Whiskers af siliciumkarbid

Siliciumkarbid-whiskers anvendes ofte til at styrke og gøre metal-, keramik- og polymerkompositter mere sejere, hvilket giver disse kompositter forbedrede egenskaber med hensyn til brudsejhed, bøjningsstyrke, oxidationsbestandighed og brudsejhed.

SiCw-dispersioner blev undersøgt ved hjælp af en Malvern Nano ZS90 med henblik på at analysere deres overflade-zeta-potentiale i overensstemmelse med principperne for Sterns dobbelte elektriske lagstruktur (Greenwood 2003). Ifølge dette princip indikerer højere værdier en større disperseringseffektivitet.

Styrke

Siliciumkarbid-whiskers kan være et effektivt redskab til at styrke polymerbaserede kompositmaterialer. Disse fiberlignende partikler har mange industrielle anvendelser og findes i to krystalformer – a-SiC (heksagonal og romboedrisk struktur) og b-SiC (fladecentreret kubisk struktur). Det er forholdsvis enkelt at fremstille a-SiC-whiskers, men anvendelsen er begrænset på grund af deres skørhed; i modsætning hertil kræver b-SiC-whiskers en kompleks kemisk syntese samt dyrere udstyr, men de udviser til gengæld en højere brudsejhed end deres modstykker.

Forskere, der arbejder med at udvikle højtydende polymerbaserede kompositter, har fokuseret på fyldstoffer, der forbedrer polymerernes slidstyrke, som led i en bredere indsats for at øge de mekaniske egenskaber og samtidig sænke omkostningerne; polymermaterialer har typisk lavere træk- og slagstyrke end deres metalliske eller keramiske modstykker, men er langt billigere at fremstille.

Fyldstoffer, der anvendes til at modificere PA6, har vist sig at have en begrænset slidstyrke. Nylonkompositter indeholdende glasfibre viste dårligere resultater, mens kompositter indeholdende uorganiske ildfaste materialer som molybdændisulfid havde en lavere trækstyrke end andre.

I denne undersøgelse blev der anvendt PA6-baserede kompositter indeholdende forskellige koncentrationer af b-SiC-whiskers. Tilsætningen heraf forbedrede bøjningsstyrken, brudarbejdet og den interlaminære forskydningsstyrke markant; tilsætningen bidrog også til øget sejhed på grund af brodannelse mellem whiskers; denne proces overfører spænding fra bløde polymerer som PA6 til hårdere SiC-whiskers, som derefter leder spændingen væk fra sig selv og i stedet hen imod dem.

Elektronmikroskopi blev anvendt til at undersøge både morfologien og mikrostrukturen af b-SiC-whiskers. Sammenlignet med deres modstykker, a-SiC-whiskers, udviste b-SiC-whiskers områder med lav defektdensitet samt områder med lav plan defektdensitet; desuden havde de en større krystalkornstørrelse end deres a-SiC-modstykker.

Whiskers fremstillet af b-SiC blev med succes dispergeret i PA6-baserede kompositter ved anvendelse af en passende pH-værdi, hvilket medførte en markant stigning i disse kompositters bøjningsstyrke, trækstyrke, brudarbejde, sejhed og brudsejhed. Brodannelses- og udtrækningsprocesser spillede en væsentlig rolle i forbedringen af sejheden samtidig med, at bøjningsstyrken blev øget, da de krævede større energi at bryde end metoder uden brodannelse.

Robusthed

Siliciumkarbid-whiskers kan anvendes til at styrke og gøre keramiske materialer, metaller og polymerkompositter mere sejhed. Deres egenskaber spænder fra høj styrke, hårdhed og sejhed til fremragende kemisk inaktivitet og korrosionsbestandighed – samt lav elektrisk ledningsevne – hvilket gør dem ideelle til anvendelse i en lang række keramiske, metalliske og polymere materialer. Du finder helt sikkert en størrelse, der passer perfekt til netop dine behov!

Disse materialer er særligt velegnede til anvendelser, der kræver høj ydeevne, såsom luft- og rumfartsteknik og skæreværktøjer. Deres holdbarhed gør dem velegnede til slibning, polering eller maskinskæring, og de kan endda kombineres med andre materialer for at øge ydeevnen – for eksempel sammen med titancarbonitrid (TiCxNy) for at øge hårdheden og den kemiske inaktivitet i keramiske kompositter.

De kan derfor anvendes inden for luftfartsingeniørvidenskab til at designe lettere og mere brændstofeffektive fly, stærkere kompositmaterialer, der kan modstå større belastninger, samt skæreværktøjer med den nødvendige præcision, såsom boremaskiner eller slibemaskiner.

Keramiske kompositter, der er forstærket med grove siliciumkarbid-whiskers, har vist forbedret sejhed ved trækprøvning. Whiskernes sammenfiltring øgede energiforbruget ved brud markant – hvilket er en indikator for sejhed. Desuden forbedrede indarbejdelsen af whiskers deres c-moment ved brud – en væsentlig egenskab for keramiske materialer.

Grove siliciumkarbid-whiskers kan udgøre et effektivt tilsætningsstof til kompositter med keramisk matrix, men deres morfologi kan have en negativ indvirkning på deres sejhed. Derfor kræver inkorporeringen af dem en proces, der reducerer både deres størrelse og indholdet af frit siliciumdioxid, for at de kan inkorporeres succesfuldt i keramiske matricer.

En måde at nå dette mål på er ved hjælp af energibesparende kugleformaling. Denne teknik reducerer whisker-størrelsen og øger samtidig overfladearealet. Desuden kan der indarbejdes en højere volumenprocent af whiskers i produktionen af kompositmaterialer for at opnå bedre brudsejhed end ved fremstilling uden grove whiskers.

Holdbarhed

Siliciumkarbid er et ekstremt holdbart materiale, der anvendes til at forstærke keramik, metaller og polymerkompositter. Takket være sin høje styrke, hårdhed, kemiske inaktivitet og temperaturbestandighed fungerer siliciumkarbid som et fremragende forstærkningsmateriale i mange forskellige anvendelser; anvendelser inden for keramisk forstærkning drager ofte stor fordel heraf, da deres oxidationsbestandighed, slidstyrke og termiske stabilitet øges som følge af brugen af dette forstærkningsmateriale.

Siliciumkarbid-whiskers er en ideel metode til at øge styrken i polymerbaserede kompositter med høj stivhed og høj trækmodul, især dem med øget stivhed eller et forbedret forhold mellem stivhed og trækmodul. Desuden øger de disse kompositters trækforlængelse ved brud og brudsejhed, samtidig med at de bidrager til at reducere friktionskoefficienterne, hvilket gør dem til et uvurderligt forstærkningsmateriale i højhastighedsanvendelser, såsom komponenter til luftfart eller bilindustrien.

Siliciumkarbid-whiskers er lange, tynde fibre med diametre fra nanometer til mikrometer, der er kendetegnet ved en monokrystalstruktur med få kemiske urenheder og ingen korngrænser, et højt smeltepunkt, lav densitet samt fremragende modstandsdygtighed over for korrosion og udmattelse. Det kan forstærkes med andre materialer for at forbedre ydeevnen; dets fremragende mekaniske egenskaber gør det til et udmærket forstærknings- og hærdningsmiddel til avanceret strukturkeramik, såsom skæreværktøjer af aluminiumoxidkeramik.

Tilsætning af SiC-whiskers til aluminiumoxid øger dets træk- og bøjningsstyrke, uden at det har nogen væsentlig indvirkning på krybeegenskaberne ved høje temperaturer. Desuden øgede tilsætningen af disse whiskers bøjningsstyrken ved stuetemperatur til det tredobbelte i forhold til før tilsætningen.

Ifølge Shi et al. giver SiC-whiskers betydelige mekaniske fordele til kompositter med aluminiumoxidmatrix. Indblandingen af whiskers øgede både trækstyrken og bøjningsstyrken med henholdsvis 37,6% og 37,9%.

Det er imidlertid afgørende at vælge et passende antal whiskers til hver enkelt anvendelse, da for mange whiskers vil mindske kompositmaterialets træk- og bøjningsstyrke og potentielt føre til spændingskoncentrationer, der kan medføre revnedannelse.

Siliciumkarbid (SiC) er en fast kemisk forbindelse bestående af silicium og kulstof, der forekommer naturligt som ædelstenen moissanit; men storstilet produktion i form af pulver og krystaller til industrielle formål skaber også store mængder SiC til slibemidler, skæreværktøjer, keramiske plader til skudsikre veste samt meget hård keramik, der anvendes i bilbremser og koblinger. SiC’s hårde, grå-sorte materiale med høje smelte- og kogepunkter har mange anvendelser, herunder keramiske plader til skudsikre veste, slibemidler og skæreværktøjer, samt som keramiske plader til skudsikre veste fremstillet af SiC. Sintringsteknikker skaber meget hård keramik, der i vid udstrækning anvendes i bilbremser og koblinger fremstillet af SiC, der bindes sammen til en keramisk helhed, som i vid udstrækning anvendes i bilbremser og koblingssystemer.

Letvægt

Keramisk matrix fyldt med siliciumkarbid-hår er let og har en fremragende trækstyrke, hvilket gør den velegnet til anvendelser, der kræver høje hastigheder, såsom fremstilling af plader til skudsikre veste. Den kan anvendes i aluminiumoxidkeramik for at forhindre revnedannelse under bearbejdning, mens den i glas kan bruges til at forbedre den termiske stabilitet eller endda tilsættes til kompositmaterialer bestående af metal og keramik for at øge temperaturstabiliteten.

For at opnå disse egenskaber er det afgørende, at whiskers forarbejdes og håndteres korrekt, herunder at man undgår forurening og håndterer dem omhyggeligt. Det bør ideelt set opbevares i en lufttæt beholder for at mindske udsættelsen for luft; ellers vil luften få det til at klumpe sammen, hvilket vil have en negativ indvirkning på dets spredningsevne og anvendelseseffekt. Det anbefales også at holde dem væk fra sollys for at sikre optimale opbevaringsforhold.

Syntesen af siliciumkarbid-whiskers kræver flere trin og indebærer en omhyggelig udvælgelse af både en offermal og reaktionsbetingelser. Variationer i temperatur og varighed under karbotermiske reduktionsprocesser kan ændre deres morfologi og struktur eller tilpasses med henblik på et resultat med et bestemt aspektforhold.

Mesoporøst siliciumdioxid kan også anvendes som skabelon til dannelse af siliciumkarbid-whiskers gennem karbotermisk reduktion ved højere temperaturer (1300 °C) i længere tid. Dette resulterer i mere ensartede morfologier og aspektforhold.

Den patenterede teknologi giver en metode til fremstilling af siliciumkarbid-whiskers med kontrolleret aspektforhold og granulatindhold, hvilket resulterer i whiskers med en gennemsnitlig diameter på 0,2 til 1,0 mm, et aspektforhold mellem 20 og 200 og et granulatindhold på under 7%. Desuden indeholder disse whiskers lave procentdele af andre tungmetaller, såsom nikkel (50 ppm). Denne proces udgør et økonomisk, sikkert og miljøvenligt alternativ til traditionelle keramiske materialer.