avec le développement rapide de la science et de la technologie modernes, les domaines de l'aérospatiale, de l'énergie et d'autres ont mis en avant des exigences plus élevées en matière de performances des matériaux de structure. Le développement de nouveaux matériaux composites à haute ténacité, résistance à l'usure, résistance à la corrosion et bonne stabilité thermique / chimique est devenu l'un des points chauds de la recherche sur les matériaux. parmi eux, les matériaux composites trempés de moustaches ont beaucoup attiré l'attention en raison de leurs excellentes propriétés.
Sic Whisker a la réputation de "roi des moustaches" et présente les avantages d'une résistance élevée et d'un module d'élasticité élevé. L'ajout de trichites de carbure de silicium a considérablement amélioré la ténacité et la résistance à la flexion des composites. En tant qu'excellent agent de renforcement et de durcissement, les matériaux composites à base de métal, de céramique et de polymère sic whisker ont été largement utilisés dans les domaines de la machinerie, de la chimie, de la défense, de l'énergie, de la protection de l'environnement, etc.
premièrement, la nature des whiskers de carbure de silicium
Le sic whisker (sic whisker) est une fibre monocristalline hautement orientée dont le diamètre varie du nanomètre au micromètre. sa structure cristalline est similaire à celle du diamant. il y a peu d'impuretés chimiques dans le cristal, pas de joints de grains et peu de défauts de structure cristalline. la composition de phase est uniforme. il a un point de fusion élevé, une densité faible, une résistance élevée, un module d'élasticité élevé, un faible taux de dilatation thermique et une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion et une résistance à l'oxydation à haute température. il est principalement utilisé dans les applications de trempe nécessitant des applications à haute température et haute résistance.
les indicateurs pertinents sont présentés dans le tableau suivant:
point de fusion:> 2700 ° C
densité: 3.21g / cm3
résistance à la traction: 2100kg / cm2
module d'élasticité: 4,9 × 10 ^ 4kg / cm2
Le whisker sic a deux formes cristallines de type α (structure hexagonale et rhomboédrique) et de type β (structure cubique à faces centrées), et le type β est supérieur au type α dans tous les aspects. À l'heure actuelle, seule la marque β-sic whisker a atteint la production à l'échelle industrielle. La recherche et l'utilisation concernent donc principalement la société β-sic whisker.
deuxièmement, la recherche et l'application de trichites de carbure de silicium
À l'heure actuelle, le sic whisker est largement utilisé pour renforcer les matériaux composites à base de métal, de céramique et de polymère. Ce qui suit est une brève introduction à l'application de divers domaines.
1. composite à base de métal trempé whisker sic
sous prétexte d'assurer une bonne mouillabilité sans endommager gravement l'interface, ni les moustaches, le processus de préparation actuel consiste en des composites à matrice d'aluminium trempés sic whisker plus matures. presque tous les alliages d'aluminium commerciaux peuvent être combinés avec sic whisker avec succès par moulage sous pression ou par métallurgie des poudres et ont été mis en pratique.
les principaux fabricants desic whiskerles produits composites à matrice en métal renforcé sont acmc, mitsubishi electric et notre centre d’armes navales. les produits présentent les avantages suivants: légèreté, haute résistance, résistance à la chaleur, faible coefficient de dilatation thermique et bon dégazage. il est utilisé dans les domaines aérospatial et militaire, tels que les peaux d'aéronefs, les pales aérodynamiques, les queues verticales, les missiles, les télescopes spatiaux ultra-légers, etc. Il peut également être utilisé dans les automobiles, les machines et autres composants et les équipements sportifs.
2. composite à matrice céramique trempé de whisker sic
Les matériaux céramiques trempés de whisker sic sont principalement les céramiques al2o3, zro2, mullite, etc. Alors que la technologie des composites continue de mûrir, des matériaux composites renforcés sic whisker, tels que le si3n4, le zrb2 et la vitrocéramique ont émergé.
une. composite à matrice céramique al2o3
Les céramiques en alumine présentent les avantages suivants: point de fusion élevé, dureté élevée, résistance à l'usure et stabilité structurelle, mais leur résistance est faible. après durcissement et renforcement sic whisker, la ténacité peut atteindre plus de 9 MPa · m1 / 2 et la résistance peut atteindre 600 à 900 MPa.
l'utilisation de whiskers de carbure de silicium pour élargir encore l'utilisation d'alumine a été appliquée aux pièces d'usure, aux outils de coupe et à certains composants des moteurs à combustion interne.
parmi eux, les matériaux pour outils de coupe en céramique trempés de whisker sic ont d'excellentes performances en termes de difficulté de coupe des alliages tels que les alliages pour hautes températures en raison de leur bonne résistance à la rupture et de leur résistance aux chocs thermiques, prolongeant la durée de vie de l'outil et leur efficacité de coupe est bien supérieure que les outils ordinaires et ont un grand potentiel d'application.
b. zro2 composite à matrice céramique
Les céramiques en oxyde de zirconium sont largement utilisées comme produits réfractaires, conducteurs rapides d’ions, éléments chauffants à haute température, etc. en raison de leur stabilité chimique élevée, de leur point de fusion élevé et de leur bonne conductance à haute température. En raison de la défaillance du mécanisme de renforcement de la transformation de phase à haute température, ses propriétés mécaniques à haute température sont sérieusement détériorées. l'ajout de sic whisker peut augmenter son module d'élasticité, sa dureté, sa résistance aux températures élevées et sa ténacité, élargissant ainsi son domaine d'application.
Actuellement, les céramiques zro2 sic whisker peuvent être appliquées sur des rotors de turbine à gaz, des aubes de stator de turbine, divers composants de moteur en céramique, des outils en céramique, des matrices de tréfilage, des roulements, etc. utilisés à une température supérieure à 1350 ° C.
c. composite à matrice céramique mullite
La céramique mullite présente les avantages d'une expansion uniforme, d'une bonne résistance aux chocs thermiques, d'une dureté élevée et d'un fluage à basse température. il s’agit d’un matériau réfractaire de haute qualité, mais sa ténacité est relativement faible, ce qui nuit à son application pratique.
huang zhengren de l'institut de céramique de shanghai de l'académie chinoise des sciences a utilisé 30% de moustaches β-siques pour renforcer la mullite. dans des conditions de frittage sps, la résistance du matériau est environ 10% plus élevée que la pression à chaud, 570 mpa, et la ténacité à la rupture est de 4,5 mpam 1/2. la mullite augmente de plus de 100%
ré. zrb2 composite à matrice céramique
Les céramiques zrb2 présentent les avantages suivants: point de fusion élevé, haute dureté, excellente résistance à l'usure et stabilité chimique. Ce sont des céramiques typiques à ultra haute température et peuvent être utilisées dans l'industrie métallurgique, la fonderie d'équipements électroniques et de métaux réfractaires. En raison de la faible ténacité, il limite l'expansion de son domaine d'application. l'ajout de sic whisker à la matrice zrb2 améliore la ténacité du matériau.
Des études ont montré que, lorsque l'on ajoute des trichites de carbure de silicium dans une fraction volumique de 30%, la ténacité du matériau peut atteindre 6,33 mpa · m 1/2, soit 71% de plus que celle des céramiques de zrb2 pure et 33% de plus que celle des particules sic a durci la céramique zrb2. %. Les céramiques zrb2 sic whisker trempées peuvent être utilisées dans les équipements de protection thermique, les compartiments avant des véhicules aérospatiaux supersoniques et les composants résistant à la chaleur tels que les pistolets de fusée.
e. céramiques de nitrure de silicium sic whisker
La céramique Si3n4 est l’un des principaux moyens d’améliorer sa ténacité et sa stabilité. Des études antérieures ont montré que l’effet de durcissement des moustaches dépend non seulement du degré de dispersion des moustaches, de leur taille et de leur fraction volumique, mais également de la position et de l’orientation spatiale des moustaches.
les chercheurs ont étudié l'orientation des moustaches dans les composites à base de nitrure de silicium contenant des moustaches sic. lorsque les moustaches sont dans la même direction et que les moustaches sont faiblement connectées à l'interface substrat, la résistance à la rupture dans cette direction a une valeur maximale. la résistance et la ténacité étaient respectivement de 1038 mpa et 10,7 mpa m 1/2.
une série d'excellentes propriétés physiques et mécaniques et de propriétés chimiques des céramiques en nitrure de silicium ont un potentiel de marché et d'application élevé dans les matériaux de structure à haute température, les matériaux céramiques pour outils, les matériaux céramiques résistant à l'usure et les matériaux céramiques résistant à l'usure. avec l’intensification de la recherche sur la trempe des moustaches, l’application de la céramique au nitrure de silicium dans les outils, les roulements, les moteurs, les matériaux isolants, etc. sera plus parfaite.
F. composite à matrice vitrocéramique
l'ajout de sic whisker à la vitrocéramique préserve non seulement les avantages de la facilité de formage du verre, mais augmente également la résistance et la ténacité du matériau de plus de deux fois.
par exemple, les composites vitrocéramique bioactifs trempés et renforcés de sic whisker ont une ténacité de 4,3 mpa · m 1/2, une résistance maximale de 460 mpa, et un coefficient de Weibull allant jusqu'à 24,7 en raison de la non-toxicité du sic moustaches et la bioactivité des céramiques en bioglass. Le matériau a une espérance de vie de plus de 50 ans sous une contrainte équivalente à la résistance à la flexion du corps humain. Il s'agit du matériau bio-céramique ayant la plus longue espérance de vie. il peut être utilisé pour préparer des dents artificielles et des matériaux de réparation osseuse et des os tels que des os et des articulations. matériel d'échafaudage d'ingénierie tissulaire.
3. composite de polymère trempé whisker
En tant qu'agent de durcissement et de renforcement des matériaux polymères, le sic whisker n'augmente pas la viscosité à l'état fondu, mais améliore également de manière significative la ténacité et l'élongation du matériau. il peut être utilisé pour préparer des pièces aux formes complexes, à la haute précision et au fini de surface élevé.
Des études ont montré que l’ajout de sic whisker avec une fraction massique de 5% dans le pvc peut augmenter la ténacité du matériau de 50% et l’allongement de plus de quatre fois. par conséquent, sic whisker est mélangé à des polymères tels que le pvc pour produire des matériaux composites dotés d'excellentes propriétés, tels que: aubes de réservoirs d'huile pour moteurs à réaction, hélices d'hélicoptères, composants d'aéronefs et de véhicules automobiles.
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