Fiber av kiselkarbid

Kiselnitridfiber är ett flexibelt, starkt, oxidationsbeständigt keramiskt material med låg densitet som används i miljöer med höga temperaturer för att förstärka kompositmaterial.

Tack vare sina enastående prestanda under extrema temperaturförhållanden har kolnanorör rönt stor uppmärksamhet inom både flyg- och rymdindustrin samt inom den militära vapen- och utrustningsindustrin. Dessutom kan dessa material även användas för att förstärka kompositer med keramisk matris.

Strukturella tillämpningar vid höga temperaturer

Kiseldioxidfibrer är ett attraktivt materialval för strukturella tillämpningar vid höga temperaturer tack vare sin kombination av hög specifik hållfasthet, låg värmeutvidgning och utmärkt slitstyrka. Kiseldioxid kan användas för att förstärka kompositer med metallmatris, vilket ger överlägsen termisk stabilitet och elektrisk ledningsförmåga.

Kiseldioxidfibrer har dessutom utmärkt oxidationsbeständighet och är lätta att tillverka, vilket gör dem till ett utmärkt alternativ till borfibrer för många tillämpningar. Dessutom är kiseldioxidfibrer ett idealiskt val för mekaniska tillämpningar med höga hastigheter, såsom konstruktioner inom rymdindustrin eller för obemannade flygfarkoster (UAV).

I denna studie har vi utvecklat en ny process för framställning av icke-oxidativa kiselkarbidfibrer som är lämpliga för högtemperaturtillämpningar genom pyrolys av en polykarbosilan-prekursor. De framställda fibrerna utvärderades med hjälp av svepelektronmikroskopi och röntgendiffraktionsanalys; oregelbundet formade SiC-pulverpartiklar användes som utgångsmaterial för att tillverka vävda kiselkarbidfiberförstärkta kompositer med keramisk matris med hjälp av bindemedelssprutningsteknik; deras förtätningsbeteende och mikrostruktur bedömdes genom sex polymerinfiltrations-/pyrolyscykler.

Flyg- och försvarsindustrin

Kiselkarbidfibrer har länge använts av yrkesverksamma inom flyg- och rymdindustrin tack vare sin enastående värmebeständighet och andra egenskaper, vilket gör dem till populära komponenter i flygmotorer och värmehanteringssystem. Kiselkarbid förstärker kompositer med keramisk matris (CMC) som används i dessa motorer eller system – de har en densitet som är en tredjedel så stor som hos komponenter av nickellegeringar, samtidigt som de minskar flygplanets totala vikt genom att sänka den totala densiteten.

MEMS (mikro-)mekaniska enheter kombinerar mekaniska ställdon eller sensorer med integrerade elektroniska kretsar för ökad funktionalitet, bland annat trycksensorer, accelerometrar, termoelement och piezoelektriska generatorer. Kiselkarbidfibrer kan också vävas samman till mikrostrukturerade MEMS för överlägsen mekanisk och kemisk prestanda även vid extrema temperaturer.

De nordamerikanska marknaderna förväntas leda den globala marknaden för kiselkarbidfibrer när det gäller tillväxt, till följd av den ökande tillverkningen av flyg- och rymdutrustning samt militär utrustning i regionen. Ökade försvarsutgifter och NASA-anslag förväntas också öka efterfrågan på kiselkarbidfibrer. Dessutom kan användningen av dessa fibrer i drivsystem för elfordon öka körsträckan samtidigt som batteriets energiförluster och komponenternas storlek minskas, vilket förbättrar systemets effektivitet.

Energi och kraft

Kiselkarbidfibrer är väl lämpade för tillämpningar med hög effektförbrukning, eftersom de erbjuder hög ledningsförmåga och hållfasthet i kombination med låg värmeutvidgning. Denna kombination gör dem till det idealiska materialet för elektriska högspänningskomponenter samt för tillämpningar inom kraftöverföring och kraftdistribution.

Och tack vare deras förmåga att motstå oxidation är de idealiska för tillverkning av kompositer med keramisk matris – som i stor utsträckning används för att tillverka bränsleklädsel till kärnreaktorer som tål extrema temperaturer – vilket innebär att efterfrågan på dessa fibrer sannolikt kommer att öka avsevärt med tiden.

Flyg- och rymdindustrin förväntas driva på tillväxten på marknaden för kiselkarbidfiber till följd av ökande försvarsutgifter och växande leveranser av kommersiella flygplan i USA. Dessutom kan ökade anslag till NASA och försvarsutgifterna öka efterfrågan på produkter av titan-, aluminium- och keramikkomposit i USA, tack vare deras förmåga att fungera i miljöer med höga temperaturer.

Industriell

Kiselkarbidfiber används i stor utsträckning för tillverkning av kompositer med keramisk matris och som ett alternativ till nickelbaserade superlegeringar vid tillverkning av komponenter för flyg- och rymdindustrin. Dessutom har kiselkarbidfiber blivit ett alltmer populärt val inom kraftproduktionsindustrin för keramiska höljen och kärnstrukturer i kärnreaktorer tack vare dess strålningsbeständiga egenskaper.

Tack vare sin högtemperaturstabilitet och kemiska tröghet är aluminiumoxid ett utmärkt material för att förstärka högtemperaturkompositer, eftersom det behåller sin hållfasthet även vid höga temperaturer. Dessutom ger dess draghållfasthet mekanisk prestanda utan att öka vikten – en ovärderlig egenskap för viktkänsliga tillämpningar som fordons- och flygindustrin.

Vävda kiselkarbidfibrer används i stor utsträckning inom metallbearbetningsindustrin som isoleringsmaterial och förstärkning av eldfasta material såsom kiseldioxid, aluminiumoxid och aluminiumnitrid. Dessutom gör deras låga syrehalt dem lämpliga för användning i gasturbiner, eftersom de tål högre temperaturer.