Mit der rasanten Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie stellen die Bereiche Luft- und Raumfahrt, Energie und andere Bereiche höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Baustoffen. Die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe mit hoher Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und guter thermischer / chemischer Stabilität ist zu einem der Hotspots der Materialforschung geworden. unter ihnen haben Whisker-gehärtete Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
sic Whisker hat den Ruf eines „King of Whiskers“ und hat die Vorteile einer hohen Festigkeit und eines hohen Elastizitätsmoduls. Die Zugabe von Siliziumkarbid-Whiskern hat die Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit von Verbundwerkstoffen signifikant verbessert. Als ausgezeichnetes Verstärkungs- und Schlagfestigkeitsmittel wurden Sic Whisker-Verbundwerkstoffe auf Metallbasis, auf Keramikbasis und auf Polymerbasis in der Maschinen-, Chemie-, Verteidigungs-, Energie-, Umweltschutz- und anderen Bereichen eingesetzt.
erstens die Natur der Siliziumkarbid-Whisker
sic whisker (sic whisker) ist eine hochorientierte einkristallfaser mit einem durchmesser im bereich von nanometer bis mikrometer. Seine Kristallstruktur ähnelt der von Diamant. Es gibt wenige chemische Verunreinigungen im Kristall, keine Korngrenzen und wenige Kristallstrukturdefekte. Die Phasenzusammensetzung ist einheitlich. es hat einen hohen Schmelzpunkt, eine niedrige Dichte, eine hohe Festigkeit, einen hohen Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeausdehnungsrate und Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit. es wird hauptsächlich in härtungsanwendungen eingesetzt, bei denen Anwendungen mit hohen Temperaturen und hoher Festigkeit erforderlich sind.
Die relevanten Indikatoren sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
Schmelzpunkt: & gt; 2700 ° C
Dichte: 3,21 g / cm3
Zugfestigkeit: 2100 kg / cm²
Elastizitätsmodul: 4,9 × 10 4 kg / cm 2
sic Whisker hat zwei Kristallformen vom α-Typ (hexagonale und rhomboedrische Struktur) und vom β-Typ (kubisch-flächenzentrierte Struktur), und der β-Typ ist dem α-Typ in allen Aspekten überlegen. Gegenwärtig hat nur β-sic-Whisker die Produktion im industriellen Maßstab erreicht, so dass Forschung und Verwendung hauptsächlich β-sic-Whisker sind.
zweitens die Erforschung und Anwendung von Siliziumkarbid-Whiskern
derzeit wird sic whisker häufig verwendet, um verbundmaterialien auf metall-, keramik- und polymerbasis zu härten. Das folgende ist eine kurze Einführung in die Anwendung verschiedener Bereiche.
1. sic Whisker gehärtetes Metallmatrix-Verbundmaterial
Unter der Prämisse der Gewährleistung einer guten Benetzbarkeit ohne ernsthafte Grenzflächenschäden und Schäden an Whiskern ist das derzeitige Vorbereitungsverfahren ausgereifter mit Whisker gehärteter Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe. Nahezu alle handelsüblichen Aluminiumlegierungen lassen sich durch Spritzgießen oder Pulvermetallurgie erfolgreich mit sic Whisker mischen und sind in der Praxis eingesetzt worden.
die wichtigsten hersteller vonsic Whiskergehärtete Metallmatrix-Verbundprodukte sind acmc, mitsubishi electric und die US-amerikanischen Marine-Waffenzentren. Die Produkte haben die Vorteile geringes Gewicht, hohe Festigkeit, Wärmebeständigkeit, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und gute Entgasung. Es wird in der Luft- und Raumfahrt sowie in militärischen Bereichen wie Flugzeughäuten, Tragflächen, vertikalen Schwänzen, Raketen, ultraleichten Weltraumteleskopen usw. eingesetzt. Es kann auch in Automobilen, Maschinen und anderen Komponenten sowie Sportgeräten verwendet werden.
2. sic Whisker gehärteter Keramikmatrix-Verbundwerkstoff
sic Whisker-gehärtete keramische Materialien sind hauptsächlich Al2o3, Zro2, Mullitkeramik und dergleichen. Mit der fortschreitenden Reife der Composite-Technologie sind Sic-Whisker-Composite-Materialien wie Si3n4, Zrb2 und Glaskeramik entstanden.
ein. Al2o3-Keramikmatrix-Verbundwerkstoff
Aluminiumoxidkeramiken haben die Vorteile eines hohen Schmelzpunkts, einer hohen Härte, Verschleißfestigkeit und strukturellen Stabilität, aber ihre Festigkeit ist gering. Nach dem Härten und Verstärken durch sic Whisker kann die Zähigkeit über 9mpa · m1 / 2 und die Festigkeit 600-900mpa erreichen.
Die Verwendung von Siliciumcarbid-Whiskern zur weiteren Verbreiterung der Verwendung von Aluminiumoxid wurde bei Verschleißteilen, Schneidwerkzeugen und bestimmten Komponenten von Verbrennungsmotoren angewendet.
Unter ihnen haben sic Whisker gehärtete keramische Schneidwerkzeugmaterialien aufgrund ihrer guten Bruchzähigkeit und Wärmeschockbeständigkeit eine ausgezeichnete Leistung bei der Schwierigkeit des Schneidens von Legierungen wie etwa Hochtemperaturlegierungen, wodurch die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert wird, und die Schneideffizienz ist viel höher als gewöhnliche Werkzeuge und haben ein großes Anwendungspotenzial.
b. zro2 keramikmatrixverbundwerkstoff
Zirkonoxidkeramiken werden aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität, ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer guten Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen als feuerfeste Materialien, schnelle Ionenleiter, Hochtemperaturheizelemente usw. verwendet. Aufgrund des Versagens des Schlagfestigungsmechanismus für die Phasenumwandlung bei hohen Temperaturen werden seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen ernsthaft verschlechtert. Der Zusatz von sic Whisker kann das Elastizitätsmodul, die Härte, die Hochtemperaturfestigkeit und die Zähigkeit erhöhen, wodurch der Anwendungsbereich erweitert wird.
Zur Zeit kann sic Whisker-gehärtete zro2-Keramik auf Gasturbinenrotoren, Turbinenleitschaufeln, verschiedene keramische Triebwerkskomponenten, keramische Werkzeuge, Drahtziehwerkzeuge, Lager usw. angewendet werden, die oberhalb von 1350 ° C verwendet werden.
c. Mullit-Keramikmatrix-Verbundwerkstoff
Mullitkeramik hat die Vorteile gleichförmige Ausdehnung, gute Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Härte und niedrigen Temperaturkriechwert. es ist ein hochwertiges feuerfestes Material, aber seine Zähigkeit ist relativ gering, was sich auf die praktische Anwendung auswirkt.
Huang Zhengren vom Shanghai Institute of Keramik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwendete 30 Vol .-% ß-sic-Whisker, um Mullit zu verstärken. unter den SPS-Sinterbedingungen ist die Materialfestigkeit etwa 10% höher als der Heißdruck, 570 MPa, und die Bruchzähigkeit beträgt 4,5 mpam 1/2. Mullit steigt um mehr als 100%
d. zrb2 Keramikmatrix-Verbundwerkstoff
zrb2-Keramiken haben die Vorteile eines hohen Schmelzpunkts, einer hohen Härte, einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einer chemischen Stabilität. Sie sind typische Ultrahochtemperaturkeramiken und können in der metallurgischen Industrie, beim Gießen von elektronischen Geräten und hochschmelzenden Metallen verwendet werden. Aufgrund der geringen Zähigkeit begrenzt es die weitere Ausdehnung seines Anwendungsbereichs. Die Zugabe von sic Whisker zur zrb2-Matrix verbessert die Zähigkeit des Materials.
Studien haben gezeigt, dass bei Zugabe von Siliciumcarbid-Whiskern in einer Volumenfraktion von 30% die Zähigkeit des Materials 6,33 mpa · m 1/2 erreichen kann, was 71% höher ist als bei reiner Zrb2-Keramik und 33% höher als die von Sic-Partikeln gehärtete Zrb2-Keramik. %. sic Whisker-gehärtete zrb2-Keramiken können in Wärmeschutzgeräten, vorderen Abteilen von Überschallluftfahrzeugen und hitzebeständigen Komponenten wie Raketendüsen verwendet werden.
e. sic Whisker gehärtete Siliziumnitridkeramik
sic whisker harte si3n4 keramik ist eine der wichtigsten möglichkeiten, um die bruchfestigkeit und -stabilität zu verbessern. Frühere Studien haben gezeigt, dass der Schlagzähigkeitseffekt für Whisker nicht nur vom Grad der Whiskerdispersion, der Whiskergröße und dem Volumenanteil abhängt, sondern auch von der räumlichen Position und Orientierung der Whisker.
Forscher haben die Whiskerorientierung in Siliziumnitrid-basierten Kompositen von Sic-Whiskern untersucht. Wenn sich die Whisker in dieselbe Richtung bewegen und die Whisker schwach mit der Substratgrenzfläche verbunden sind, hat die Bruchzähigkeit in dieser Richtung einen maximalen Wert. die Festigkeit und Bruchfestigkeit betrugen 1038 MPa bzw. 10,7 MPa m 1/2.
Eine Reihe ausgezeichneter physikalischer und mechanischer Eigenschaften und chemischer Eigenschaften von Siliziumnitridkeramiken haben ein großes Markt- und Anwendungspotential in Hochtemperatur-Konstruktionsmaterialien, Werkzeugkeramikmaterialien, verschleißfesten Keramikmaterialien und verschleißfesten Keramikmaterialien. Mit der Vertiefung der Whisker-Verschärfungsforschung wird der Einsatz von Siliziumnitridkeramik in Werkzeugen, Lagern, Motoren, Isoliermaterialien usw. perfekter.
f. Glaskeramik-Matrixverbund
Der Zusatz von sic Whisker zu der Glaskeramik behält nicht nur die Vorteile der einfachen Glasformung bei, sondern erhöht auch die Festigkeit und Zähigkeit des Materials um mehr als das Doppelte.
Zum Beispiel haben sic Whisker gehärtete und verstärkte bioaktive Glaskeramik-Verbundwerkstoffe eine Zähigkeit von 4,3 mpa · m 1/2, eine Festigkeit von bis zu 460 mpa und einen Weibull-Koeffizienten von bis zu 24,7 aufgrund der Ungiftigkeit von sic Whisker und die Bioaktivität von Bioglas-Keramiken. Das Material hat eine Lebenserwartung von mehr als 50 Jahren unter der Belastung, die der Biegefestigkeit des menschlichen Körpers entspricht, und ist das biokeramische Material mit der höchsten Lebenserwartung. Es kann verwendet werden, um künstliche Zahn- und Knochenreparaturmaterialien und Knochen wie Knochen und Gelenke herzustellen. Gerüstmaterial für das Gewebetechnik.
3. sic Whisker gehärteter Polymerverbundstoff
Als Schlagfestmacher und Verstärkungsmittel für Polymerwerkstoffe erhöht sic Whisker nicht die Schmelzviskosität, sondern verbessert auch deutlich die Zähigkeit und Dehnung des Materials. Damit können Teile mit komplexen Formen, hoher Präzision und hoher Oberflächengüte vorbereitet werden.
Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von sic Whisker mit einem Massenanteil von 5% in PVC die Zähigkeit des Materials um 50% und die Dehnung um mehr als das Vierfache erhöhen kann. Daher wird sic Whisker mit Polymeren wie PVC kombiniert, um Verbundmaterialien mit hervorragenden Eigenschaften herzustellen, wie z. B. Düsentriebwerkstanks, Hubschrauberpropeller, Flugzeug- und Fahrzeugkomponenten.
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