Rola wici z węglika krzemu w wzmocnieniu materiałów kompozytowych

Wici nieorganiczne to mikro- do nano- skali krótkie włókna powstające w wyniku wzrostu wysokoczystych kryształów pojedynczych. O wytrzymałości bliskiej tej wiązań atomowych, pełnych przekrojach, minimalnych wadach strukturalnych i wysokim stosunku długości do średnicy, te wici są szeroko stosowane do poprawy właściwości fizycznych i mechanicznych polimerów i kompozytów.

Wśród wielu materiałów nieorganicznych, zdolnych do tworzenia wąsów, karbony krzemu (SiC) widać, że jest to znakomity przykład. Jako ceramika związana kowalentnie, węglik krzemowy wykazuje doskonałe właściwości, w tym wysoką wytrzymałość, wysoką przewodność cieplną i elektryczną, ekstremalną twardość, odporność na pełzanie, odporność na zużycie i korozję, odporność na ut

Po utworzeniu wąsaczek, SiC występuje w dwóch strukturach krystalicznych: typ α i typ β , z wąsaczkami β-SiC oferującymi najwyższą znaną twardość, moduł, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ciepło wśród wąsek. Te wąsy są bardzo ekonomiczne i łatwo kompatybilne z różnymi materiałami macierzystymi, co czyni je przedmiotem szeroko zakrojonych badań na całym świecie.

Zastosowania wąsków węglowodorów krzemowych

Jako materiał wzmocnienia o wysokiej wydajności, Wąsy SiC zwiększenie wytrzymałości i wytrzymałości kompozytów poprzez mechanizmy takie jak defleksja pęknięć, łączenie pęknięć, wyciąganie wąsa i pęknięcie wąsa. Obecnie są one szeroko stosowane w macierz metalowa , macierz ceramiczna , oraz macierz żywiczna kompozyty.

1. Kompozyty zbrojone metalową macierzą (MMCs)

Kompozyty metalowe z macierzą metalową zazwyczaj wykorzystują następujące typy metali jako macierze:

• Aluminium (Al) i magnez (Mg) : lekki, wysoka wytrzymałość właściwa.

• Titaniel (Ti) : wysoka temperatura topnienia, doskonała stabilność konstrukcyjna, znakomite właściwości w wysokiej temperaturze.

• Żelazo (Fe) i nikiel (Ni) : odporność na wysoką temperaturę, dobra przenikalność magnetyczna, niskie koercji.

• Miedź (Cu) , srebrny (Ag) , oraz złoto (Au) : doskonała przewodność, odporność na korozję.

Kompozyty metalowe wzmacniane włóknami SiC wykazują znaczące ulepszenia:

• Kompozyty SiCW/Cu : zwiększona wytrzymałość na rozciąganie oraz zbalansowane właściwości.

• Kompozyty SiCW/Al : znacznie poprawiona sztywność właściwa, wytrzymałość na rozciąganie, odporność na zużycie oraz zmniejszone rozszerzalność cieplną.

• Stop MB15 z SiCW : zwiększona twardość i szybkość starzenia.

2. Wzmacnianie Kompozyty na osnowie ceramiki (CMCs)

Chociaż ceramika jest znana z odporności na wysoką temperaturę, odporności na korozję oraz doskonałych właściwości mechanicznych w podwyższonej temperaturze, to jej wrodzona kruchość ogranicza szersze zastosowanie. Użycie włókien (whiskerów) do wzmacniania ceramiki to jedna z najskuteczniejszych metod pokonania tych ograniczeń.

Typowe metody wytwarzania dla ceramiki wzmocnionej włóknami SiC obejmują:

• Gorące prasowanie

• Prasowanie izostatyczne na gorąco

• Sinterowanie bez nacisku

• Infiltracja parowa chemiczna (CVI)

• Sinteryzacja plazmowa iskrowa (SPS)

Przykładowe zastosowania :

• Kompozyty Al₂O₃/Ti₃SiC₂ wzmacniane włóknem SiC kompozyty: poprawiona odporność na pękanie i wytrzymałość na zginanie.

• Ceramika ZrB₂ odporna na pękanie dzięki dodatku włókien SiC ceramika: zwiększona wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie.

3. Wzmacnianie kompozytów na osnowie żywicznej

Wysokowydajne kompozyty na osnowie żywicznej zdobywają popularność w różnych gałęziach przemysłu dzięki niskiej gęstości, wysokiemu modułowi właściwemu i wytrzymałości, odporności na zmęczenie, tłumieniu drgań, odporności na korozję oraz niskiej rozszerzalności termicznej.

W przemyśle lotniczym redukcja masy jest kluczowa. Jednak aby mogły być stosowane jako elementy nośne, materiały żywiczne muszą spełniać surowe wymagania eksploatacyjne, takie jak:

• Odporność na wysokie temperatury

• Zwiększona wytrzymałość

• Przepuszczalność i pochłanianie fal

• Środki do ukrycia elektromagnetycznego

Włókna węglika krzemu (SiC) są kluczowym rozwiązaniem w celu wzmocnienia tych właściwości.

Poważnym przykładem jest badanie przeprowadzone przez Guo Weiwei'ego , który wykorzystał włókna SiC do wzmocnienia kompozytów na bazie żywicy utwardzanej UV poprzez stereolitografię (SLA). Poprzez modyfikację powierzchniową włókien za pomocą czynnika wiążącego KH550, badanie wykazało, że dodatek włókien:

• Zwolnił szybkość utwardzania UV

• Znacznie poprawił właściwości mechaniczne

• Miał minimalny negatywny wpływ na proces utwardzania

• SiCW w kompozytach metalowo-ceramicznych na bazie Ti(C,N) : ogólna poprawa właściwości mechanicznych.

Zastosowania w praktyce

Dzisiaj, Kompozyty wzmocnione włóknami SiC są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, w tym lotniczej, obronnej, motoryzacyjnej, chemicznej, elektronicznej oraz medycznej.

Przykłady zastosowań to:

• Aeronautyka i kosmonautyka : łożyska, zawory systemu paliwowego, baterie bojowe, anteny radarowe, kopuły podczerwieni, elementy śmigłowców i samolotów odrzutowych.

• Motoryzacja : wtryskiwacze paliwa, silniki spalinowe o niskich emisjach, elementy silników cieplnych.

• Chemia i energia : reformery katalityczne, dysze uszczelniające, części maszyn odporne na zużycie.

• Elektronika : kondensatory wielowarstwowe, czujniki gazu i ciśnienia.

• Biomedyczny : zęby sztuczne, kości, stawy i materiały implantacyjne.

Wnioski

Dzięki swoim wyjątkowym właściwościom Włókna SiC są uważane za „Króla włókien” i wzbudzają duże zainteresowanie naukowców na całym świecie. Kraje takie jak Stany Zjednoczone i Japonia rozpoczęły badania i wdrażanie przemysłowe włókien wczesnej karbonylu krzemu, osiągając znaczące korzyści technologiczne i ekonomiczne. Chociaż Chiny rozpoczęły badania później, to szybko dokonały znaczących postępów.

Rozwój badań nad SiC i innymi włóknami może podnieść możliwości Chin w dziedzinie nauki o materiałach kompozytowych i znacząco wzmocnić ich konkurencyjność globalną, zwłaszcza w obszarze obronności.

Obecnie, Włókna SiC są najpowszechniej badane i stosowane w kompozytach z osnową metalową i ceramiczną . Badania nad ich zastosowaniem w osnowach żywicznych są wciąż w fazie rozwojowej. Aby włókna SiC mogły w pełni wykazać swoje możliwości w systemach żywicznych, niezbędne są głębsze i bardziej systematyczne badania nad technikami modyfikacji powierzchni.