Whiskers av silisiumkarbid

Silisiumkarbid whiskers brukes ofte til å styrke og herde metall-, keramikk- og polymerkompositter, noe som gir økt bruddseighet, bøyestyrke, oksidasjonsbestandighet og bruddseighet i komposittene.

Dispersjoner av SiCw ble vurdert ved hjelp av en Malvern Nano ZS90 for å analysere Zeta-potensialet på overflaten, i henhold til Sterns prinsipper for dobbelt elektrisk lagstruktur (Greenwood 2003). I henhold til dette prinsippet indikerer høyere verdier større dispergeringseffektivitet.

Styrke

Silisiumkarbid whiskers kan være et effektivt verktøy for å styrke polymerbaserte komposittmaterialer. Disse fiberlignende partiklene har mange industrielle bruksområder og har to krystallformer - a-SiC (sekskantet og romboedrisk struktur) og b-SiC (flatesentrert kubisk struktur). Det er enkelt å fremstille A-SiC-knurrhår, men de er begrensede på grunn av sin sprøhet. Sammenlignet med denne formen krever b-SiC-knurrhår kompleks kjemi og en dyrere synteseprosess, samtidig som de har høyere bruddseighet enn sine motstykker.

Forskere som arbeider med å utvikle polymerbaserte kompositter med høy ytelse, har fokusert på fyllstoffer som forbedrer polymerenes slitestyrke, som en del av en større innsats for å øke den mekaniske ytelsen og samtidig redusere kostnadene. Polymermaterialer har vanligvis lavere strekk- og slagfasthet sammenlignet med metalliske eller keramiske motstykker, men er mye billigere å produsere.

Fyllstoffer som brukes til å modifisere PA6, har vist seg å ha begrenset slitestyrke. Nylonkompositter som inneholder glassfibre, viste dårligere resultater, mens de som inneholder uorganiske ildfaste materialer som molybdendisulfid, hadde svakere strekkfasthet enn andre.

I denne studien ble det benyttet PA6-baserte kompositter som inneholdt ulike konsentrasjoner av b-SiC whiskers. Tilsetningen bidro også til økt seighet på grunn av "whisker bridging", en prosess som overfører spenning fra myke polymerer som PA6 til hardere SiC-whiskere, som så overfører spenningen bort fra dem og mot dem i stedet.

Elektronmikroskopi ble brukt til å undersøke både morfologien og mikrostrukturen til b-SiC-whiskere. Sammenlignet med tilsvarende a-SiC-whiskere hadde b-SiC-whiskere regioner med lav defekttetthet og regioner med lav plan defekttetthet. b-SiC-whiskere hadde dessuten større krystallkornstørrelse sammenlignet med tilsvarende a-SiC.

Whiskers laget av b-SiC ble med hell dispergert i PA6-baserte kompositter ved hjelp av en passende pH-verdi, noe som økte bøyestyrken, strekkfastheten, bruddarbeidet, seigheten og seigheten til disse komposittene betydelig. Bridging- og pullout-prosesser spilte en viktig rolle i å forbedre seigheten og samtidig øke bøyestyrken, ettersom de krevde større energi for å bryte enn ikke-bridging-metoder.

Tøffhet

Silisiumkarbid whiskers kan brukes til å styrke og herde keramikk, metaller og polymerkompositter. Egenskapene spenner fra høy styrke, hardhet og seighet til utmerket kjemisk inertitet og korrosjonsbestandighet - i tillegg til lav elektrisk ledningsevne - noe som gjør dem perfekte til bruk i en rekke keramiske, metalliske og polymere materialer. Du finner helt sikkert en størrelse som passer perfekt til dine spesifikke behov!

Disse materialene egner seg spesielt godt til bruksområder som krever rask ytelse, for eksempel romfartsteknikk og skjæreverktøy. Holdbarheten gjør dem egnet for sliping, polering eller maskinskjæring, og de kan til og med kombineres med andre materialer for å øke ytelsen - for eksempel sammen med titankarbonitrid (TiCxNy) for å øke hardheten og den kjemiske inertiteten til keramiske kompositter.

De kan derfor brukes i romfartsteknikk for å konstruere lettere og mer drivstoffeffektive fly, sterkere komposittmaterialer som tåler større påkjenninger, samt skjæreverktøy med den nødvendige presisjonen, for eksempel bor eller slipemaskiner.

Keramiske kompositter forsterket med grove silisiumkarbid whiskers har vist seg å ha forbedret seighet under strekkprøving. Sammenfiltring av whiskers økte energiforbruket ved brudd betydelig - en indikator på seighet. I tillegg forbedret innlemmelsen av whiskers c-momentet for diskontinuitet - en viktig egenskap for keramikk.

Grove silisiumkarbid whiskers kan være et effektivt tilskudd til keramiske matrikskompositter, men morfologien kan ha en negativ innvirkning på seigheten. For å kunne inkorporere dem i keramiske matriser er det derfor nødvendig med en prosess som reduserer både størrelsen og innholdet av fritt silika.

En måte å oppnå dette målet på er ved hjelp av kulefresing med lav energi. Denne teknikken reduserer whiskerstørrelsen og øker samtidig overflatearealet. I tillegg kan man inkludere høyere volumprosent whiskers i komposittmaterialet for å oppnå bedre bruddseighet enn ved produksjon uten grove whiskers.

Holdbarhet

Silisiumkarbid er et ekstremt slitesterkt materiale som brukes til herding av keramikk, metaller og polymerkompositter. Takket være sin høye styrke, hardhet, kjemiske inertitet og temperaturbestandighet er silisiumkarbid et utmerket forsterkningsmateriale i mange ulike bruksområder; keramiske forsterkningsapplikasjoner har ofte stor nytte av dette forsterkningsmaterialet, ettersom oksidasjonsmotstanden, slitestyrken og den termiske stabiliteten øker som følge av bruken av dette materialet.

Silisiumkarbid whiskers er en ideell måte å forbedre styrken til polymerbaserte kompositter med høy stivhet og strekkmodul, spesielt de som har økt stivhet eller stivhet-strekkmodul-forhold. I tillegg øker de strekkforlengelsen og bruddstyrken til disse komposittene, samtidig som de bidrar til å redusere friksjonskoeffisientene, noe som gjør dem til et uvurderlig forsterkningsmateriale i høyhastighetsapplikasjoner som f.eks. romfart eller bilindustrien.

Silisiumkarbid whiskers er lange, tynne fibre med diameter fra nanometer til mikrometer som har en enkeltkrystallstruktur med få kjemiske urenheter og ingen korngrenser, høyt smeltepunkt, lav tetthet og utmerket motstand mot korrosjon og utmattelse. Det kan forsterkes med andre materialer for å forbedre ytelsen, og de utmerkede mekaniske egenskapene gjør det til et utmerket forsterknings- og herdemiddel for avansert strukturell keramikk, for eksempel keramiske skjæreverktøy i aluminiumoksid.

Tilsetning av SiC-knurhår til aluminiumoksid øker strekk- og bøyestyrken, uten at det har noen vesentlig innvirkning på krypeegenskapene ved høy temperatur. I tillegg økte bøyestyrken ved romtemperatur med tre ganger sammenlignet med før tilsetningen.

Ifølge Shi et al. gir SiC-whiskere betydelige mekaniske fordeler til aluminiumoksidkompositter. Inkorporering av whiskere økte både strekkfastheten og bøyestyrken med henholdsvis 37,6% og 37,9%.

Det er imidlertid avgjørende å velge et tilstrekkelig antall whiskers for hver enkelt anvendelse, siden for mange whiskers vil redusere komposittmaterialets strekk- og bøyestyrke og potensielt føre til spenningskonsentrasjoner som kan føre til sprekkdannelse.

Silisiumkarbid (SiC) er en fast kjemisk forbindelse av silisium og karbon som forekommer naturlig som edelstenen moissanitt, men storskalaproduksjon som pulver og krystall til industriell bruk skaper også store mengder SiC til slipemidler, skjæreverktøy, skuddsikre vestkeramiske plater samt svært hard keramikk som brukes i bilbremser og -koblinger. SiC er et hardt, gråsvart materiale med høyt smelte- og kokepunkt som har mange bruksområder, blant annet som slipemiddel i skuddsikre vestkeramikkplater, skjæreverktøy og som skuddsikre vestkeramikkplater laget av SiC. Sintringsteknikker skaper svært hard keramikk som brukes mye i bilbremser og clutcher laget av SiC, og som bindes sammen ved hjelp av liming for å danne keramikk som brukes mye i bilbremser og clutchsystemer.

Lettvekt

Keramisk matrise fylt med silisiumkarbid whiskers er lett og har overlegen strekkfasthet, noe som gjør den egnet for bruksområder som krever høye hastigheter, for eksempel produksjon av skuddsikre vestplater. Alumina-keramikk kan bruke det for å forhindre sprekkdannelse under maskinering, mens glass kan bruke det for å styrke den termiske stabiliteten eller til og med tilsettes i komposittforbindelser mellom metall og keramikk for å øke temperaturstabiliteten.

For å oppnå disse egenskapene er det avgjørende at whiskers behandles og håndteres på riktig måte, blant annet ved å unngå forurensning og håndtere dem forsiktig. De bør helst oppbevares i en lufttett beholder for å redusere lufteksponeringen, ellers vil luft føre til at de agglomererer, noe som vil ha en negativ innvirkning på dispersjonsytelsen og brukseffekten. Det anbefales også å holde det unna sollys for å oppnå optimale lagringsforhold.

Syntese av silisiumkarbid whiskers krever flere trinn og innebærer nøye valg av både offermal og reaksjonsbetingelser. Varierende temperatur og varighet under karbotermiske reduksjonsprosesser kan endre morfologi og struktur, eller skreddersys for å oppnå et aspektforholdsspesifikt resultat.

Mesoporøs silika kan også brukes som mal for å danne silisiumkarbid whiskers gjennom karbotermisk reduksjon ved høyere temperaturer (1300 grader C) i lengre tid. Dette resulterer i mer ensartede morfologier og størrelsesforhold.

Den patenterte teknologien gir en metode for å produsere whiskers av silisiumkarbid med kontrollert størrelsesforhold og granulatinnhold, som produserer whiskers med en gjennomsnittlig diameter på 0,2 til 1,0 mm, et størrelsesforhold på mellom 20-200 og et granulatinnhold på under 7%. I tillegg inneholder disse whiskersene lave andeler av andre tungmetaller, for eksempel nikkel (50 ppm). Denne prosessen er et økonomisk, trygt og miljøvennlig alternativ til tradisjonelle keramiske materialer.