, chimico, elettronico e biomedico.

Esempi includono:

• Aerospaziale : cuscinetti, valvole del sistema carburante, batterie per combustori, antenne radar, cupole a infrarossi, componenti per elicotteri e aerei a reazione.

• Automotive : iniettori di carburante, motori a combustione interna a basse emissioni, componenti per motori termici.

• Chimica e energia : reformer catalitici, ugelli di tenuta, parti di macchine resistenti all'usura.

• Elettronica : condensatori multistrato, sensori di gas e pressione.

• Biomedico : denti artificiali, ossa, articolazioni e materiali per impianti.

Conclusione

Grazie alle loro eccezionali prestazioni, Le fibre di carburo di silicio sono considerate le "Regine delle fibre" e hanno attirato una notevole attenzione da parte dei ricercatori di tutto il mondo. Paesi come gli Stati Uniti e il Giappone hanno iniziato precocemente a studiare e industrializzare le fibre di carburo di silicio, ottenendo forti benefici tecnologici ed economici. Sebbene la Cina abbia iniziato in ritardo, sono stati compiuti progressi rapidi.

Promuovere lo studio del carburo di silicio e di altre fibre può accrescere le capacità della Cina nel campo della scienza dei materiali compositi e incrementare significativamente la sua competitività globale, soprattutto nel settore della difesa nazionale.

Attualmente, Le fibre di SiC sono le più ampiamente studiate e applicate nei compositi a matrice metallica e ceramica . La ricerca sul loro utilizzo nelle matrici resinose è ancora in fase di sviluppo. Per far sì che le fibre di SiC possano pienamente esprimere il loro potenziale nei sistemi resinosi, sono essenziali studi più approfonditi e sistematici sulle tecniche di modifica superficiale.