Piikarbidiviikset

Piikarbidiviikset, yksikiteiset mikronin kokoiset hiukkaset, joilla on erinomaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, ovat herättäneet huomattavaa tutkimusintoa, koska niillä on laaja-alainen käyttö monilla aloilla, kuten korkean lämpötilan rakennemateriaaleissa ja työkalukeramiikassa.

Muliittikeraami on kemiallisesti erittäin stabiili tulenkestävä materiaali, jolla on erinomaiset mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet, kuten suuri kovuus ja lämpötilahirren kestävyys, mutta jonka murtumissitkeys on kuitenkin suhteellisen alhainen. SiC-viikset parantavat tätä ominaisuutta merkittävästi.

Fysikaaliset ominaisuudet

Piikarbidiviikset ovat mikronin kokoisia yksikidekuituja, jotka muistuttavat rakenteeltaan timanttia ja joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet, kuten suuri lujuus, jäykkyys, kemiallinen kestävyys ja lämpötilavakaus, mikä tekee niistä erinomaisen lujitemateriaalin keraamisille, metalleille ja polymeerikomposiiteille.

Mineraalisia täyteaineita voidaan käyttää keramiikan lujittamiseen ja samalla lisäämään sen sitkeyttä ja kovuutta, hapettumiskestävyyttä, lämpölaajenemisnopeutta ja murtumissitkeyttä. Lisäksi niitä voidaan lisätä polymeerimatriisikomposiitteihin täyteaineiden tarpeen vähentämiseksi ja samalla niiden kestävyyden parantamiseksi halkeilua, lommahtamista ja väsymisvaurioita vastaan.

Viiksiä voidaan valmistaa eri tekniikoilla, kuten piidioksidin karbotermisellä pelkistämisellä, piihalogenidien ja CCl4:n välisellä kemiallisella reaktiolla tai CVD:llä metallikatalyyttien avulla. Valitettavasti niiden laatua ja ulottuvuutta rajoittavat usein agglomeroituminen ja anisotropia (Wright, 2006). Kehittyneempi prosessi käsittää höyry-neste-kiinteä-kasvun, jonka avulla vispilät voidaan sijoittaa syvälle huokoisten substraattien huokosiin ja saada aikaan toivottuja ominaisuuksia.

SiC-viiksiä tutkittiin ja verrattiin ilman mukana kulkeutuviin teollisuuden sivutuotekuituihin, jotta voitiin selvittää niitä käsitteleville työntekijöille mahdollisesti aiheutuvat riskit, eikä SiC-viiksistä löytynyt merkittäviä hengitystievaaroja. Tutkimustulosten mukaan SiC-viikset eivät aiheuta merkittäviä vaaroja käsiteltäessä.

Kemialliset ominaisuudet

Piikarbidia syntetisoi ensimmäisen kerran keinotekoisesti Edward Acheson vuonna 1891 hioma-aineeksi, joka tunnetaan nimellä karborundi (Encyclopedia Britannica, 2014). Sittemmin sitä on tuotettu massatuotantona käyttäen kvartsihiekkaa ja hiiltä, joita on kuumennettu korkeissa lämpötiloissa muodostaen suuria eriä piikarbidia, jota käytetään useilla teollisuudenaloilla sen poikkeuksellisen lujuuden, painoedun ja vakauden vuoksi korkeissa lämpötiloissa sekä sen vuoksi, että se kestää hyvin säteilyaltistusta; keraamisissa tiivisteissä ja hiekkapuhallussuuttimissa käytetään piikarbidia, kun taas kestävyys korvaa muun muassa asbestiaineita.

Piikarbidi (SiC) on piistä ja hiilestä koostuva puolimetalliyhdiste, jonka sulamispiste on 2260 astetta C ja jonka alhainen höyrynpaine tekee siitä veteen liukenemattoman, mutta alkoholiin ja eetteriin liukenevan; huoneenlämpötilassa ilmalle altistuessaan se kuitenkin hajoaa nopeasti, mikä johtaa nopeaan hajoamiseen ajan myötä. SiC:tä käytetään hioma-aineena hiekkapaperissa sekä pinnoitustyökaluissa, kuten hiekkapuhallustyökaluissa, hiomalaikoissa ja muissa työstölaitteissa.

SiC-viikset voivat olla vaarallisen myrkyllisiä soluille, häiritä solukalvoja ja johtaa solukuolemaan. Hiiren fibroblastisoluilla tehdyt tutkimukset osoittivat, että ne ovat sytotoksisia, sillä ne aiheuttavat DNA-mutaatioita, lisäävät solujen DNA:n kokonaispitoisuutta ja johtavat pahanlaatuiseen transformaatioon - nämä vaikutukset vähenevät, kun ne päällystetään myrkyttömällä pinta-aktiivisella aineella. Kun niitä testattiin ihmisen ulokkeellisilla henkitorven epiteelisoluilla, ne osoittautuivat myrkyllisemmiksi kuin teollisuuden sivutuotteista peräisin olevat kuidut, kuten asbesti ja nikkelisulfidi, mutta vähemmän haitallisiksi kuin talkki ja titaanidioksidi.

Mekaaniset ominaisuudet

Piikarbidiviikset ovat ihanteellinen lujitemateriaali, joka soveltuu erinomaisesti keramiikan, metallien ja polymeerikomposiittien kovettamiseen. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat korkea lujuus, kovuus, kemiallinen inerttiys ja lämpötilankestävyys sekä materiaalien, kuten piioksikarbidikeraamisten materiaalien, hapettumiskestävyyden parantaminen. Näitä materiaaleja on tutkittu laajalti työkaluina, moottorin osina ja kulutusta kestävinä keraamisina materiaaleina - riippuen kemian, rakenteen ja koon mukaan kiteistä, jotka on syntetisoitu karbotermisen pelkistyksen, CVD:n tai jätetuotteiden, kuten riisin kuorien, polton avulla.

Niiden mekaaniset ominaisuudet ovat kuitenkin kaukana monoliittisen kiteisen piin (c-Si) ominaisuuksista. Parantaakseen näiden materiaalien veto- ja väsymislujuutta tutkijat ovat muokanneet niitä orgaanisilla materiaaleilla tai epäorgaanisilla kuiduilla, joita kutsutaan SiC-viiksiksi, parantaakseen puristus- ja vetolujuutta sekä vähentääkseen jännityskeskittymiä niiden ympärillä murtumisen aikana. Tämä modifiointi on lisännyt merkittävästi puristuslujuutta ja samalla vähentänyt jännityskeskittymiä murtumisen aikana.

SiC-viiksien lisääminen lasikeramiikkamatriisiin parantaa merkittävästi sen lujuutta ja sitkeyttä säilyttäen samalla lasin muodostumisen helppouden ja parantaen tribologista suorituskykyä. Lisäksi se voi lisätä sitkeyttä ja Hugoniot-elastisuusrajaa useilla kertaluokilla; lisäksi sen murtumismorfologia on osoitus tästä, sillä siinä on paljon kuoppia ja repeämiä, jotka viittaavat sen sitkeään käyttäytymiseen.

Lämpöominaisuudet

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova kemiallinen yhdiste, joka koostuu piistä ja hiilestä ja jota esiintyy luonnossa moissanite-jalokivenä, mutta massatuotettuja versioita on valmistettu vuodesta 1893 lähtien jauheena ja kiteinä hioma-aineeksi. Piikarbidia käytetään myös sovelluksissa, jotka vaativat suurta kestävyyttä, kuten autojen keraamisissa jarrulevyissä ja luodinkestävissä liiveissä sekä pumppuakselien tiivisteissä; sen sulamispisteen ansiosta se kestää äärimmäisiä lämpötiloja ilman, että se halkeilee tai epämuodostuu ajan myötä.

SiC-viiksien lämpöominaisuudet riippuvat suuresti niiden mikrorakenteesta, pintakemiasta ja koosta. Koska näiden piikiekkojen höyrynpaine on alhainen ja ne ovat stabiileja jopa 1650 °C:n lämpötilaan asti, niitä voidaan käyttää lujitteina erilaisissa materiaaleissa, kuten metalleissa ja polymeereissä, ja ne parantavat lujuutta, sitkeyttä, kemiallista inerttiyttä ja hapettumiskestävyyttä sekä pidentävät käyttöikää.

SiC-viiksien mikrorakenne voidaan analysoida pyyhkäisyelektronimikroskopialla ja röntgendiffraktiolla. Ne koostuvat monikiteisistä rakenteista, jotka koostuvat 3C-beeta-SiC- ja 6H-SiC-polytyypeistä; tarkempi tarkastelu on paljastanut, että kiteisillä alueilla on suurempi tasovirheiden tiheys kuin amorfisilla alueilla, mikä johtuu 1 1 1 -tasoihin muodostuneista mikrotwineistä, jotka vaikuttavat merkittävästi PI-SiCw-nanokomposiittien murtopintoihin sekä veto- että taivutusmurtumispinnoissa.