Karbid kremíka Whiskers

Whiskery karbidu kremíka, mikrometrové častice s výnimočnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, si získali značný výskumný záujem vďaka ich širokému využitiu v mnohých oblastiach vrátane vysokoteplotných konštrukčných materiálov a nástrojovej keramiky.

Mullitová keramika je vysoko chemicky stabilný žiaruvzdorný materiál s vynikajúcimi mechanickými a fyzikálnymi vlastnosťami, ako je vysoká tvrdosť a odolnosť voči teplotnému tečeniu, avšak jej lomová húževnatosť zostáva relatívne nízka. SiC whiskery túto vlastnosť výrazne zlepšujú.

Fyzikálne vlastnosti

Vlákna karbidu kremíka sú mikrónové monokryštalické vlákna, ktoré svojou štruktúrou pripomínajú diamant a majú jedinečné vlastnosti, ako je vysoká pevnosť, tuhosť, chemická odolnosť a teplotná stabilita, ktoré z nich robia vynikajúci výstužný materiál pre keramiku, kovy a polymérne kompozity.

Minerálne plnivá sa môžu použiť na spevnenie keramiky a zároveň zvyšujú jej ťažnosť a tvrdosť, odolnosť voči oxidácii, tepelnú rozťažnosť a lomovú húževnatosť. Okrem toho sa môžu pridávať do kompozitov s polymérnou matricou, aby sa znížili požiadavky na plnivá a zároveň sa zvýšila ich odolnosť voči praskaniu, zmáčaniu a únavovému poškodeniu.

Whiskery možno vyrábať rôznymi technikami vrátane karbotermickej redukcie oxidu kremičitého, chemickej reakcie medzi halogenidmi kremíka a CCl4 alebo CVD s kovovými katalyzátormi. Nanešťastie, ich kvalita a rozmery sú často obmedzené aglomeráciou a anizotropiou (Wright, 2006). Pokročilejší proces zahŕňa rast para-kvapalina-pevná látka, ktorý umožňuje umiestniť whiskery hlboko do pórov v poréznych substrátoch a poskytuje žiaduce vlastnosti.

Whiskery sa skúmali a porovnávali s vláknami vedľajších priemyselných produktov prenášaných vzduchom s cieľom zistiť akékoľvek riziká pre pracovníkov, ktorí s nimi manipulujú, pričom sa nezistilo žiadne významné respiračné riziko v prípade whiskerov SiC. Výsledky výskumu viedli k záveru, že SiC whiskery nepredstavujú pri manipulácii s nimi žiadne závažné nebezpečenstvo.

Chemické vlastnosti

Karbid kremíka prvýkrát umelo syntetizoval Edward Acheson v roku 1891 ako brúsny materiál známy ako karborundum (Encyclopedia Britannica, 2014). Odvtedy sa masovo vyrába s použitím kremenného piesku a uhlíka zahrievaného pri vysokých teplotách, aby sa vytvorili veľké dávky karbidu kremíka, ktorý nachádza využitie vo viacerých priemyselných oblastiach vďaka svojej výnimočnej pevnosti, hmotnostnej výhode a stabilite pri vysokých teplotách, ako aj vysokej odolnosti voči pôsobeniu žiarenia; keramické tesnenia a trysky na pieskovanie využívajú karbid kremíka, pričom trvanlivosť okrem iného nahrádza azbestové látky.

Karbid kremíka (SiC) je polokovová zlúčenina pozostávajúca z kremíka a uhlíka s teplotou topenia 2260 °C a nízkym tlakom pár, vďaka čomu je nerozpustný vo vode, ale rozpustný v alkohole a éteri; v dôsledku vystavenia vzduchu pri izbovej teplote však rýchlo degraduje, čo vedie k rýchlej degradácii v priebehu času. SiC možno nájsť ako abrazívum v brúsnom papieri, ako aj v nástrojoch na povrchovú úpravu, napríklad v nástrojoch na pieskovanie, ako aj v brúsnych kotúčoch alebo iných obrábacích zariadeniach.

Vlákna SiC môžu byť pre bunky nebezpečne toxické, narúšať bunkové membrány a viesť k ich smrti. Štúdie vykonané na bunkách myších fibroblastov preukázali ich cytotoxicitu tým, že vyvolali mutácie DNA, zvýšili celkový obsah bunkovej DNA a viedli k malígnej transformácii - tieto účinky sa znížili, keď boli potiahnuté netoxickou povrchovo aktívnou látkou. Pri testovaní na bunkách ľudského riasinkového epitelu priedušnice sa ukázalo, že sú toxickejšie ako vlákna vedľajších priemyselných produktov, ako je azbest a sulfid nikelnatý, pričom sú menej škodlivé ako mastenec a oxid titaničitý.

Mechanické vlastnosti

Whiskery karbidu kremíka sú ideálnym výstužným materiálom, ktorý je ideálny na spevňovanie keramiky, kovov a polymérnych kompozitov. Medzi ich vlastnosti patrí vysoká pevnosť, tvrdosť, chemická inertnosť a teplotná odolnosť, ako aj zvýšená odolnosť materiálov voči oxidácii, napríklad keramických materiálov z oxykarbidu kremíka, ktoré sa vo veľkej miere skúmajú ako nástroje, súčasti motorov a keramika odolná voči opotrebovaniu - v závislosti od chemizmu, štruktúry a veľkosti kryštálov syntetizovaných karbotermickou redukciou, CVD alebo spaľovaním odpadových produktov, napríklad ryžových šupiek.

Ich mechanické vlastnosti však zďaleka nedosahujú vlastnosti monolitického kryštalického kremíka (c-Si). Na zlepšenie pevnosti v ťahu a únavy týchto materiálov ich výskumníci modifikovali organickými materiálmi alebo anorganickými vláknami známymi ako SiC whiskers, aby sa zlepšila pevnosť v tlaku a ťahu, ako aj znížila koncentrácia napätia v ich okolí počas lomu. Táto modifikácia výrazne zvýšila pevnosť v tlaku a zároveň znížila koncentráciu napätia počas lomu.

Pridanie SiC whiskerov do sklokeramickej matrice výrazne zvyšuje jej pevnosť a húževnatosť pri zachovaní jednoduchej tvorby skla a zlepšuje tribologické vlastnosti. Okrem toho dokáže zvýšiť ťažnosť, ako aj Hugoniotovu medzu pružnosti o niekoľko rádov; morfológia lomu o tom navyše svedčí tým, že vykazuje množstvo jamiek a trhacích hrán, čo svedčí o jej ťažnosti.

Tepelné vlastnosti

Karbid kremíka (SiC) je extrémne tvrdá chemická zlúčenina pozostávajúca z kremíka a uhlíka, ktorá sa prirodzene vyskytuje ako drahokam moissanit, ale od roku 1893 sa sériovo vyrába vo forme prášku a kryštálov na použitie ako brúsivo. Karbid kremíka sa používa aj v aplikáciách vyžadujúcich vysokú odolnosť, ako sú keramické brzdové kotúče pre automobily a nepriestrelné vesty, ako aj tesnenia hriadeľov čerpadiel; jeho bod topenia mu umožňuje odolávať extrémnym teplotám bez toho, aby časom praskol alebo sa deformoval.

Tepelné vlastnosti SiC whiskerov závisia vo veľkej miere od ich mikroštruktúry, chemického zloženia povrchu a veľkosti. Vďaka nízkemu tlaku pár a stabilite až do 1650 °C sa tieto whiskery môžu používať ako výstuže v rôznych materiáloch, ako sú kovy a polyméry; zlepšujú pevnosť, húževnatosť, chemickú inertnosť a odolnosť voči oxidácii a zároveň predlžujú životnosť.

Analýzu mikroštruktúry SiC whiskerov možno vykonať pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie a röntgenovej difrakcie. Pozostávajú z polykryštalických štruktúr pozostávajúcich z polytypov 3C beta-SiC a 6H-SiC; ďalšie skúmanie odhalilo, že kryštalické oblasti majú vyššiu plošnú hustotu defektov ako amorfné oblasti v dôsledku mikrotkanín vytvorených na rovinách 1 1 1, ktoré majú významný vplyv na ťahové aj ohybové lomové plochy nanokompozitov PI-SiCw.