Com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia modernas, os campos da indústria aeroespacial, energia e outros propõem requisitos mais altos para o desempenho de materiais estruturais. o desenvolvimento de novos materiais compósitos com alta tenacidade, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e boa estabilidade térmica / química tornou-se um dos pontos críticos na pesquisa de materiais. Entre eles, materiais compósitos endurecidos por bigodes têm atraído muita atenção devido às suas excelentes propriedades.
O bigode tem a reputação de “rei dos bigodes” e tem as vantagens de alta resistência e alto módulo de elasticidade. A adição de bigodes de carboneto de silício melhorou significativamente a tenacidade à fratura e resistência à flexão de compósitos. Como um excelente agente de reforço e endurecimento, materiais compósitos à base de metal, à base de cerâmica e à base de polímero temperado sic whisker têm sido amplamente utilizados em máquinas, produtos químicos, defesa, energia, proteção ambiental e outros campos.
primeiro, a natureza dos bigodes de carboneto de silício
sic whisker (sic whisker) é uma fibra de cristal altamente orientada, com diâmetro que varia de nanômetro a micrômetro. Sua estrutura cristalina é semelhante à do diamante. há poucas impurezas químicas no cristal, nenhum limite de grão e poucos defeitos na estrutura cristalina. a composição da fase é uniforme. tem alto ponto de fusão, baixa densidade, alta resistência, alto módulo de elasticidade, baixa taxa de expansão térmica e resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência à oxidação em alta temperatura. Ele é usado principalmente em aplicações de endurecimento, onde aplicações de alta temperatura e alta resistência são necessárias.
os indicadores relevantes são mostrados na seguinte tabela:
ponto de derretimento: & gt; 2700 ° c
densidade: 3.21g / cm3
resistência à tração: 2100kg / cm2
módulo de elasticidade: 4,9 × 10 ^ 4kg / cm2
whisker tem duas formas cristalinas do tipo α (estrutura hexagonal e romboédrica) e tipo β (estrutura cúbica centrada na face), e o tipo β é superior ao tipo α em todos os aspectos. no momento, apenas o β-sic whisker alcançou a produção em escala industrial, de modo que a pesquisa e o uso são principalmente ß-sic whisker.
segundo, a pesquisa e aplicação de bigodes de carboneto de silício
atualmente, o sic whisker tem sido amplamente usado para endurecer materiais compósitos à base de metal, baseados em cerâmica e polímeros. A seguir, uma breve introdução à aplicação de vários campos.
1. composto de matriz de metal endurecido sic whisker
Sob a premissa de garantir uma boa molhabilidade sem sérios danos à interface e danos aos bigodes, o processo de preparação atual é mais maduro. quase todas as ligas comerciais de alumínio podem ser compostas com sucesso com sic whisker por fundição sob pressão ou metalurgia do pó e foram colocadas em uso prático.
os principais fabricantes desuiçaprodutos compostos de matriz de metal temperado são acmc, mitsubishi electric e us naval weapons center. Os produtos têm as vantagens de peso leve, alta resistência, resistência ao calor, baixo coeficiente de expansão térmica e boa desgaseificação. é usado em campos aeroespaciais e militares, como peles de aeronaves, aerofólios, caudas verticais, mísseis, telescópios espaciais ultraleves, etc. também pode ser usado em automóveis, máquinas e outros componentes e equipamentos esportivos.
2. compósito de matriz cerâmica endurecido sic whisker
Os materiais cerâmicos reforçados com bigode sic são principalmente cerâmicas de al2o3, zro2, mulite e semelhantes. À medida que a tecnologia de compósitos continua a amadurecer, surgiram materiais compósitos endurecidos, tais como Si3N4, ZrB2 e cerâmica de vidro.
uma. composto de matriz cerâmica al2o3
As cerâmicas de alumina têm as vantagens de alto ponto de fusão, alta dureza, resistência ao desgaste e estabilidade estrutural, mas sua resistência é baixa. após o endurecimento e o fortalecimento, a força pode alcançar acima de 9mpa · m1 / 2, e a força pode chegar a 600-900mpa.
O uso de bigodes de carboneto de silício para ampliar ainda mais o uso de alumina tem sido aplicado a peças de desgaste, ferramentas de corte e certos componentes de motores de combustão interna.
Entre eles, os materiais de corte de cerâmica têm desempenho excelente na dificuldade de cortar ligas como ligas de alta temperatura devido à sua boa tenacidade à fratura e resistência ao choque térmico, prolongando a vida útil da ferramenta e a eficiência de corte é muito maior. que as ferramentas comuns e têm grande potencial de aplicação.
b. composto de matriz cerâmica zro2
cerâmicas de óxido de zircônio são amplamente utilizadas como refratários, condutores iônicos rápidos, elementos de aquecimento de alta temperatura, etc. devido à sua alta estabilidade química, alto ponto de fusão e boa condutância a altas temperaturas. Devido à falha do mecanismo de endurecimento da transformação de fase a altas temperaturas, suas propriedades mecânicas de alta temperatura estão seriamente deterioradas. A adição de sic whisker pode aumentar o seu módulo de elasticidade, dureza, resistência a altas temperaturas e tenacidade, expandindo assim a sua gama de aplicação.
atualmente, as cerâmicas Zro2 temperadas com bigode sic podem ser aplicadas a rotores de turbinas a gás, pás de estator de turbina, vários componentes de motores cerâmicos, ferramentas cerâmicas, matrizes para trefilação de arame, rolamentos, etc. usados acima de 1350 ° c.
c. mulita compósito com matriz de cerâmica
cerâmica mulita tem as vantagens de expansão uniforme, boa resistência ao choque térmico, alta dureza e baixa temperatura fluência valor. é um material refratário de alta qualidade, mas sua tenacidade é relativamente baixa, afetando sua aplicação prática.
Huang Zhengren, do Instituto de Cerâmica de Xangai da Academia Chinesa de Ciências, usou 30 vol% β-sic whiskers para reforçar a mulita. Sob condições de sinterização sps, a resistência do material é cerca de 10% maior que a pressão a quente, 570 mpa, e a tenacidade à fratura é 4,5 mpam 1/2. mulite aumenta em mais de 100%
d. composto de matriz cerâmica zrb2
As cerâmicas zrb2 têm as vantagens de alto ponto de fusão, alta dureza, excelente resistência ao desgaste e estabilidade química. são típicas cerâmicas de temperatura ultra-alta e podem ser usadas na indústria metalúrgica, fundição de equipamentos eletrônicos e metais refratários. devido à baixa tenacidade, limita a expansão adicional de sua faixa de aplicação. A adição de sic whisker à matriz zrb2 melhora a tenacidade do material.
estudos têm mostrado que quando bigodes de carboneto de silício são adicionados em uma fração de volume de 30%, a tenacidade do material pode chegar a 6,33 mpa.m 1/2, que é 71% maior do que a cerâmica pura zrb2, e 33% maior do que o de partículas sic endurecidas zrb2 cerâmica. %. A cerâmica endurecida zrb2 pode ser usada em equipamentos de proteção térmica, compartimentos frontais de veículos aeroespaciais supersônicos e componentes resistentes ao calor, como bicos de foguetes.
e. sic whisker endurecido cerâmicas de nitreto de silício
A ceramica de si3n4 é uma das principais formas de melhorar a tenacidade e estabilidade da fratura. Estudos anteriores mostraram que o efeito de endurecimento do bigode depende não apenas do grau de dispersão do bigode, do tamanho do bigode e da fração volumétrica, mas também da posição e orientação espacial dos bigodes.
Pesquisadores estudaram a orientação do whisker em compósitos baseados em nitreto de silício de bigodes sic. quando os bigodes estão na mesma direção e os bigodes estão fracamente conectados à interface do substrato, a tenacidade à fratura nessa direção tem um valor máximo. a força e tenacidade à fratura foram 1038 mpa e 10,7 mpa m 1/2, respectivamente.
uma série de excelentes propriedades físicas e mecânicas e propriedades químicas das cerâmicas de nitreto de silício têm grande potencial de mercado e aplicação em materiais estruturais de alta temperatura, materiais cerâmicos para ferramentas, materiais cerâmicos resistentes ao desgaste e materiais cerâmicos resistentes ao desgaste. Com o aprofundamento da pesquisa, a aplicação de cerâmicas de nitreto de silício em ferramentas, rolamentos, motores, materiais de isolamento, etc., será mais perfeita.
f. compósito com matriz de cerâmica de vidro
A adição de sic whisker ao vidro cerâmico não só preserva as vantagens da fácil formação de vidro, como também aumenta a resistência e a tenacidade do material em mais de duas vezes.
por exemplo, os compósitos bio-cerâmicos vítreos endurecidos e reforçados sic whisker têm uma dureza de 4,3 mpa · m 1/2, uma resistência de até 460 mpa e um coeficiente weibull de até 24,7, devido à não toxicidade do sic bigode e a bioactividade da cerâmica biovidro. O material tem uma expectativa de vida de mais de 50 anos sob o estresse equivalente à resistência à flexão do corpo humano, e é o material bio-cerâmico com a maior expectativa de vida. Ele pode ser usado para preparar dentes artificiais e materiais de reparo ósseo e ossos, como ossos e articulações. material de andaimes de engenharia de tecidos.
3. compósito polimérico temperado com bigode sic
Como um agente de endurecimento e reforço para materiais poliméricos, o whisker não aumenta a viscosidade do derretimento, mas também melhora significativamente a tenacidade e o alongamento do material. Pode ser usado para preparar peças com formas complexas, alta precisão e alto acabamento superficial.
estudos mostraram que a adição de sic whisker com uma fração de massa de 5% em pvc pode aumentar a dureza do material em 50% e o alongamento em mais de quatro vezes. portanto, o sic whisker é composto de polímeros como pvc para produzir materiais compostos com excelentes propriedades, tais como: pás de tanque de óleo de motor a jato, hélices de helicópteros, aeronaves e componentes automotivos.
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