Siliziumkarbid-Faser

Siliziumkarbidfasern sind ein flexibles, starkes, oxidationsbeständiges und keramisches Material mit geringer Dichte, das in Hochtemperaturumgebungen zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen verwendet wird.

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Leistung unter extremen Temperaturbedingungen haben Kohlenstoffnanoröhren sowohl in der Luft- und Raumfahrt als auch in der militärischen Waffen- und Ausrüstungsindustrie große Aufmerksamkeit erregt. Außerdem können diese Materialien auch zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix verwendet werden.

Hochtemperatur-Strukturanwendungen

Siliziumkarbidfasern sind aufgrund ihrer Kombination aus hoher spezifischer Festigkeit, geringer Wärmeausdehnung und hervorragender Verschleißfestigkeit eine attraktive Materialwahl für strukturelle Anwendungen im Hochtemperaturbereich. Siliziumkarbid kann zur Verstärkung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit hervorragender thermischer Stabilität und elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden.

Siliziumkarbidfasern zeichnen sich außerdem durch eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit und eine einfache Herstellung aus, was sie für viele Anwendungen zu einer hervorragenden Alternative zu Borfasern macht. Darüber hinaus sind Siliziumkarbidfasern ein idealer Kandidat für mechanische Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Strukturen in der Luft- und Raumfahrt oder in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs).

In dieser Studie haben wir ein neues Verfahren zur Herstellung von nicht-oxidativen Siliziumkarbidfasern entwickelt, die für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, und zwar durch die Pyrolyse von Polycarbosilan-Precursor. Die hergestellten Fasern wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugungsanalyse bewertet. Unregelmäßig geformte SiC-Pulverpartikel dienten als Ausgangsmaterial für die Herstellung von gewebten, mit Siliziumkarbidfasern verstärkten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen mittels Binder-Jetting-Technologie; ihr Verdichtungsverhalten und ihre Mikrostruktur wurden durch sechs Polymerinfiltrations-/Pyrolysezyklen bewertet.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Siliziumkarbidfasern werden seit langem von Fachleuten der Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund ihrer außergewöhnlichen thermischen Beständigkeit und anderer Eigenschaften verwendet, was sie zu beliebten Komponenten in Flugzeugtriebwerken und Wärmemanagementsystemen macht. Siliziumkarbid verstärkt Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) für den Einsatz in diesen Triebwerken oder Systemen - mit einem Drittel der Dichte von Komponenten aus Nickel-Metall-Legierungen, während gleichzeitig das Gesamtgewicht des Flugzeugs durch eine geringere Gesamtdichte verringert wird.

MEMS (mikro-)mechanische Geräte kombinieren mechanische Aktoren oder Sensoren mit integrierten elektronischen Schaltkreisen für eine größere Funktionalität, einschließlich Drucksensoren, Beschleunigungsmessern, Thermoelementen und piezoelektrischen Generatoren. Siliziumkarbidfasern können auch zu mikrostrukturierten MEMS verwoben werden, die selbst bei extremen Temperaturen hervorragende mechanische und chemische Eigenschaften aufweisen.

Prognosen zufolge werden die nordamerikanischen Märkte den globalen Markt für Siliziumkarbidfasern anführen, was auf die zunehmende Produktion von Luft- und Raumfahrt- sowie Militärausrüstung zurückzuführen ist. Steigende Verteidigungsausgaben und NASA-Finanzierung werden voraussichtlich auch die Nachfrage nach Siliziumkarbidfasern ankurbeln. Darüber hinaus kann ihre Verwendung in elektrischen Fahrzeugantrieben die Reichweite erhöhen und gleichzeitig den Energieverlust der Batterie und die Größe der Komponenten verringern, was die Systemeffizienz erhöht.

Energie und Leistung

Siliziumkarbidfasern eignen sich gut für leistungsintensive Anwendungen, da sie eine hohe Leitfähigkeit und Festigkeit bei geringer Wärmeausdehnung bieten. Diese Kombination macht sie zum idealen Material für elektrische Hochspannungskomponenten sowie für Anwendungen in der Energieübertragung und -verteilung.

Aufgrund ihrer Oxidationsbeständigkeit eignen sie sich ideal für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix, die in großem Umfang für die Herstellung von Brennstoffhüllen für Kernreaktoren verwendet werden, die extremen Temperaturen standhalten können.

Es wird erwartet, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie das Wachstum des Marktes für Siliziumkarbidfasern aufgrund steigender Verteidigungsausgaben und zunehmender kommerzieller Flugzeuglieferungen in den Vereinigten Staaten vorantreiben wird. Darüber hinaus können erhöhte NASA-Finanzierung und Verteidigungsausgaben die Nachfrage nach Titan, Aluminium und keramischen Verbundwerkstoffen in Amerika ankurbeln, da diese Werkstoffe unter hohen Temperaturen eingesetzt werden können.

Industriell

Siliziumkarbidfasern werden in großem Umfang für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix und als Alternative zu Superlegierungen auf Nickelbasis in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. Darüber hinaus werden Siliziumkarbidfasern aufgrund ihrer strahlungsresistenten Eigenschaften zunehmend in der Energieerzeugungsindustrie für Keramikverkleidungen und Kernstrukturen von Kernreaktoren eingesetzt.

Hohe Temperaturstabilität und chemische Inertheit machen Aluminiumoxid zu einem hervorragenden Material für die Verstärkung von Hochtemperatur-Verbundwerkstoffen, da es seine Festigkeit auch bei höheren Temperaturen beibehält. Außerdem sorgt seine Zugfestigkeit für mechanische Leistung ohne zusätzliches Gewicht - eine unschätzbare Eigenschaft für gewichtssensible Anwendungen wie die Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Gewebte Siliciumcarbidfasern werden in der metallverarbeitenden Industrie häufig als Isoliermaterial und zur Verstärkung von feuerfesten Materialien wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid verwendet. Außerdem eignen sie sich aufgrund ihres geringen Sauerstoffgehalts für Anwendungen in Gasturbinen, da sie höheren Temperaturen standhalten können.