Роль карбида кремния в упрочнении композитных материалов

Неорганические вискеры представляют собой микро- и наноразмерные короткие волокна, образующиеся при росте высокочистых монокристаллов. Обладая прочностью, близкой к прочности атомных связей, полными поперечными сечениями, минимальными структурными дефектами и высоким соотношением длины к диаметру, эти вискеры широко используются для улучшения физических и механических свойств полимеров и композитных материалов.

Среди множества неорганических материалов, способных образовывать усы, карбид кремния (SiC) выделяется как яркий пример. Как ковалентно связанный керамический материал, карбид кремния обладает превосходными комплексными свойствами, включая высокую прочность, высокую теплопроводность и электропроводность, экстремальную твёрдость, сопротивление ползучести, износу и коррозии, устойчивость к окислению и outstanding тепловую стабильность.

При формировании усов карбид кремния существует в двух кристаллических структурах: α-тип и β-тип , при этом усы β-SiC обладают наивысшей известной твёрдостью, модулем упругости, прочностью на растяжение и термостойкостью среди усов. Эти усы отличаются высокой экономической эффективностью и легкой совместимостью с различными матричными материалами, что делает их объектом интенсивных глобальных исследований.

Применение усов карбида кремния

Как материал высокой прочности для армирования Усы SiC повышают прочность и вязкость композитов за счёт механизмов, таких как отклонение трещин, мостикование трещин, выдергивание усов и их разрушение. В настоящее время они широко используются в металлическая матрица , керамическая матрица , и полимерная матрица композитные материалы.

1. Металлокерамические композиты (MMC)

В качестве матриц в металлических композитах обычно используются следующие типы металлов:

• Алюминий (Al) и магний (Mg) : легкий, высокая удельная прочность.

• Титан (Ti) : высокая температура плавления, превосходная структурная стабильность, отличная производительность при высоких температурах.

• Железо (Fe) и никель (Ni) : устойчивость к высоким температурам, хорошая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила.

• Медь (Cu) , серебро (Ag) , и золото (Au) : отличная проводимость, устойчивость к коррозии.

Композиты металлической матрицы, усиленные вискерами SiC показывают значительные улучшения:

• Композиты SiCW/Cu : повышенная прочность на растяжение и сбалансированные свойства.

• Композиты SiCW/Al : значительно улучшенная удельная жесткость, прочность на растяжение, износостойкость и пониженное тепловое расширение.

• Сплав MB15 с SiCW : повышенная твердость и скорость старения.

2. Упрочнение Керамические матричные композиты (CMCs)

Хотя керамика известна своей термостойкостью, устойчивостью к коррозии и отличными механическими характеристиками при высоких температурах, их внутренняя хрупкость ограничивает более широкое применение. Использование упрочняющих кристаллических волокон (вишеров) — один из самых эффективных способов преодоления этих ограничений.

Распространенные методы изготовления керамики, усиленной волокнами карбида кремния:

• Термическая прессовка

• Горячее изостатическое прессование

• Свободное спекание

• Химическое инфильтрационное осаждение из паровой фазы (CVI)

• Искровое плазменное спекание (SPS)

Примеры применений :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂, армированный SiCW композиты: повышенная вязкость разрушения и прочность на изгиб.

• ZrB₂, упрочненный SiCW керамика: повышенная изгибная прочность и вязкость.

3. Армирование композитов на основе смолы

Высокопроизводительный композиты на основе смолы получают широкое распространение в различных отраслях промышленности благодаря низкой плотности, высокому удельному модулю и прочности, устойчивости к усталке, гашению вибраций, коррозионной стойкости и низкому коэффициенту теплового расширения.

В аэрокосмической промышленности снижение веса имеет решающее значение. Однако для использования в качестве несущих компонентов смоляные материалы должны соответствовать строгим требованиям к эксплуатационным характеристикам, таким как:

• Устойчивость к высокой температуре

• Усиленная сила

• Пропускание и поглощение волн

• Электромагнитная скрытность

Волокна карбида кремния (SiC) являются ключевым решением для улучшения этих свойств.

Примечательным примером является исследование, проведённое Го Вэйвэем , в котором волокна SiC использовались для армирования композитов на основе фотореактивных смол методом стереолитографии (SLA). Путем поверхностной обработки волокон связующим агентом KH550 исследование показало, что добавление волокон:

• Замедляла скорость УФ-отверждения

• Значительно улучшала механические свойства

• Оказывала минимальное негативное влияние на процесс отверждения

• Волокна SiC в металлокерамических композитах на основе Ti(C,N) : общее улучшение механических свойств.

Практическое применение

Сегодня, Композиты, армированные карбидокремниевыми вискерами используются в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, оборонную, автомобилестроительную, химическую, электронную и биомедицинскую.

Примеры применения:

• Авиакосмическая промышленность : подшипники, топливные клапаны, батареи камер сгорания, радиоантенны, инфракрасные купола, компоненты вертолетов и реактивных самолетов.

• Автомобильный : топливные форсунки, двигатели внутреннего сгорания с низким уровнем выбросов, компоненты тепловых двигателей.

• Химическая и энергетическая : каталитические реформеры, уплотнительные сопла, износостойкие детали машин.

• Электроника : многослойные конденсаторы, датчики газа и давления.

• Биомедицина : искусственные зубы, кости, суставы и имплантационные материалы.

Заключение

Благодаря своим выдающимся характеристикам, Карбидокремниевые волокна считаются «королем волокон» и привлекают значительное внимание исследователей по всему миру. Страны, такие как США и Япония, начали исследовать и осваивать производство карбидокремниевых волокон на раннем этапе, получая значительные технологические и экономические выгоды. Китай начал позже, но достиг быстрого прогресса.

Развитие исследований карбидокремниевых и других волокон может повысить возможности Китая в области науки о композитных материалах и значительно усилить его глобальную конкурентоспособность, особенно в оборонной промышленности.

В настоящее время, Карбидокремниевые волокна наиболее широко изучаются и применяются в металлических и керамических композитных матрицах . Исследования их применения в полимерных матрицах еще находятся на стадии развития. Чтобы карбидокремниевые волокна в полной мере раскрыли свой потенциал в полимерных системах, необходимы более глубокие и систематические исследования методов модификации поверхности.