con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderna, i settori aerospaziale, energetico e altri settori hanno presentato requisiti più elevati per le prestazioni dei materiali strutturali. lo sviluppo di nuovi materiali compositi con elevata tenacità, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e buona stabilità termica / chimica è diventato uno dei punti caldi nella ricerca sui materiali. tra questi, i materiali compositi rinforzati con baffi hanno attirato molta attenzione grazie alle loro eccellenti proprietà.
sic whisker ha la reputazione di "re dei baffi" e ha i vantaggi di alta resistenza e alto modulo di elasticità. l'aggiunta di baffi al carburo di silicio ha migliorato in modo significativo la tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione dei materiali compositi. come un eccellente agente di rinforzo e indurimento, i materiali compositi a base di metallo, a base ceramica e polimerici a base di polimeri sono stati ampiamente utilizzati in macchinari, prodotti chimici, difesa, energia, protezione ambientale e altri campi.
in primo luogo, la natura dei baffi di carburo di silicio
sic whisker (sic whisker) è una fibra monocristallina altamente orientata con un diametro che varia da nanometro a micrometro. la sua struttura cristallina è simile a quella del diamante. ci sono poche impurità chimiche nel cristallo, nessun limite di grana e pochi difetti della struttura cristallina. la composizione della fase è uniforme. ha alto punto di fusione, bassa densità, alta resistenza, alto modulo di elasticità, basso tasso di espansione termica e resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione ad alta temperatura. è utilizzato principalmente nelle applicazioni di tempra dove sono richieste applicazioni ad alta temperatura e alta resistenza.
gli indicatori pertinenti sono mostrati nella seguente tabella:
punto di fusione: & gt; 2700 ° c
densità: 3,21 g / cm3
resistenza alla trazione: 2100 kg / cm2
modulo di elasticità: 4.9 × 10 ^ 4kg / cm2
il sic whisker ha due forme cristalline di tipo α (struttura esagonale e romboedrica) e β (struttura cubica centrata sul volto), e il tipo β è superiore al tipo α in tutti gli aspetti. al momento solo il baffo β-sic ha raggiunto la produzione su scala industriale, quindi la ricerca e l'uso sono principalmente baffi β-sic.
in secondo luogo, la ricerca e l'applicazione dei baffi al carburo di silicio
al momento, il whisker sic è stato ampiamente utilizzato per rinforzare materiali compositi a base di metallo, a base di ceramica e polimerici. quanto segue è una breve introduzione all'applicazione di vari campi.
1. composito a matrice di metallo temprato a base di sic whisker
con la premessa di assicurare una buona bagnabilità senza gravi danni alle interfacce e danni ai baffi, l'attuale processo di preparazione è più solido e più stabile. quasi tutte le leghe di alluminio commerciali possono essere composte con successo con baffi sic per pressofusione o metallurgia delle polveri e sono state messe in pratica.
i principali produttori dibaffo sici prodotti compositi a matrice metallica rinforzata sono acmc, mitsubishi electric e il nostro centro di armi navali. i prodotti hanno il vantaggio di leggerezza, alta resistenza, resistenza al calore, basso coefficiente di dilatazione termica e buon degasaggio. è utilizzato nei settori aerospaziale e militare, come pelli aeromobili, profili aerodinamici, code verticali, missili, telescopi spaziali ultraleggeri, ecc. Può essere utilizzato anche in automobili, macchinari e altri componenti e attrezzature sportive.
2. composito a matrice ceramica rinforzata con baffo sic
i materiali ceramici tempificati sono essenzialmente al2o3, zro2, ceramiche di mullite e simili. mentre la tecnologia composita continua a maturare, i materiali compositi rinforzati come il si3n4, lo zrb2 e la ceramica di vetro sono emersi.
un. composito a matrice ceramica al2o3
le ceramiche di allumina hanno i vantaggi di un punto di fusione elevato, elevata durezza, resistenza all'usura e stabilità strutturale, ma la loro resistenza è bassa. dopo il rafforzamento e il rafforzamento da parte di sic whisker, la resistenza può superare i 9 mpa · m1 / 2 e la forza può raggiungere 600-900 mpa.
l'uso di baffi di carburo di silicio per ampliare ulteriormente l'uso di allumina è stato applicato a parti soggette ad usura, utensili da taglio e alcuni componenti di motori a combustione interna.
tra questi, i materiali ceramici per utensili da taglio tempificati sic sono dotati di eccellenti prestazioni in termini di difficoltà nel taglio di leghe come leghe per alte temperature grazie alla loro buona resistenza alla frattura e alla resistenza agli shock termici, prolungando la durata di vita dell'utensile e l'efficienza di taglio è molto più elevata di strumenti ordinari e hanno un grande potenziale applicativo.
b. composito a matrice ceramica zro2
le ceramiche di ossido di zirconio sono ampiamente utilizzate come refrattari, conduttori ionici veloci, elementi riscaldanti ad alta temperatura, ecc. a causa della loro elevata stabilità chimica, alto punto di fusione e buona conduttanza a temperatura elevata. a causa del fallimento del meccanismo di tempra della trasformazione di fase ad alte temperature, le sue proprietà meccaniche ad alta temperatura sono seriamente deteriorate. l'aggiunta di sic whisker può aumentare il suo modulo di elasticità, durezza, resistenza alle alte temperature e tenacità, espandendo così il suo campo di applicazione.
allo stato attuale, la ceramica zro2 rinforzata con whis basker può essere applicata a rotori di turbine a gas, pale dello statore della turbina, vari componenti del motore in ceramica, utensili in ceramica, matrici per trafilatura, cuscinetti ecc. utilizzati oltre 1350 ° c.
c. composito a matrice ceramica mullite
la ceramica di mullite ha i vantaggi di espansione uniforme, buona resistenza agli shock termici, elevata durezza e valore di creep a bassa temperatura. è un materiale refrattario di alta qualità, ma la sua tenacità è relativamente bassa, influenzando così la sua applicazione pratica.
huang zhengren dell'istituto shanghai di ceramica dell'Accademia cinese delle scienze utilizzava il 30 vol% β-sic baffi per rinforzare la mullite. in condizioni di sinterizzazione sps, la resistenza del materiale è circa del 10% superiore alla pressione calda, 570 mpa, e la resistenza alla frattura è di 4,5 mpam 1/2. la mullite aumenta di oltre il 100%
d. composito a matrice ceramica zrb2
Le ceramiche zrb2 presentano i vantaggi di un punto di fusione elevato, elevata durezza, eccellente resistenza all'usura e stabilità chimica. sono ceramiche tipiche ad altissima temperatura e possono essere utilizzate nell'industria metallurgica, nella fusione di apparecchiature elettroniche e metalli refrattari. a causa della bassa tenacità, limita l'ulteriore espansione del suo campo di applicazione. l'aggiunta di sic whisker alla matrice zrb2 migliora la resistenza del materiale.
gli studi hanno dimostrato che quando si aggiungono baffi di carburo di silicio in una frazione di volume del 30%, la tenacità del materiale può raggiungere 6,33 mpa · m 1/2, che è del 71% superiore a quella delle ceramiche zrb2 pure e del 33% superiore a quella delle particelle sic rinforzate con ceramica zrb2. %. la ceramica zrb2 tempificata con whis whisker può essere utilizzata in dispositivi di protezione termica, scomparti anteriori di veicoli aerospaziali supersonici e componenti resistenti al calore come gli ugelli del razzo.
e. ceramiche di nitruro di silicio temprato
la ceramica di si3n4 per il rafforzamento del whisky è uno dei principali modi per migliorare la sua resistenza e stabilità alla frattura. studi precedenti hanno dimostrato che l'effetto di indurimento dei baffi dipende non solo dal grado di dispersione dei baffi, dalle dimensioni del baffo e dalla frazione di volume, ma anche dalla posizione spaziale e dall'orientamento dei baffi.
i ricercatori hanno studiato l'orientamento del baffo nei compositi a base di nitruro di silicio dei baffi sic. quando i baffi sono nella stessa direzione e i baffi sono collegati debolmente all'interfaccia del substrato, la tenacità alla frattura in questa direzione ha un valore massimo. la forza e la resistenza alla frattura erano 1038 mpa e 10.7 mpa m 1/2, rispettivamente.
una serie di eccellenti proprietà fisiche e meccaniche e proprietà chimiche delle ceramiche al nitruro di silicio hanno un grande potenziale di mercato e di applicazione nei materiali strutturali ad alta temperatura, materiali ceramici per utensili, materiali ceramici resistenti all'usura e materiali ceramici resistenti all'usura. con l'approfondimento della ricerca del rafforzamento dei baffi, l'applicazione della ceramica al nitruro di silicio su utensili, cuscinetti, motori, materiali isolanti, ecc. sarà più perfetta.
f. composito matrice vetroceramica
l'aggiunta di whis bas alla vetroceramica non solo preserva i vantaggi della facile formatura del vetro, ma aumenta anche la resistenza e la tenacità del materiale di più di due volte.
ad esempio, i compositi vetro-ceramici bioattivi rinforzati e rinforzati hanno una resistenza di 4,3 mpa · m 1/2, una resistenza fino a 460 mpa e un coefficiente di weibull fino a 24,7, a causa della non tossicità di sic baffo e la bioattività della ceramica in bioglass. il materiale ha un'aspettativa di vita di oltre 50 anni sotto lo stress equivalente alla resistenza alla flessione del corpo umano ed è il materiale bioceramico con la più lunga aspettativa di vita. può essere usato per preparare denti artificiali e materiali per la riparazione ossea e ossa come ossa e articolazioni. materiale per ponteggi di ingegneria tissutale.
3. Composito polimerico indurito a base di whis
come agente indurente e rinforzante per i materiali polimerici, il whisker sic non aumenta la viscosità del fuso, ma migliora significativamente anche la durezza e l'allungamento del materiale. può essere utilizzato per preparare parti con forme complesse, alta precisione e finitura superficiale elevata.
studi hanno dimostrato che l'aggiunta di sic whisker con una frazione di massa del 5% in pvc può aumentare la resistenza del materiale del 50% e l'allungamento di oltre quattro volte. pertanto, il whisker sic viene combinato con polimeri come il PVC per produrre materiali compositi con proprietà eccellenti, quali: pale del serbatoio dell'olio per motori a reazione, eliche per elicotteri, componenti per aeromobili e autoveicoli.
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