Mustăți de carbură de siliciu

Mustățile de carbură de siliciu, particule monocristaline de dimensiuni de ordinul micronilor cu proprietăți fizice și chimice remarcabile, au stârnit un interes semnificativ în cercetare datorită aplicațiilor lor extinse în numeroase domenii, inclusiv materiale structurale la temperaturi ridicate și ceramică pentru scule.

Ceramica Mullite este un material refractar foarte stabil din punct de vedere chimic, cu proprietăți mecanice și fizice superioare, cum ar fi duritatea ridicată și rezistența la fluaj la temperatură, însă rezistența la rupere rămâne relativ scăzută. Mustățile de SiC îmbunătățesc semnificativ această proprietate.

Proprietăți fizice

Mustățile de carbură de siliciu sunt fibre monocristaline de dimensiuni de ordinul micronilor, cu o structură asemănătoare cu cea a diamantului, care au calități unice de rezistență ridicată, rigiditate, rezistență chimică și stabilitate la temperatură, ceea ce le face un excelent material de întărire pentru ceramică, metale și compozite polimerice.

Umpluturile minerale pot fi utilizate pentru a consolida ceramica, crescând în același timp ductilitatea și duritatea, rezistența la oxidare, rata de expansiune termică și rezistența la rupere. În plus, acestea pot fi adăugate la compozitele cu matrice polimerică pentru a reduce necesarul de materiale de umplutură, făcându-le în același timp mai rezistente la fisurare, la deformare și la deteriorarea prin oboseală.

Mustățile pot fi fabricate prin diferite tehnici, inclusiv reducerea carbotermică a siliciului, reacția chimică dintre halogenurile de siliciu și CCl4 sau CVD cu catalizatori metalici. Din nefericire, calitatea și dimensiunea lor este adesea limitată de aglomerare și anizotropie (Wright, 2006). Un proces mai avansat implică creșterea vapori-lichid-solid care permite plasarea mustăților în profunzimea porilor din substraturile poroase și oferă proprietăți dezirabile.

Mustățile au fost studiate și comparate cu fibrele de subproduse industriale în suspensie în aer pentru a stabili orice risc pentru lucrătorii care le manipulează, fără a se constata că mustățile de SiC prezintă riscuri respiratorii semnificative. Rezultatele cercetării au concluzionat că șuvițele de SiC nu prezintă niciun pericol major atunci când sunt manipulate.

Proprietăți chimice

Carbura de siliciu a fost sintetizată pentru prima dată în mod artificial de Edward Acheson în 1891 ca material abraziv cunoscut sub numele de carborundum (Encyclopedia Britannica, 2014). De atunci, a fost produsă în masă folosind nisip de cuarț și carbon încălzit la temperaturi ridicate pentru a forma loturi de carbură de siliciu pe scară largă, care își găsește utilizarea în mai multe domenii industriale datorită rezistenței sale excepționale, avantajului de greutate și stabilității la temperaturi ridicate, precum și datorită faptului că este foarte rezistentă la expunerea la radiații; garniturile ceramice și duzele de sablare utilizează carbură de silicon, în timp ce înlocuirea durabilă a substanțelor din azbest, printre altele.

Carbura de siliciu (SiC) este un compus semimetalic alcătuit din siliciu și carbon, cu un punct de topire de 2260 grade Celsius și o presiune scăzută a vaporilor care îl face insolubil în apă, dar solubil în alcool și eter; cu toate acestea, datorită expunerii la aer la temperatura camerei, se degradează rapid, ceea ce duce la o degradare rapidă în timp. SiC poate fi găsit ca abraziv în hârtia abrazivă, precum și în uneltele de acoperire, cum ar fi uneltele de sablare, precum și în discurile de rectificat sau alte echipamente de prelucrare.

Mustățile de SiC pot fi periculos de toxice pentru celule, distrugând membranele celulare și ducând la moartea celulelor. Studiile efectuate pe celule fibroblaste de șoarece au demonstrat citotoxicitatea acestora prin inducerea de mutații ale ADN-ului, creșterea conținutului total de ADN celular și ducerea la transformare malignă - aceste efecte fiind diminuate atunci când sunt acoperite cu agenți tensioactivi netoxici. Atunci când au fost testate împotriva celulelor epiteliale traheale ciliate umane, acestea s-au dovedit a fi mai toxice decât fibrele de subproduse industriale, cum ar fi azbestul și sulfura de nichel, fiind în același timp mai puțin dăunătoare decât talcul și dioxidul de titan.

Proprietăți mecanice

Mustățile de carbură de siliciu sunt un material de armare ideal pentru întărirea ceramicii, a metalelor și a compozitelor polimerice. Proprietățile lor includ rezistență ridicată, duritate, inerție chimică și rezistență la temperatură, precum și o rezistență îmbunătățită la oxidare a materialelor, cum ar fi materialele ceramice din oxi-carbură de siliciu, care au fost studiate pe scară largă ca unelte, componente pentru motoare și ceramică rezistentă la uzură - în funcție de chimia, structura și dimensiunea cristalelor sintetizate prin reducere carbotermică, CVD sau combustie de produse reziduale, cum ar fi coaja de orez.

Cu toate acestea, proprietățile mecanice ale acestora sunt cu mult inferioare celor ale siliciului cristalin monolit (c-Si). Pentru a îmbunătăți rezistența la tracțiune și la oboseală a acestor materiale, cercetătorii le-au modificat cu materiale organice sau cu fibre anorganice cunoscute sub numele de mustăți SiC pentru a îmbunătăți rezistența la compresiune și la tracțiune, precum și pentru a reduce concentrația de tensiuni în jurul acestora în timpul ruperii. Această modificare a crescut în mod semnificativ rezistența la compresiune, reducând în același timp concentrația de tensiuni în timpul ruperii.

Adăugarea de mustăți de SiC la o matrice vitroceramică îmbunătățește semnificativ rezistența și tenacitatea acesteia, menținând în același timp ușurința formării sticlei și îmbunătățind performanța tribologică. În plus, poate crește ductilitatea, precum și limita elastică Hugoniot cu câteva ordine de mărime; în plus, morfologia fracturii sale demonstrează acest lucru prin prezența multor gropițe și muchii de rupere, ceea ce indică comportamentul său ductil.

Proprietăți termice

Carbura de siliciu (SiC) este un compus chimic extrem de dur, format din siliciu și carbon, care se găsește în mod natural sub formă de piatră prețioasă moissanit, dar versiunile de serie au fost produse încă din 1893 sub formă de pulbere și cristale pentru a fi utilizate ca abraziv. Carbura de siliciu este utilizată, de asemenea, în aplicații care necesită o rezistență ridicată, cum ar fi discurile de frână ceramice pentru automobile și vestele antiglonț, precum și garniturile de etanșare a arborelui de pompă; punctul său de topire îi permite să reziste la temperaturi extreme fără a se fisura sau deforma în timp.

Proprietățile termice ale mustăților de SiC depind în mare măsură de microstructura, chimia de suprafață și dimensiunea acestora. Cu o presiune scăzută a vaporilor și o stabilitate de până la 1650 grade Celsius, aceste șuvițe pot fi utilizate ca întărituri în diverse materiale, cum ar fi metalele și polimerii, îmbunătățind rezistența, tenacitatea, inerția chimică și rezistența la oxidare, prelungind în același timp durata de viață.

Analiza microstructurii mustăților de SiC poate fi efectuată cu ajutorul microscopiei electronice de scanare și al difracției de raze X. Acestea constau în structuri policristaline alcătuite din poliprotipuri 3C beta-SiC și 6H-SiC; o examinare suplimentară a arătat că regiunile cristaline posedă densități de defecte plane mai mari decât regiunile amorfe, datorită microțesuturilor formate pe planurile 1 1 1 1 care exercită efecte semnificative atât asupra suprafețelor de rupere la tracțiune, cât și la încovoiere ale nanocompozitelor PI-SiCw.