De rol van siliciumcarbidvezels bij het versterken van composietmaterialen

Anorganische vezels zijn micro- tot nanometers korte vezels die worden gevormd door de groei van hoogwaardige enkelkristallen. Met een sterkte die dicht bij die van atoombindingen ligt, volledige dwarsdoorsneden, minimale structurele defecten en hoge aspectverhoudingen, worden deze vezels veelal gebruikt om de fysische en mechanische eigenschappen van polymeren en composieten te verbeteren.

Onder vele anorganische materialen die in staat zijn om whiskers te vormen, silicon Carbide (SiC) valt als prominent voorbeeld op. Als een covalent gebonden keramiek heeft siliciumcarbide uitstekende algehele eigenschappen, waaronder hoge sterkte, hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, extreme hardheid, kruipbestendigheid, slijtage- en corrosiebestendigheid, oxidatiebestendigheid en uitstekende thermische stabiliteit.

Wanneer het wordt gevormd tot whiskers, komt SiC voor in twee kristalstructuren: α-type en β-type , waarbij β-SiC-whiskers de hoogste bekende hardheid, modulus, treksterkte en hittebestendigheid van whiskers bieden. Deze whiskers zijn zeer kostenefficiënt en gemakkelijk compatibel met verschillende matrixmaterialen, waardoor ze het middelpunt vormen van uitgebreid wereldwijd onderzoek.

Toepassingen van siliciumcarbide-whiskers

Als een hoogwaardig versterkend materiaal SiC-whiskers verhogen taaiheid en sterkte in composieten via mechanismen zoals krikdeflectie, krikbruggeffect, whisker-uitschuiven en whiskerbreuk. Momenteel worden ze breed toegepast in metaalmatrix , keramische matrix , en hartrx composieten.

1. Versterkende metalen matrixcomposieten (MMC's)

Metaalmatrixcomposieten gebruiken doorgaans de volgende metalen als matrix:

• Aluminium (Al) en magnesium (Mg) : lichtgewicht, hoge specifieke sterkte.

• Titank (Ti) : hoog smeltpunt, uitstekende structurele stabiliteit, uitstekende prestaties bij hoge temperaturen.

• IJzer (Fe) en nikkel (Ni) : hittebestendig, goede magnetische permeabiliteit, lage coërcitiviteit.

• Koper (Cu) , zilver (Ag) , en goud (Au) : uitstekende geleidbaarheid, corrosiebestendigheid.

SiC-vezelversterkte metalen matrixcomposieten tonen opmerkelijke verbeteringen:

• SiCW/Cu-composieten : verhoogde treksterkte en gebalanceerde eigenschappen.

• SiCW/Al-composieten : aanzienlijk verbeterde specifieke stijfheid, treksterkte, slijtvastheid en verminderde thermische uitzetting.

• MB15 legering met SiCW : verhoogde hardheid en verouderingssnelheid.

2. Versterking Ceramische matrixcomposieten (CMC's)

Hoewel keramiek bekend staat om zijn hittebestendigheid, corrosiebestendigheid en uitstekende mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen, beperkt zijn inherente brosheid de toepassing. Het gebruik van whiskers om keramiek te versterken is een van de meest effectieve manieren om deze beperkingen te overwinnen.

Algemene fabricagemethoden voor SiC-whisker versterkte keramiek zijn:

• Warmdrukken

• Warm isostatisch persen

• Drukloos sinteren

• Chemische dampinfiltratie (CVI)

• Vonksplintpersen (SPS)

Voorbeeldtoepassingen :

• SiCW-versterkte Al₂O₃/Ti₃SiC₂ composieten: verbeterde breuktaaiheid en buigsterkte.

• SiCW-versterkte ZrB₂ ceramiek: verhoogde buigsterkte en taaiheid.

3. Versterken van Hartrixcomposieten

Hoogwaardige hartrixcomposieten krijgen in verschillende industrieën steeds meer aandacht vanwege hun lage dichtheid, hoge specifieke stijfheid en sterkte, vermoeiingsbestendigheid, trillingsdemping, corrosiebestendigheid en lage thermische uitzetting.

In de lucht- en ruimtevaart is gewichtsreductie van groot belang. Echter, om gebruikt te kunnen worden als dragende componenten, moeten hartrixmaterialen strikte prestatie-eisen voldoen, zoals:

• Hoogtemperatuurbestendigheid

• Versterkte kracht

• Golfdoorlaatbaarheid en -absorptie

• Elektromagnetische stealth

SiC-vezels zijn een sleuteloplossing om deze eigenschappen te verbeteren.

Een opvallend voorbeeld is een studie van Guo Weiwei , die SiC-vezels gebruikte om UV-harde harscomposieten te versterken via stereolithografie (SLA). Door de vezels oppervlakkig te behandelen met koppelingsmiddel KH550, constateerde de studie dat de toevoeging van vezels:

• De UV-hardsnelheid vertraagde

• De mechanische prestaties aanzienlijk verbeterden

• Slechts een minimaal negatief effect had op het hardingsproces

• SiCW in Ti(C,N)-gebaseerde metaalkeramische composieten : algehele verbetering van mechanische eigenschappen.

Praktische toepassingen

Vandaag, SiC whisker-versterkte composieten worden gebruikt in uiteenlopende industrieën, waaronder lucht- en ruimtevaart, defensie, automotive, chemische industrie, elektronica en biomedische toepassingen.

Voorbeelden zijn:

• Luchtvaart : lagers, brandstofsysteemkleppen, ontstekingsbatterijen, radarantennes, infrarood koepels, helikopter- en straalvliegtuigonderdelen.

• Automobiel : brandstofsproeiers, motoren met lage uitstoot, onderdelen voor warmte-energie systemen.

• Chemie en energie : katalytische reformers, afdichtende spuitmonden, slijtvaste machineonderdelen.

• Elektronica : multilaagcondensatoren, gassensoren en druktransducers.

• Biomedisch : kunstgebit, botten, gewrichten en implantaten.

Conclusie

Met hun uitstekende prestaties Worden SiC-vezels geprezen als de "Koning van de Vezels" en hebben grote aandacht gekregen van onderzoekers wereldwijd. Landen zoals de Verenigde Staten en Japan begonnen al vroeg met het onderzoeken en industrialiseren van siliciumcarbide-vezels, wat sterke technologische en economische voordelen opleverde. Hoewel China later begon, zijn er alsnog snelle vooruitgang geboekt.

Het bevorderen van het onderzoek naar SiC en andere vezels kan China's capaciteiten op het gebied van compositiemateriaalwetenschap verhogen en aanzienlijk bijdragen aan zijn mondiale concurrentiekracht, met name op het gebied van nationale defensie.

Momenteel SiC-vezels worden het breedst bestudeerd en toegepast in metalen- en keramische matrixcomposieten . Onderzoek naar hun toepassing in harsmatrices is nog in ontwikkeling. Om SiC-vezels volledig in harssystemen te kunnen benutten, zijn diepgaandere en meer systematische studies naar oppervlaktemodificatietechnieken essentieel.