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碳化硅晶须在复合材料中能起到什么作用?

发表时间: 2022-04-20 13:22:28

作者: 天泰粉体

来源: 天泰粉体

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无机晶须是一种由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维,其力学强度相当于原子间力产生的强度,并且无机晶须的截面十分完整、结构缺陷较少、长径比范围较大,因此在应用于高分子材料、复合材料等材料的改性过程中,能极大地改善材料的理化性质和力学性能。能够制成晶须的无机材料很多,碳化硅就是代表之一。

无机晶须是一种由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维,其力学强度相当于原子间力产生的强度,并且无机晶须的截面十分完整、结构缺陷较少、长径比范围较大,因此在应用于高分子材料、复合材料等材料的改性过程中,能极大地改善材料的理化性质和力学性能。能够制成晶须的无机材料很多,碳化硅就是代表之一。

 

碳化硅晶须的应用

作为一种高效的补强材料,碳化硅晶须能通过裂纹偏转、断晶作用、晶须拔出效应和裂纹桥联作用阻止微裂纹的进一步扩展,强化增韧复合材料,目前主要被用于金属基、树脂基、陶瓷基等复合材料上。

 

1.增强金属基复合材料

目前金属基复合材料MMC中基体材料比较常见的主要有以下几种:

①密度小,比强度高的AlMg金属基体;

②高熔点、结构稳定、高温性能优良的Ti金属基体;

③耐高温,高磁导率,低矫顽力的FeNi金属基体;

④导电、导热,抗腐蚀能力的CuAgAu金属基体。

其中,SiCW/Cu复合材料抗拉强度高,综合性能良好;SiCW/Al基复合材料与传统的金属材料相比,具有更高的比刚度、比强度、轴向拉伸强度、耐磨损性能,更低热膨胀系数;MB15材料在加入SiCW后提高了硬度和时效速度。

 

2.增强陶瓷基复合材料

陶瓷材料由于具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温,以及优良的高温力学性能而被广泛应用于各行各业,然而陶瓷材料的最大缺点是脆性大、易断裂,因此阻碍了它们在应用上的发展。为了增高陶瓷材料的强度,改善其脆性,提高可靠性,通过晶须增韧陶瓷基复合材料是目前最有效的解决方法之一。

碳化硅晶须增强陶瓷基复合材料的制备方法较多,主要包括:热压烧结法、热等静压烧结法、无压烧结法、化学气相渗透法、放电等离子烧结法。同时,碳化硅晶须增强陶瓷基复合材料已应用于多种陶瓷基复合材料,如SiCW增韧Al2O3/Ti3SiC2复合材料可提高其断裂韧性和抗弯强度;增韧ZrB2材料可提高其弯曲强度和断裂韧性;增韧Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料时可提高其各项力学性能。

 

3.增强树脂基复合材料

高性能树脂基复合材料由于具有较高的比模量、比强度、抗疲劳性、抗振性、耐腐蚀性、低热膨胀系数以及低密度,在国民行业中应用越来越广泛。不过对于航空航天领域来说,虽然高性能树脂基复合材料可减轻很多零部件的质量,但要作为主要承力部件,高性能树脂材料需具备耐高温、更高的强度、高透波性、吸波性、隐身性等性能,因此采用碳化硅晶须增韧树脂基复合材料成为了新的研究热点。

有科学家试验得出,加入碳化硅晶须可大幅度减慢光固化速度并改善复合材料力学性能,而且对光固化工艺几乎无影响。

目前,使用碳化硅晶须增强、增韧的先进复合材料已广泛用于航空航天、国防军工和民用等众多工业领域,如:①航空航天用轴承、燃料系统阀门、燃烧器电池、高性能雷达天线和红外线整流罩、直升机和喷气飞机零件等;②汽车用燃烧喷射器,低热排泄内燃机以及其他热机零件等;③化工、能源领域中汽油重整裂化器,机械用封盖喷嘴等;④电子行业中多层电容器,压力和气体传感器等;⑤生物陶瓷领域中人造牙齿,骨头,关节等。

 

总结

凭借各项优良的综合性能,碳化硅晶须享有“晶须之王”的美誉,备受国内外科研工作者的关注。据悉美国和日本很早便投入到了碳化硅晶须的研究和工业化生产中,并获得了显著的社会效益,我国在这方面起步较晚但进展迅速,提高碳化硅晶须及其它晶须的研究层次,有利于提升我国复合材料的研究水平,对提高我国在国际社会中的军事竞争力具有重大帮助。

目前碳化硅晶须在增韧复合材料方面,关注度较高、应用更为广泛的碳化硅晶须增强金属基和陶瓷基复合材料,对树脂基复合材料的研究工作相对较少,因此为能充分发挥晶须在树脂基中的作用,还应对晶须的表面改性进行系统深入研究。

 

 


碳化硅晶须在复合材料中能起到什么作用?
无机晶须是一种由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维,其力学强度相当于原子间力产生的强度,并且无机晶须的截面十分完整、结构缺陷较少、长径比范围较大,因此在应用于高分子材料、复合材料等材料的改性过程中,能极大地改善材料的理化性质和力学性能。能够制成晶须的无机材料很多,碳化硅就是代表之一。
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