Karbid kremíka Whiskers

Vištičky karbidu kremíka sa bežne používajú na spevnenie a húževnatosť kovových, keramických a polymérnych kompozitov, čím sa zvyšuje lomová húževnatosť, pevnosť v ohybe, odolnosť voči oxidácii a lomová húževnatosť ich kompozitov.

Disperzie SiCw sa hodnotili pomocou prístroja Malvern Nano ZS90 na analýzu ich povrchového Zeta potenciálu podľa princípov Sternovej štruktúry dvojitej elektrickej vrstvy (Greenwood 2003). Podľa tohto princípu vyššie hodnoty naznačujú väčšiu disperznú účinnosť.

Sila

Whiskery karbidu kremíka môžu byť účinným nástrojom na spevnenie kompozitných materiálov na báze polymérov. Tieto vláknité častice majú mnoho priemyselných využití a majú dve kryštálové formy - a-SiC (hexagonálna a kosoštvorcová štruktúra) a b-SiC (čelne centrovaná kubická štruktúra). Dosiahnuteľnosť whiskerov A-SiC je jednoduchá, ale obmedzená kvôli krehkosti; v porovnaní s touto formou si whiskery b-SiC vyžadujú zložitý chemický proces, ako aj drahšie zariadenie na syntézu, pričom sa môžu pochváliť vyššou lomovou húževnatosťou v porovnaní so svojimi náprotivkami.

Výskumníci pracujúci na vývoji vysoko výkonných kompozitov na báze polymérov sa zamerali na plnivá, ktoré zvyšujú odolnosť polymérov proti oderu v rámci širšieho úsilia o zvýšenie mechanických vlastností pri súčasnom znížení nákladov; polymérne materiály majú zvyčajne nižšiu pevnosť v ťahu a ráze v porovnaní s kovovými alebo keramickými náprotivkami, ale ich výroba je oveľa lacnejšia.

Plnivá používané na modifikáciu PA6 preukázali obmedzenú odolnosť voči oderu. Nylonové kompozity obsahujúce sklenené vlákna vykazovali horšie výsledky, zatiaľ čo kompozity obsahujúce anorganické žiaruvzdorné materiály, ako napríklad disulfid molybdénu, mali slabšiu pevnosť v ťahu ako ostatné.

V tejto štúdii sa použili kompozity na báze PA6 obsahujúce rôzne koncentrácie whiskerov b-SiC. Ich prídavok výrazne zlepšil pevnosť v ohybe, prácu pri lome a medzivrstvovú pevnosť v šmyku; ich prídavok tiež prispel k zvýšeniu húževnatosti v dôsledku premosťovania whiskerov; tento proces prenáša napätie z mäkkých polymérov, ako je PA6, na tvrdšie whiskery SiC, ktoré potom prenášajú napätie od nich a namiesto toho k nim.

Na skúmanie morfológie a mikroštruktúry b-SiC metličiek sa použila elektrónová mikroskopia. V porovnaní so svojimi náprotivkami z a-SiC sa b-SiC whiskery vyznačovali oblasťami s nízkou hustotou defektov, ako aj oblasťami s nízkou plošnou hustotou defektov; okrem toho vykazovali väčšiu veľkosť kryštálových zŕn v porovnaní so svojimi náprotivkami z a-SiC.

Whiskery z b-SiC boli úspešne dispergované do kompozitov na báze PA6 s použitím vhodnej hodnoty pH, čím sa výrazne zvýšila pevnosť v ohybe, pevnosť v ťahu, lomová práca, húževnatosť a húževnatosť týchto kompozitov. Procesy premosťovania a vyťahovania zohrávali významnú úlohu pri zlepšovaní húževnatosti pri súčasnom zvyšovaní pevnosti v ohybe, pretože si vyžadovali väčšiu energiu na porušenie ako metódy bez premosťovania.

Húževnatosť

Whiskery karbidu kremíka sa môžu použiť na spevnenie a húževnatosť keramiky, kovov a polymérnych kompozitov. Ich vlastnosti siahajú od vysokej pevnosti, tvrdosti, húževnatosti až po vynikajúcu chemickú inertnosť a odolnosť voči korózii - ako aj nízku elektrickú vodivosť - čo ich predurčuje na použitie v celom rade keramických, kovových a polymérnych materiálov. Určite nájdete takú veľkosť, ktorá dokonale vyhovuje vašim špecifickým potrebám!

Tieto materiály sú obzvlášť vhodné pre aplikácie, ktoré si vyžadujú rýchly výkon, ako je napríklad letecká technika a rezné nástroje. Vďaka svojej odolnosti sú vhodné na brúsenie, leštenie alebo strojové rezanie a dokonca sa dajú kombinovať s inými materiálmi na zvýšenie výkonu - napríklad v spojení s karbonitridom titánu (TiCxNy) na zvýšenie tvrdosti a chemickej inertnosti keramických kompozitov.

Ako také sa dajú využiť v leteckom a kozmickom inžinierstve na navrhovanie ľahších a úspornejších lietadiel, pevnejších kompozitných materiálov, ktoré odolávajú vyšším úrovniam namáhania, ako aj rezných nástrojov s požadovanou úrovňou presnosti, ako sú vŕtačky alebo brúsky.

Keramické kompozity vystužené hrubými metličkami karbidu kremíka preukázali zlepšenú húževnatosť počas skúšky v ťahu. Zapletenie metličiek výrazne zvýšilo spotrebu energie pri poruche - ukazovateľ húževnatosti. Okrem toho začlenenie whiskerov zlepšilo ich c-moment diskontinuity - základnú charakteristiku keramiky.

Hrubé metličky karbidu kremíka môžu byť účinným doplnkom kompozitov s keramickou matricou, ale ich morfológia môže negatívne ovplyvniť ich húževnatosť. Preto si ich začlenenie vyžaduje proces, ktorý znižuje ich veľkosť, ako aj obsah voľného oxidu kremičitého, aby sa úspešne začlenili do keramických matríc.

Jedným zo spôsobov dosiahnutia tohto cieľa je nízkoenergetické guľôčkové mletie. Táto technika znižuje veľkosť whiskerov a zároveň zvyšuje povrch. Okrem toho je možné pri výrobe kompozitného materiálu zahrnúť vyššie objemové percento whiskerov pre lepšiu lomovú húževnatosť ako pri výrobe bez hrubých whiskerov.

Trvanlivosť

Karbid kremíka je mimoriadne odolný materiál používaný na spevňovanie keramiky, kovov a polymérnych kompozitov. Vďaka svojej vysokej pevnosti, tvrdosti, chemickej inertnosti a odolnosti voči teplotám slúži karbid kremíka ako vynikajúci výstužný materiál v mnohých rôznych aplikáciách; aplikácie na spevňovanie keramiky majú často veľký úžitok, pretože v dôsledku použitia tohto výstužného materiálu sa zvyšuje ich odolnosť voči oxidácii, odolnosť voči opotrebovaniu a tepelná stabilita.

Vištičky karbidu kremíka sú ideálnym spôsobom na zvýšenie pevnosti kompozitov na báze polymérov s vysokou tuhosťou a modulom pružnosti v ťahu, najmä tých, ktoré sa vyznačujú zvýšenou tuhosťou alebo pomerom tuhosti a modulu pružnosti v ťahu. Okrem toho zvyšujú hodnoty predĺženia v ťahu pri pretrhnutí a lomovej húževnatosti týchto kompozitov a zároveň pomáhajú znižovať koeficienty trenia; vďaka tomu sú neoceniteľným výstužným materiálom vo vysokorýchlostných aplikáciách, ako sú napríklad letecké alebo automobilové komponenty.

Vlákna karbidu kremíka sú dlhé, tenké vlákna s priemerom od nanometrov po mikrometre, ktoré sa vyznačujú monokryštalickou štruktúrou s malým množstvom chemických prímesí a bez hraníc zŕn, vysokou teplotou topenia, nízkou hustotou a vynikajúcou odolnosťou proti korózii a únave. Na zvýšenie výkonnosti sa môže použiť zosilnenie inými materiálmi; vďaka svojim vynikajúcim mechanickým vlastnostiam je výborným zosilňujúcim a spevňujúcim činidlom pre pokročilú konštrukčnú keramiku, ako sú napríklad rezné nástroje z keramiky oxidu hlinitého.

Pridanie SiC whiskerov do oxidu hlinitého zvyšuje jeho pevnosť v ťahu a v ohybe, pričom nemá výrazný vplyv na vysokoteplotné tečenie. Okrem toho pridanie týchto whiskerov zvýšilo pevnosť v ohybe pri izbovej teplote trojnásobne v porovnaní s pevnosťou pred ich pridaním.

Podľa Shi et al. pridávajú whiskery SiC kompozitom s matricou oxidu hlinitého významné mechanické výhody. Inkorporácia whiskerov zvýšila ich pevnosť v ťahu o 37,6% a pevnosť v ohybe o 37,9%.

Pre každú aplikáciu je však nevyhnutné zvoliť primeraný počet whiskerov, pretože príliš veľa whiskerov znižuje pevnosť kompozitného materiálu v ťahu a ohybe a potenciálne vedie ku koncentrácii napätia, ktorá vedie k šíreniu trhlín.

Karbid kremíka (SiC) je pevná chemická zlúčenina kremíka a uhlíka, ktorá sa v prírode vyskytuje ako drahokam moissanit; pri veľkovýrobe vo forme prášku a kryštálov na priemyselné účely sa však vytvára aj veľké množstvo SiC na výrobu brúsnych materiálov, rezných nástrojov, keramických dosiek na nepriestrelné vesty, ako aj veľmi tvrdej keramiky používanej v automobilových brzdách a spojkách. Tvrdý, sivočierny materiál SiC s vysokým bodom topenia a varu má mnoho využití vrátane keramických dosiek na nepriestrelné vesty ako brusiva; rezných nástrojov, ako aj použitia ako keramické dosky na nepriestrelné vesty vyrobené zo SiC. Spekaním sa vytvára veľmi tvrdá keramika, ktorá sa vo veľkej miere používa v automobilových brzdách a spojkách vyrobených zo SiC spojených lepením, aby sa vytvorila keramika, ktorá sa vo veľkej miere používa v automobilových brzdových a spojkových systémoch.

Ľahké

Keramická matrica plnená metličkami karbidu kremíka je ľahká a má vynikajúcu pevnosť v ťahu, vďaka čomu je vhodná na aplikácie vyžadujúce vysoké rýchlosti, ako je výroba dosiek nepriestrelných viest. Hliníková keramika ju môže využívať na zabránenie vzniku trhlín počas obrábania, zatiaľ čo sklo ju môže využívať na posilnenie tepelnej stability alebo sa dokonca môže pridávať do kompozitných kovovo-keramických zlúčenín na zvýšenie teplotnej stability.

Na dosiahnutie týchto vlastností je nevyhnutné, aby sa whiskery vhodne spracovávali a zaobchádzalo sa s nimi, vrátane zabránenia kontaminácii a opatrného zaobchádzania. V ideálnom prípade by sa mali skladovať vo vzduchotesnej nádobe, aby sa znížilo vystavenie vzduchu; inak vzduch spôsobí ich aglomeráciu, čo bude mať nepriaznivý vplyv na ich disperzné vlastnosti a účinok pri použití. Na dosiahnutie optimálnych podmienok skladovania sa tiež odporúča uchovávať ho mimo dosahu slnečného svetla.

Syntéza metličiek karbidu kremíka si vyžaduje viacero krokov a zahŕňa starostlivý výber obetovanej šablóny a reakčných podmienok. Rôzne teploty a trvanie počas karbotermických redukčných procesov môžu zmeniť ich morfológiu a štruktúru alebo sa môžu prispôsobiť na dosiahnutie výsledku špecifického pre pomer strán.

Mezopórovitý oxid kremičitý možno použiť aj ako šablónu na tvorbu karbidových metličiek kremíka prostredníctvom karbotermickej redukcie pri vyšších teplotách (1300 stupňov C) počas dlhšieho obdobia. Výsledkom je rovnomernejšia morfológia a pomer strán.

Patentovaná technológia poskytuje spôsob výroby metličiek karbidu kremíka s kontrolovaným pomerom strán a obsahom granúl, pričom sa vyrábajú metličky s priemerným priemerom 0,2 až 1,0 mm, pomerom strán 20 až 200 a obsahom granúl pod 7%. Okrem toho tieto whiskery obsahujú nízke percento iných ťažkých kovov, ako je nikel (50 ppm). Tento proces ponúka ekonomickú, bezpečnú a ekologickú alternatívu k tradičným keramickým materiálom.