Kiselkarbid är en kovalent förening med stark Si-C-bindning och en diamantliknande -struktur, som finns i flera polytyper. Dess starka kovalenta bindning ger SiC en stabil kristallstruktur, kemisk stabilitet, extremt hög hårdhet, korrosionsbeständighet och termokemisk stabilitet.
Förstärkningen av kompositer med kiselkarbid kan klassificeras i tre typer beroende på armeringens fysiska natur: kiselkarbidpartiklar (SiCₚ), kiselkarbidhårhår (SiCw) och kiselkarbidfibrer (SiCf). Bland dessa är morrhår av kiselkarbid mycket anisotropa korta-fiberkristallina material på nano- till mikrometerskala, med en enkel-kristallstruktur, ett visst bildförhållande (5–1000 μm) och tvärsnittsarea (-<0.052 mm²). Their structural characteristics determine their outstanding properties, such as high strength (>21 GPa), high elastic modulus (>490 GPa), high melting point (>2900 grader), slitstyrka och korrosionsbeständighet. De innehåller mycket få inre defekter, med högt ordnade atomer, och deras styrka och modul närmar sig de teoretiska värdena för perfekta kristaller, vilket ger dem titeln "kungen av morrhår". Dessa utmärkta egenskaper gör morrhår av kiselkarbid till idealiska förstärkningar för metall-matris, keramisk-matris och polymer-matriskompositer, och de används nu flitigt inom maskiner, elektronik, kemikalier, energi, flyg, miljöskydd och många andra områden.
Framställningsmetoder för morrhår av kiselkarbid
För närvarande inkluderar beredningsmetoderna för kiselkarbidhårhår huvudsakligen ång--fasreaktioner, flytande-fasreaktioner och fastfasreaktioner. Bland dem inkluderar ångfas-metoder kemisk ångavsättning och termisk avdunstning; vätskefasmetoder inkluderar sol-gelmetoden; och fastfas--metoder inkluderar koltermisk reduktion och mikrovågsuppvärmning.
Kemisk ångavsättning (CVD)
CVD är den mest använda -ångfasprocessen. Först placeras ett substrat (t.ex. grafit, keramik, etc.) i en reaktionsugn och beläggs likformigt med en katalysator på dess yta. Sedan införs kiselkällor, kolkällor och en bärargas (t.ex. väte) i ugnen och parametrar såsom temperatur, tryck och gasflödeshastighet justeras. Vid hög temperatur genomgår de gasformiga reaktanterna kemiska reaktioner under inverkan av katalysatorn, och kiselkarbidhårhår växer gradvis på substratytan. Efter reaktionen kyls ugnen och substratet avlägsnas för att erhålla provet med odlade SiC-whiskers.
Jämfört med andra metoder har SiC-whiskers som produceras av CVD hög renhet och utbyte, bra kristallinitet, få defekter och reaktionsprocessen är lätt att kontrollera. Utrustningen är enkel, driften är bekväm och reaktionstemperaturen är relativt låg. CVD-utrustning är dock dyr, hög-renhet gasformiga råvaror och bärargaser krävs, och reaktionen kan bara odla morrhår på en begränsad substratyta, vilket resulterar i låg produktionseffektivitet och begränsad produktion, vilket gör kontinuerlig produktion i stor- skala svår. Dessa faktorer håller beredningskostnaderna höga och begränsar dess storskaliga industriella-tillämpning.
Termisk förångningsmetod
Huvudprocessen för den termiska förångningsmetoden för framställning av SiC-whiskers är följande: först placeras en kiselkälla (t.ex. kiselskivor, legeringssilicider eller kiselpulver) och ett kolkällassubstrat (t.ex. kolfibrer eller grafitskivor) tillsammans i en grafitdegel i den höga änden{4}. Under en väteatmosfär med hög-temperatur värms och smälts kiselkällan för att bilda kiselånga, som transporteras av bärgasen till kolkällans substrat vid låg-temperaturänden. Kol- och kiselatomer reagerar kemiskt på aktiva platser på substratet, kristalliserar i en specifik kristallografisk orientering, och så småningom växer en-endimensionell SiC-whisker-array på substratet genom en kärnbildning-tillväxtmekanism. Temperaturgradienten i denna process är särskilt kritisk: den höga-temperaturänden säkerställer tillräcklig avdunstning av råvarorna, medan den låga-temperaturänden ger en lämplig övermättad miljö för morrhårstillväxt. Kontrollen av vakuumnivån och atmosfärens sammansättning påverkar direkt ångans transporteffektivitet och reaktionsväg.
Denna metod visar unika fördelar i den kontrollerbara beredningen av SiC whiskers. Dess genombrott ligger i att eliminera komplexa organiska gaskällor och ädelmetallkatalysatorer, förenkla ångfasvägen, reducera utrustningskostnader och processkomplexitet och undvika föroreningar från katalysatorrester, vilket säkerställer produkter med hög-renhet. Genom att synergistiskt kontrollera nyckelparametrar som temperatur och tryck, kan exakt design av whiskerdiameter, bildförhållande och ytstruktur uppnås. Industrialiseringen av denna teknik står dock fortfarande inför flaskhalsar. Reaktionsförhållandena vid hög-temperatur leder till hög energiförbrukning och utgör allvarliga utmaningar för reaktionsugnens hållbarhet, vilket direkt begränsar dess ekonomiska bärkraft för stor-produktion.
Sol-gelmetod
I sol-gelmetoden dispergeras kisel- och kol-innehållande prekursorer (t.ex. organosilaner, fenolhartser, sackaros, etc.) i ett lösningsmedel i vätskefasen. Genom hydrolys och kondensationsreaktioner bildas en sol som sedan gelar. Efter torkning och kalcinering erhålls kiselkarbidwhiskermaterial. För närvarande är sol-gelmetoden mestadels begränsad till laboratorieforskning för att förbereda högpresterande, små-batchprover, och det är svårt att uppnå stor-kontinuerlig produktion.
Metod för koltermisk reduktion
Den koltermiska reduktionsmetoden är en viktig och ekonomisk väg för industriell produktion av SiC-morrhår. Dess princip är att använda kolhaltiga material (t.ex. kimrök, grafit, etc.) för att reducera en kiselkälla (vanligtvis SiO₂, från kvartssand, risskalsaska, etc.) i en hög-temperatur inert atmosfär, vilket genererar gasformig SiO och CO. Därefter diffunderar SiO-ångan med CO i gasfasen och reagerar i gasfasen och reagerar SiC-molekyler, som avsätts och växer till morrhår.
De främsta fördelarna med den koltermiska reduktionsmetoden är dess breda tillgång på råvaror, enkla utrustningskrav, relativt låg syntestemperatur och enkel satsproduktion. De resulterande SiC-hårhåren kan ha bildförhållanden som överstiger 100:1, och när de läggs till som förstärkningar till kompositer, förbättrar de avsevärt den mekaniska styrkan och slitstyrkan, och visar oersättligt appliceringsvärde i strukturella komponenter med hög-temperatur. Men denna metod har också begränsningar. Eftersom den först genererar en ångfas vid hög temperatur och sedan producerar whiskers in situ genom ångfasreaktioner, är exakt kontroll av hög-temperaturreaktionsprocessen utmanande. Fluktuationer i ångkoncentrationen kan avsevärt påverka morfologin, vilket gör det svårt att exakt kontrollera diameter, längd och enhetlighet. Produkten innehåller ofta oreagerad SiO₂ eller kolinneslutningar, vilket påverkar renhet och prestanda, vilket kräver{10}}efterbehandling. Dessutom innehåller de SiC-whiskers som produceras med denna metod vanligtvis SiC-partiklar, och effektiv separation av whiskers från partiklar är fortfarande ett problem att lösa.
Mikrovågsuppvärmningsmetod
Mikrovågsuppvärmningsmetoden har blivit en forskningshotspot på grund av dess snabba uppvärmningshastighet, låga energiförbrukning och lägre syntestemperatur. Som en framväxande teknik för att förbereda SiC-whiskers använder mikrovågsuppvärmning mikrovågsenergi som uppvärmningskälla, vilket gör att material kan värmas upp genom sin egen dielektriska förlust och slutföra de önskade kemiska reaktionerna. Mikrovågsfrekvensen som vanligtvis används är 2,45 GHz. Jämfört med traditionella ugnar möjliggör mikrovågsuppvärmning samtidig uppvärmning av både ytan och insidan av materialet, vilket är mer fördelaktigt för att förbättra materialegenskaperna. Processen går sekventiellt genom värmeackumulering, morrhårbildning och morfologioptimering, med olika temperaturer som leder till olika former av SiC-morrhår.
Mikrovågsuppvärmning erbjuder fördelar som hög uppvärmningseffektivitet och energiutnyttjande, energibesparingar, tidsbesparingar och miljövänlighet. Mikrovågsutrustning med hög-temperatur är dock tekniskt komplex och mycket dyrare än traditionell uppvärmningsutrustning. Icke-jämn mikrovågsfältsfördelning och den starka mikrovågsabsorptionen av lokalt genererad SiC kan orsaka lokala "hot spots" och termiska rinnande risker, vilket påverkar enhetligheten i morrhårstillväxt och andra processer. Att övervinna dessa utrustnings- och processkontrollutmaningar kommer att vara nyckeln till att uppnå en bredare tillämpning av mikrovågsuppvärmningsteknik inom området SiC-whiskerberedning.