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碳化硅晶须的性能和应用领域

发表时间: 2022-07-27 09:24:18

作者: 广州市黄埔天泰化轻有限公司

来源: 天泰粉体

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碳化硅晶须(SiCw)具有低密度、高熔点、高强度、高模量、低热膨胀系数及耐腐蚀等优良特性,是新型复合材料的重要增强相,在机械、能源、电子、化工、航空航天等诸多领域有广泛应用前景。

晶须(Whiske)是由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维。其机械强度等于邻接原子间力产生的强度。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率,而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。与连续纤维强化增韧复合材料相比,晶须增韧工艺更为简便,晶须强化增韧是解决材料高温韧性的有效方法。

碳化硅晶须(SiCw)具有低密度、高熔点、高强度、高模量、低热膨胀系数及耐腐蚀等优良特性,是新型复合材料的重要增强相,在机械、能源、电子、化工、航空航天等诸多领域有广泛应用前景。

SiCw作为复合材料的优良增强增韧剂,除在传统的金属基、聚合物基、陶瓷基复合材料领域应用外,在新型复合材料领域也有极大潜力。

就晶须本身分散而言,长径比合适的直晶比较有优势,可充分分散,发挥晶须的应有优势。但是由于SiCw的表面能和静电作用,晶须会产生团聚现象,尤其是长晶须,还可能缠结,导致SiCw的许多优越性大打折扣。另一方面SiCw不宜太细,尤其是当服役环境有氧化性气氛时,适当增加SiCw直径有助于提高其抗氧化性,提高产品服役温度及服役环境的兼容性。因此,分散性是SiCw应用的一个重要技术方面。

一、应用领域

1.在C/C复合材料抗氧化涂层中的应用

碳/碳(C/C)复合材料是新型高温结构材料,但是在使用环境气氛中容易破坏,用SiCw增韧C/C复合材料高温氧化防护的涂层中,不仅能使SiCw与基体的层间剪切强度提高,而且可以使其内部裂纹的扩展得到缓冲或阻止。研究表明,有SiCw涂层C/C复合材料在空气中氧化后的质量损失0.7%,没有涂层的质量损失高达15%

2.增韧Si3N4陶瓷及对其热震性的影响

Si3N4陶瓷在高温结构材料领域应用广泛,但其脆性使其应用受到一定限制。所以Si3N4研究的主要方向是提高韧性。SiCw对减少热冲击导致裂纹扩展起着重要作用,研究表明,复合材料中的SiCwSi3N4颗粒的加入可大幅提高其断裂韧性、抗弯强度和维氏硬度。据分析为细晶强化和弥散强化的综合作用使复合材料增韧。

3.增韧Al2O3陶瓷

研究表明,在氧化铝基材料中加入20wt%的SiCw,可以将材料的断裂韧性从不足3.0 MPa·m1/2增加到8.5 MPa·m1/2,将其抗折强度从 400 MPa 提高到约800 MPa

4.增强环氧树脂基复合材料导热性能

环氧树脂(ER)广泛用于机械、涂料、电子电气、化工以及航天航空等领域。SiCw作为一种共价化合物,可作为ER的填料,以满足电子元器件的高性能化、微型化、高电绝缘、高导热、低膨胀性等工作环境要求。研究表明,随SiCw含量增加,SiCw/ER复合材料导热系数增大。此外,SiCw可有效降低ER的玻璃化温度。不过,随着添加率的升高,冲击强度和弯曲强度呈先升后降的趋势。

5.高温涂层增韧

加入适量SiCw可有效提供高温涂层的韧性,抑制涂层开裂。


二、推荐工艺

1.SiCw 分散

分散SiCw时,取去离子水、超纯水的质量比一般选择1:201:50,浆料上层无明显的液相层存在为宜。浆料用机械搅拌或砂磨分散方式进行分散,时间为1-7小时为宜,并且应当持续观察,使浆料均匀分散。

2.SiCw 添加量

普通陶瓷基复合材料中,一般添加10wt%以内的SiCw。具体工艺优化过程中,推荐从2wt%开始,逐步实验、优化。根据实验实践,加入量并不一定越高越好,它与原料、材料尺寸、烧结制度相关,合理的加入量能够获得最佳的增韧效果。

3.SiCw与集体(陶瓷)粉末混合

向分散好的SiCw浆料中缓慢加入陶瓷粉体,继续分散1-12小时,推荐砂磨分散(塑料小球)或机械搅拌方式,采用球磨方式易导致晶须折断。

若SiCw与基体材料混合性较差时,可加入SiCw质量1%的六偏磷酸钠(或少量异丙醇/乙醇)作为分散剂,可提高混合均匀性。

砂磨或搅拌分散结束后应立即进行干燥脱水,把浆料倒入面积大的器皿中摊薄,增大面积易于蒸发脱水。更重要的是避免晶须与基体原料的分层,推荐干燥温度110-160℃。

4.SiCw 增强陶瓷的烧制

将干燥后的混合料粉碎后过筛,得到原料粉体,加压成型后制成坯体。成型的坯体,在保护气氛下或封闭处理(避免晶须过度氧化),按照一定的烧成制度进行烧结。应根据未添加SiCw的烧结工艺适当调整,以获得最佳性能。致密的SiCw增韧陶瓷在空气中的实际使用温度可达1200℃以上。

碳化硅晶须的性能和应用领域
碳化硅晶须(SiCw)具有低密度、高熔点、高强度、高模量、低热膨胀系数及耐腐蚀等优良特性,是新型复合材料的重要增强相,在机械、能源、电子、化工、航空航天等诸多领域有广泛应用前景。
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