Kompozit Malzemelerin Güçlendirilmesinde Silisyum Karbür Liflerinin Rolü

İnorganik lifler, yüksek saflıkta tek kristallerin büyümesiyle oluşan mikro- ila nano-ölçekli kısa fiberlerdir. Atomik bağlara yakın dayanıma, tam kesitlere, minimum yapısal hatalara ve yüksek boyut oranlarına sahip olan bu lifler, polimerlerin ve kompozitlerin fiziksel ve mekanik özelliklerini artırmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Whisker oluşturabilen birçok inorganik malzeme arasında silis Karbür (SiC) öne çıkan bir örnektir. Kovalent bağlı bir seramik olarak silisyum karbür, yüksek dayanıklılık, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, aşırı sertlik, sürünme direnci, aşınma ve korozyon direnci, oksidasyon direnci ve üstün termal stabilite dahil olmak üzere mükemmel genel özelliklere sahiptir.

Whisker olarak şekillendirildiğinde, SiC iki kristal yapıda bulunur: α-tipi ve β-tipi ve β-SiC whisker'ları, whisker'lar arasında bilinen en yüksek sertliği, modülü, çekme dayanımını ve ısı direncini sunar. Bu whisker'lar oldukça maliyet etkin olup çeşitli matris malzemelerle uyum sağlama kolaylığına sahiptir; bu nedenle dünya çapında kapsamlı araştırmaların odak noktası haline gelmiştir.

Silisyum Karbür Whisker'larının Uygulamaları

Yüksek performanslı takviye malzemesi olarak SiC whisker'ları kompozitlerde çatlak yönlendirme, çatlak köprüleme, whisker koparma ve whisker kırılması gibi mekanizmalar aracılığıyla tokluk ve dayanıklılığı artırır. Şu anda bunlar yaygın olarak kullanılmaktadır metal matrisi , seramik matrisi , ve rezin matrisi bileşikler.

1. Takviyeli Metal Matrisli Kompozitler (MMCs)

Metal matrisli kompozitler genellikle aşağıdaki türde metalleri matris olarak kullanır:

• Alüminyum (Al) ve magnezyum (Mg) : hafif, yüksek özgül dayanım.

• Titan (Ti) : yüksek erime noktası, mükemmel yapısal stabilite, üstün yüksek sıcaklık performansı.

• Demir (Fe) ve nikel (Ni) : yüksek sıcaklık direnci, iyi manyetik geçirgenlik, düşük koersivite.

• Bakır (Cu) , gümüş (Ag) , ve altın (Au) : mükemmel iletkenlik, korozyon direnci.

SiC whisker takviyeli metal matris kompozitleri dikkat çekici iyileşmeler gösterir:

• SiCW/Cu kompozitleri : geliştirilmiş çekme dayanımı ve dengeli özellikler.

• SiCW/Al kompozitleri : belirgin şekilde artırılmış özel sertlik, çekme dayanımı, aşınma direnci ve azaltılmış termal genleşme.

• SiCW ile MB15 alaşımı : sertlik ve yaşlanma oranı artar.

2. Güçlendirme Seramik Matrisli Kompozitler (CMCs)

Seramikler yüksek sıcaklık direnci, korozyon direnci ve yüksek sıcaklıklarda mükemmel mekanik performansları ile bilinir; ancak içsel gevreklikleri daha geniş uygulamalarını sınırlar. Seramikleri güçlendirmek için whisker'ler kullanmak bu sınırlamaları aşmanın en etkili yollarından biridir.

Sıkça kullanılan üretim yöntemleri siC whisker ile takviye edilmiş seramikler için şunları içerir:

• Sıcak presleme

• Isı eşbasınçlı presleme

• Basınçsız sinterleme

• Kimyasal buhar infiltrasyonu (CVI)

• Sparks plazma sinterleme (SPS)

Örnek uygulamalar :

• SiCW takviyeli Al₂O₃/Ti₃SiC₂ kompozitler: geliştirilmiş kırılma tokluğu ve bükme dayanımı.

• SiCW ile toklaştırılmış ZrB₂ seramikler: artırılmış eğilme dayanımı ve tokluk.

3. Reçine Matrisli Kompozitleri Takviye Etmek

Yüksek Performans reçine matrisli kompozitler düşük yoğunlukları, yüksek özgül modülü ve dayanımları, yorulma dirençleri, titreşim sönümleme özellikleri, korozyon dirençleri ve düşük termal genleşmeleri nedeniyle endüstrinin çeşitli alanlarında popülerlik kazanmaktadır.

Havacılıkta ağırlık azaltımı çok önemlidir. Ancak yük taşıyan bileşenler olarak kullanılabilmesi için reçine malzemelerin aşağıdaki gibi sert performans gereksinimlerini karşılaması gerekir:

• Yüksek sıcaklığa dayanıklı

• Gücünü Artırdı

• Dalga geçirgenliği ve emilimi

• Elektromanyetik gizlilik

SiC whisker'ları önemli bir çözümdür bu özellikleri artırmak için.

Dikkat çekici bir örnek Guo Weiwei , tarafından yapılan çalışmada SiC whisker'ları stereolitografi (SLA) yoluyla UV ile sertleşebilen reçine kompozitlerini güçlendirmek için Ti(C,N)-bazlı metal-seramik kompozitlerde KH550 kuplaj ajanı ile yüzey işleme uygulanarak incelendi. Çalışma, whisker eklemenin:

• UV sertleştirme oranını yavaşlattı

• Mekanik performansı önemli ölçüde artırdı

• Sertleştirme sürecine minimal olumsuz etkisi oldu

• SiCW, Ti(C,N)-bazlı metal-seramik kompozitlerde : mekanik özelliklerdeki genel iyileşme.

Gerçek Hayatta Uygulamalar

Bugün, SiC whisker ile takviye edilmiş kompozitler havacılık, savunma, otomotiv, kimya sanayii, elektronik ve biyomedikal alanları dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır.

Örnekler şunları içerir:

• Havacılık : rulmanlar, yakıt sistemi valfleri, yakma odası bataryaları, radar antenleri, kızılötesi kupollar, helikopter ve jet uçak parçaları.

• Otomotiv : yakıt enjektörleri, düşük emisyonlu içten yanmalı motorlar, ısı motoru bileşenleri.

• Kimya ve Enerji : katalitik reformerlar, sızdırmazlık memeleri, aşınma dirençli makine parçaları.

• Elektronik : çok katmanlı kapasitörler, gaz ve basınç sensörleri.

• Biyoteknoloji : yapay dişler, kemikler, eklem ve implant malzemeleri.

Sonuç

Olağanüstü performansları ile SiC whiskerler "Whiskerlerin Kralı" olarak kabul edilmektedir ve dünya çapında araştırmacıların büyük ilgisini çekmektedir. ABD ve Japonya gibi ülkeler erken dönemde silisyum karbür whiskerlerinin araştırılması ve sanayileştirilmesine başlamışlardır ve güçlü teknolojik ve ekonomik faydalar elde etmişlerdir. Çin daha geç başlamış olsa da hızlı gelişmeler kaydetmiştir.

SiC ve diğer whiskerlerin araştırılmasının geliştirilmesi, Çin'in kompozit malzeme bilimi alanındaki kabiliyetlerini yükseltebilir ve özellikle ulusal savunma alanında küresel rekabet gücünü önemli ölçüde artırabilir.

Şu anda, SiC whiskerler en yaygın olarak metal ve seramik matrisli kompozitlerde incelenmiş ve uygulanmıştır . Reçine matrislerinde kullanımına ilişkin araştırmalar hâlâ gelişmekte olan bir durumdadır. SiC whiskerlerin reçine sistemlerindeki potansiyellerini tam olarak gerçekleştirmeleri için yüzey modifikasyonu teknikleri üzerine daha derin ve sistematik araştırmaların yapılması kaçınılmazdır.