Роль карбіду кремнію у підсиленні композитних матеріалів

Неметалеві віскери — це короткі волокна мікро- до нанорозмірів, утворені шляхом вирощування високочистих монокристалів. Завдяки міцності, близькій до атомних зв’язків, повним перерізам, мінімальним структурним дефектам і високому співвідношенню довжини до діаметра, ці віскери широко використовуються для підвищення фізичних і механічних властивостей полімерів і композитів.

Серед багатьох неорганічних матеріалів, здатних утворювати вусики, карбід кремнію (SiC) виокремлюється яскравим прикладом. Як ковалентно зв’язана кераміка, карбід кремнію має чудові комплексні властивості, зокрема високу міцність, високу теплопровідність та електропровідність, надзвичайну твердість, стійкість до повзучості, зношування й корозії, окислювальну стійкість та виняткову термостійкість.

У формі вусиків карбід кремнію існує у двох кристалічних структурах: α-тип і β-тип , при цьому вусики β-SiC мають найвищу відому твердість, модуль, межу міцності при розтягуванні й термостійкість серед вусиків. Ці вусики мають високу ефективність у співвідношенні ціни та якості й легко сумісні з різноманітними матричними матеріалами, що робить їх предметом інтенсивних досліджень по всьому світу.

Застосування вусиків карбіду кремнію

Як матеріал високих експлуатаційних характеристик для армування, Вусики SiC підвищують в’язкість і міцність композитів за рахунок механізмів, таких як відхилення тріщин, містки між тріщинами, висмикування вусиків і їх руйнування. Наразі їх широко використовують у металевий матриця , керамічна матриця , а також смола матриця композитні матеріали.

1. Металокерамічні композити (MMC)

Металоматричні композити зазвичай використовують наступні типи металів як матриці:

• Алюміній (Al) і магній (Mg) : легкий, висока питома міцність.

• Титан (Ti) : висока температура плавлення, чудова структурна стабільність, виняткова продуктивність при високих температурах.

• Железо (Fe) і никель (Ni) : стійкість до високих температур, гарна магнітна проникність, низька когезія.

• Мідь (Cu) , срібло (Ag) , а також золото (Au) : відмінна електропровідність, стійкість до корозії.

Композити металевої матриці, армовані вусами SiC виявляють помітні поліпшення:

• Композити SiCW/Cu : підвищена міцність на розрив та збалансовані властивості.

• Композити SiCW/Al : значно підвищена питома жорсткість, міцність на розрив, зносостійкість та зменшення теплового розширення.

• Сплав MB15 з SiCW : збільшена твердість і швидкість старіння.

2. Посилення Керамічні композити (CMCs)

Хоча кераміка відома завдяки стійкості до високих температур, корозії та чудовим механічним властивостям при підвищених температурах, її власна крихкість обмежує більш широке застосування. Використання вусиків для посилення кераміки є одним із найефективніших способів подолання цих обмежень.

Загальні методи виготовлення кераміки, посиленої вусиками SiC, включають:

• Гаряче пресування

• Ізостатичне гаряче пресування

• Спікання без тиску

• Інфільтрація хімічної парової фази (CVI)

• Спікаювання іскрового плазмового (SPS)

Приклади застосування :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂, армований SiCW композити: підвищена тріщиностійкість та міцність на згин.

• Зміцнений SiCW ZrB₂ кераміка: підвищена міцність на згин і тріщиностійкість.

3. Армування композитів на основі смоли

Високопродуктивні композити на основі смоли отримують все більше поширення в різних галузях промисловості завдяки низькій густині, високому питомому модулю та міцності, стійкості до втоми, зменшенню вібрації, стійкості до корозії та низькому коефіцієнту теплового розширення.

У авіаційно-космічній промисловості зменшення ваги є вкрай важливим. Однак, щоб використовувати їх як несучі елементи, матеріали на основі смол мають відповідати суворим вимогам щодо експлуатаційних характеристик, таким як:

• Стійкість до високих температур

• Збільшена сила

• Хвильова прозорість і поглинання

• Електромагнітна стелс-технологія

Волокна SiC є ключовим рішенням для підвищення цих властивостей.

Показовим прикладом є дослідження, проведене Го Вейвей , який використовував волокна SiC для зміцнення композитів на основі УФ-фотополімеризованих смол шляхом стереолітографії (SLA). Після модифікації поверхні волокон з використанням зв'язувального агента KH550 дослідження показало, що додавання волокон:

• Уповільнило швидкість УФ-полімеризації

• Значно покращило механічні характеристики

• Мало негативний вплив на процес полімеризації

• SiCW у металокерамічних композитах на основі Ti(C,N) : загальне покращення механічних властивостей.

Реальні застосування

Сьогодні, Композити, армовані вусами SiC використовуються в різноманітних галузях, включаючи авіаційно-космічну, оборонну, автомобільну, хімічну промисловість, електроніку та біомедичну сфери.

Приклади:

• Аерокосмічна промисловість : підшипники, паливні клапани, батареї камер згоряння, радіолокаційні антени, інфрачервоні купола, компоненти гелікоптерів та літаків.

• Автомобільна промисловість : паливні форсунки, двигуни внутрішнього згоряння з низьким викидом, компоненти теплових двигунів.

• Хімічна та енергетична : каталітичні реформери, ущільнювальні сопла, зносостійкі деталі машин.

• Електроніка : багатошарові конденсатори, газові та тискові сенсори.

• Біомедичний : штучні зуби, кістки, суглоби та імплантати.

Висновок

Завдяки своїм винятковим характеристикам, Карбід кремнієві вусики вважаються «Королем вусиків» і викликали значний інтерес серед дослідників по всьому світу. Країни, такі як США та Японія, почали досліджувати та промислове виробництво карбіду кремнію вже давно, отримуючи сильні технологічні та економічні переваги. Хоча Китай почав пізніше, були досягнуті швидкі успіхи.

Сприяння вивченню карбіду кремнію та інших вусиків може підвищити здатність Китаю у науці про композитні матеріали та значно посилити його глобальну конкурентоспроможність, особливо в оборонній галузі.

На сьогоднішній день, Вусики карбіду кремнію найбільш широко вивчені та застосовуються в метало- та керамічних композитних матрицях . Дослідження щодо їх використання в смолистих матрицях все ще перебувають на стадії розвитку. Щоб вусики карбіду кремнію повністю реалізували свій потенціал у смолистих системах, необхідні глибші та систематичні дослідження методів модифікації поверхні.