บทบาทของเส้นใยคาร์ไบด์ซิลิคอนในการเสริมแรงวัสดุคอมโพสิต

เส้นใยอนินทรีย์เป็นเส้นใยสั้นระดับไมโครถึงระดับนาโนที่เกิดจากการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูง ด้วยความแข็งแรงที่ใกล้เคียงกับพันธะอะตอม หน้าตัดที่สมบูรณ์ ข้อบกพร่องทางโครงสร้างน้อยที่สุด และอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสูง เส้นใยเหล่านี้มักถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายเพื่อเพิ่มคุณสมบัติด้านกายภาพและเชิงกลของโพลิเมอร์และวัสดุคอมโพสิต

จากวัสดุอนินทรีย์หลายชนิดที่สามารถสร้างเส้นใยได้ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ถือเป็นตัวอย่างที่เด่นชัด โดยซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เป็นเซรามิกส์ที่มีพันธะโควาเลนต์นั้นมีคุณสมบัติโดยรวมที่ยอดเยี่ยม ได้แก่ ความแข็งแรงสูง การนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี ความแข็งสูงมาก ทนต่อการบิดงอ (creep resistance) ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน ทนต่อการออกซิเดชัน และมีความเสถียรทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม

เมื่อถูกสร้างเป็นเส้นใย (whiskers) ซิลิคอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างผลึก 2 แบบ ได้แก่ แบบ α และ แบบ β โดยเส้นใย β-SiC มีความแข็ง ค่ามอดุลัส ความต้านทานแรงดึง และความทนทานต่อความร้อนสูงสุดที่ทราบในปัจจุบัน เส้นใยเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงคุ้มค่า และสามารถใช้ร่วมกับวัสดุแม่ (matrix materials) หลากหลายชนิด ทำให้เป็นจุดสนใจในการวิจัยทั่วโลกอย่างกว้างขวาง

การประยุกต์ใช้งานเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์

ในฐานะวัสดุเสริมประสิทธิภาพสูง เส้นใย SiC เพิ่มความเหนียวและความแข็งแรงให้กับวัสดุคอมโพสิตผ่านกลไกต่างๆ เช่น การเบี่ยงเบนรอยร้าว (crack deflection) การเชื่อมโยงรอยร้าว (crack bridging) การหลุดออกของเส้นใย (whisker pull-out) และการแตกหักของเส้นใย (whisker breakage) ในปัจจุบัน วัสดุนี้ถูกใช้อย่างแพร่หลายใน เมทริกซ์โลหะ , แมทริกซ์เซรามิกส์ , และ แมทริกซ์เรซิน คอมโพสิต.

1. คอมโพสิตแมทริกซ์โลหะเสริมแรง (MMCs)

คอมโพสิตแมทริกซ์โลหะโดยทั่วไปใช้โลหะประเภทต่อไปนี้เป็นแมทริกซ์:

• อะลูมิเนียม (Al) และ แมกนีเซียม (Mg) : มีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงจำเพาะสูง

• ไทเทเนียม (Ti) : จุดหลอมเหลวสูง มีความเสถียรของโครงสร้างยอดเยี่ยม และสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงโดดเด่น

• เหล็ก (Fe) และ นิกเกิล (Ni) : ทนความร้อนสูง มีค่าการซึมผ่านแม่เหล็กดี แรงโคจรต่ำ

• ทองแดง (Cu) , เงิน (Ag) , และ ทอง (Au) : การนำไฟฟ้าได้ดีและความต้านทานการกัดกร่อน

วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะที่เสริมด้วยเส้นใย SiC แสดงการปรับปรุงที่โดดเด่น:

• วัสดุคอมโพสิต SiCW/Cu : ความแข็งแรงดึงสูงขึ้นและสมบัติที่สมดุล

• วัสดุคอมโพสิต SiCW/Al : เพิ่มความแข็งเฉพาะตัว ความแข็งแรงดึง การต้านทานการสึกหรอ และลดการขยายตัวจากความร้อน

• โลหะผสม MB15 พร้อม SiCW : เพิ่มความแข็งและความเร็วในการแก่ตัวของวัสดุ

2. การเสริมแรง คอมโพสิตวัสดุเซรามิกส์เป็นแมทริกซ์ (CMCs)

แม้ว่าวัสดุเซรามิกส์จะมีคุณสมบัติเด่นในเรื่องความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ทนทานต่อการกัดกร่อน และมีสมบัติทางกลที่ดีเมื่ออยู่ในอุณหภูมิสูง แต่ก็ยังมีข้อจำกัดที่สำคัญคือความเปราะที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของวัสดุ ซึ่งทำให้การนำไปใช้งานจริงมีข้อจำกัดมากขึ้น การใช้เส้นใยเซรามิกส์ (Whiskers) มาเป็นตัวเสริมแรงให้กับเซรามิกส์ คือหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการแก้ไขปัญหาเหล่านี้

วิธีการผลิตที่นิยมใช้ สำหรับเซรามิกส์ที่เสริมแรงด้วยเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC Whiskers) ได้แก่

• การกดร้อน

• การอัดรัดแบบร้อนแบบอิสระ (Hot Isostatic Pressing)

• การเผาเชื่อมแบบไม่ใช้แรงดัน (Pressureless Sintering)

• การซึมผ่านด้วยไอสารเคมี (Chemical Vapor Infiltration - CVI)

• การเผาเชื่อมด้วยกระแสไฟฟ้าแรงดันสูง (Spark Plasma Sintering - SPS)

ตัวอย่างการนำไปใช้งาน :

• SiCW-reinforced Al₂O₃/Ti₃SiC₂ คอมโพสิต: ปรับปรุงความเหนียวในการแตกหักและแรงดัดได้ดีขึ้น

• SiCW-toughened ZrB₂ เซรามิกส์: เพิ่มความแข็งแรงและการทนต่อการแตกหักได้ดีขึ้น

3. การเสริมแรงคอมโพสิตเมทริกซ์เรซิน

ความสามารถสูง คอมโพสิตเมทริกซ์เรซิน กำลังได้รับความนิยมในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ ค่ามอดุลัสจำเพาะและแรงดึงสูง ทนต่อการสั่นสะเทือน ดูดซับการสั่นได้ดี ทนต่อการกัดกร่อน และการขยายตัวจากความร้อนต่ำ

ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การลดน้ำหนักมีความสำคัญอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เพื่อที่จะนำมาใช้เป็นชิ้นส่วนรับแรง วัสดุเรซินจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านสมบัติการใช้งานที่เข้มงวด เช่น

• ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง

• ความแข็งแรง ที่ เพิ่ม ขึ้น

• การส่งผ่านและความดูดกลืนคลื่น

• การซ่อนเร้นทางแม่เหล็กไฟฟ้า

เส้นใย SiC เป็นหนึ่งในทางออกที่สำคัญ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติเหล่านี้

ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคืองานวิจัยของ Guo Weiwei , ซึ่งใช้เส้นใย SiC เพื่อเสริมแรงในเรซินคอมโพสิตที่แข็งตัวด้วยรังสี UV โดยกระบวนการสเตริโอลิโทกราฟี (SLA) โดยทำการปรับปรุงพื้นผิวเส้นใยด้วยสารเคลือบผิว KH550 งานวิจัยพบว่าการเติมเส้นใยนั้น:

• ชะลออัตราการแข็งตัวด้วย UV

• เพิ่มสมบัติเชิงกลอย่างมีนัยสำคัญ

• มีผลกระทบเชิงลบขั้นต่ำต่อกระบวนการแข็งตัว

• SiCW ในคอมโพสิตเซรามิก-โลหะบนพื้นฐาน Ti(C,N) : การปรับปรุงสมบัติเชิงกลโดยรวม

การประยุกต์ใช้ในโลกจริง

วันนี้ คอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC whisker-reinforced composites) ถูกใช้งานในอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท ได้แก่ ภาคการบินและอวกาศ ภาคป้องกันประเทศ อุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมการแปรรูปเคมี อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และสาขาเทคโนโลยีชีวภาพทางการแพทย์

ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่

• การบินและอวกาศ : แบริ่ง วาล์วระบบเชื้อเพลิง แบตเตอรี่สำหรับเครื่องยนต์เผาไหม้ เสาอากาศเรดาร์ โดมอินฟราเรด ชิ้นส่วนเฮลิคอปเตอร์และเครื่องบินเจ็ต

• ยานยนต์ : หัวฉีดเชื้อเพลิง เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ปล่อยมลพิษต่ำ ส่วนประกอบเครื่องจักรแปลงพลังงานความร้อน

• เคมีภัณฑ์และพลังงาน : เครื่องปฏิกรณ์สำหรับเปลี่ยนก๊าซ หัวฉีดสำหรับระบบปิดกั้น ส่วนประกอบเครื่องจักรทนต่อการสึกกร่อน

• อิเล็กทรอนิกส์ : ตัวเก็บประจุหลายชั้น เซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซและความดัน

• ชีวการแพทย์ : ฟันปลอม กระดูก ข้อต่อ และวัสดุสำหรับฝังในร่างกาย

สรุป

ด้วยสมรรถนะที่ยอดเยี่ยม เส้นใย SiC ได้รับการยกย่องว่าเป็น "ราชาแห่งเส้นใย" และได้รับความสนใจอย่างมากจากนักวิจัยทั่วโลก ประเทศเช่น สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้เริ่มทำการวิจัยและพัฒนาเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์เชิงอุตสาหกรรมตั้งแต่ระยะแรก ทำให้ได้รับประโยชน์ทั้งในเชิงเทคโนโลยีและเศรษฐกิจอย่างแข็งแกร่ง แม้ว่าจีนจะเริ่มศึกษาในภายหลัง แต่ก็มีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว

การส่งเสริมการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับ SiC และเส้นใยอื่น ๆ จะสามารถยกระดับศักยภาพของจีนในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุผสมผสาน และเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันระดับโลกได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะในภาคอุตสาหกรรมด้านความมั่นคงแห่งชาติ

ในปัจจุบัน เส้นใย SiC ถูกศึกษาและนำไปใช้มากที่สุดในวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะและเซรามิกส์ การวิจัยการใช้งานในเมทริกซ์เรซินยังอยู่ในขั้นตอนพัฒนา เพื่อให้เส้นใย SiC สามารถแสดงศักยภาพได้อย่างเต็มที่ในระบบเรซิน จำเป็นต้องมีการศึกษาเทคนิคการปรับปรุงพื้นผิวอย่างลึกซึ้งและเป็นระบบมากยิ่งขึ้น