Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas, los campos de la industria aeroespacial, la energía y otros campos presentan requisitos más altos para el rendimiento de los materiales estructurales. El desarrollo de nuevos materiales compuestos con alta tenacidad, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y buena estabilidad térmica / química se ha convertido en uno de los puntos críticos en la investigación de materiales. Entre ellos, los materiales compuestos endurecidos por bigotes han atraído mucha atención debido a sus excelentes propiedades.
sic whisker tiene la reputación de "rey de los bigotes" y tiene las ventajas de alta resistencia y alto módulo de elasticidad. la adición de bigotes de carburo de silicio ha mejorado significativamente la tenacidad a la fractura y la resistencia a la flexión de los compuestos. como un excelente agente de refuerzo y endurecimiento, los materiales compuestos a base de metales, cerámicos y polímeros a base de metales y cerámicos sic se han utilizado ampliamente en maquinaria, productos químicos, defensa, energía, protección del medio ambiente y otros campos.
En primer lugar, la naturaleza de los bigotes de carburo de silicio.
sic whisker (sic whisker) es una fibra monocristalina altamente orientada con un diámetro que varía de nanómetro a micrómetro. Su estructura cristalina es similar a la del diamante. hay pocas impurezas químicas en el cristal, no hay límites de grano y pocos defectos en la estructura del cristal. La composición de la fase es uniforme. tiene un alto punto de fusión, baja densidad, alta resistencia, alto módulo de elasticidad, baja tasa de expansión térmica y resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Se utiliza principalmente en aplicaciones de endurecimiento donde se requieren aplicaciones de alta temperatura y alta resistencia.
Los indicadores relevantes se muestran en la siguiente tabla:
punto de fusión: & gt; 2700 ° c
densidad: 3.21g / cm3
resistencia a la tracción: 2100kg / cm2
módulo de elasticidad: 4.9 × 10 ^ 4kg / cm2
sic whisker tiene dos formas cristalinas de tipo α (estructura hexagonal y romboédrica) y tipo β (estructura cúbica centrada en la cara), y el tipo β es superior al tipo α en todos los aspectos. en la actualidad, solo el bigote β-sic ha alcanzado una producción a escala industrial, por lo que la investigación y el uso son principalmente bigotes β-sic.
En segundo lugar, la investigación y aplicación de bigotes de carburo de silicio.
en la actualidad, sic whisker ha sido ampliamente utilizado para endurecer materiales compuestos a base de metal, a base de cerámica y a base de polímero. La siguiente es una breve introducción a la aplicación de varios campos.
1. Compuesto de matriz de metal endurecido de bigotes sic
bajo la premisa de garantizar una buena capacidad de humectación sin daños graves en la interfaz y daños a los bigotes, el proceso de preparación actual es más maduro compuesto de matriz de aluminio endurecido por bigotes. casi todas las aleaciones de aluminio comerciales pueden combinarse con éxito con el bigote sic mediante fundición a presión o metalurgia de polvos y se han puesto en práctica.
los principales fabricantes dewhisky siclos productos compuestos de matriz metálica endurecida son acmc, mitsubishi electric y el centro de armas navales de EE. UU. Los productos tienen las ventajas de peso ligero, alta resistencia, resistencia al calor, bajo coeficiente de expansión térmica y buena desgasificación. se utiliza en campos aeroespaciales y militares, como pieles de aviones, perfiles aerodinámicos, colas verticales, misiles, telescopios espaciales ultraligeros, etc. También se puede utilizar en automóviles, maquinaria y otros componentes y equipos deportivos.
2. Compuesto de matriz de cerámica endurecida con bigotes sic
Los materiales cerámicos endurecidos con bigotes sic son principalmente al2o3, zro2, cerámicos de mullita y similares. A medida que la tecnología de compuestos continúa madurando, han surgido materiales compuestos endurecidos por sic whiskers como si3n4, zrb2 y vitrocerámica.
a. matriz de cerámica al2o3 compuesto
Las cerámicas de alúmina tienen las ventajas de un alto punto de fusión, alta dureza, resistencia al desgaste y estabilidad estructural, pero su resistencia es baja. después de endurecerse y fortalecerse con un bigote sic, la dureza puede alcanzar más de 9mpa · m1 / 2, y la fuerza puede alcanzar los 600-900mpa.
El uso de bigotes de carburo de silicio para ampliar aún más el uso de alúmina se ha aplicado a piezas de desgaste, herramientas de corte y ciertos componentes de motores de combustión interna.
entre ellos, los materiales de herramienta de corte cerámico sic whisker endurecido tienen un excelente rendimiento en la dificultad de cortar aleaciones como las aleaciones de alta temperatura debido a su buena tenacidad a la fractura y resistencia al choque térmico, prolongando la vida útil de la herramienta y la eficiencia de corte es mucho mayor Que las herramientas ordinarias y tienen un gran potencial de aplicación.
segundo. matriz de cerámica zro2 compuesto
Las cerámicas de óxido de circonio son ampliamente utilizadas como refractarios, conductores de iones rápidos, elementos de calentamiento a alta temperatura, etc. debido a su alta estabilidad química, alto punto de fusión y buena conductancia a alta temperatura. Debido a la falla del mecanismo de endurecimiento por transformación de fase a altas temperaturas, sus propiedades mecánicas de alta temperatura se deterioran gravemente. la adición de sic whisker puede aumentar su módulo de elasticidad, dureza, resistencia a altas temperaturas y dureza, ampliando así su rango de aplicación.
en la actualidad, las cerámicas zro2 endurecidas sic whisker se pueden aplicar a rotores de turbina de gas, álabes del estator de la turbina, diversos componentes de cerámica del motor, herramientas de cerámica, matrices de trefilado, rodamientos, etc., utilizados por encima de 1350 ° C.
do. matriz de mullita cerámica compuesta
La cerámica de mullita tiene las ventajas de una expansión uniforme, una buena resistencia al choque térmico, una alta dureza y un valor de fluencia a baja temperatura. Es un material refractario de alta calidad, pero su tenacidad es relativamente baja, lo que afecta su aplicación práctica.
El huang zhengren del Instituto de Cerámica de Shangai de la Academia de Ciencias de China utilizó un 30% en volumen de bigotes β-sic para reforzar la mullita. En condiciones de sinterización de SP, la resistencia del material es aproximadamente un 10% más alta que la presión en caliente, 570 mpa, y la resistencia a la fractura es de 4.5 mpam 1/2. La mullita aumenta en más del 100%.
re. matriz de cerámica zrb2 compuesto
Las cerámicas zrb2 tienen las ventajas de alto punto de fusión, alta dureza, excelente resistencia al desgaste y estabilidad química. Son cerámicas típicas de temperatura ultraalta y pueden utilizarse en la industria metalúrgica, fundición de equipos electrónicos y metales refractarios. Debido a la baja tenacidad, limita la expansión adicional de su rango de aplicación. la adición de bigote sic a la matriz zrb2 mejora la resistencia del material.
los estudios han demostrado que cuando se agregan bigotes de carburo de silicio en una fracción de volumen del 30%, la resistencia del material puede alcanzar 6.33 mpa · m 1/2, que es 71% más alta que la de las cerámicas zrb2 puras, y 33% más alta que El de las partículas sic endureció la cerámica zrb2. %. La cerámica zrb2 endurecida con sic whisker se puede usar en equipos de protección térmica, compartimentos delanteros de vehículos aeroespaciales supersónicos y componentes resistentes al calor, como boquillas de cohetes.
mi. Sic bigotes cerámicos de nitruro de silicio endurecido.
La cerámica de si3n4 es una de las principales formas de mejorar la tenacidad y estabilidad de la fractura. estudios anteriores han demostrado que el efecto de endurecimiento de los bigotes no solo depende del grado de dispersión de los bigotes, el tamaño de los bigotes y la fracción de volumen, sino también de la posición espacial y la orientación de los bigotes.
Los investigadores han estudiado la orientación de los bigotes en compuestos a base de nitruro de silicio de bigotes sic. cuando los bigotes están en la misma dirección y los bigotes están débilmente conectados a la interfaz del sustrato, la resistencia a la fractura en esta dirección tiene un valor máximo. la resistencia y la resistencia a la fractura fueron 1038 mpa y 10.7 mpa m 1/2, respectivamente.
una serie de excelentes propiedades físicas y mecánicas y propiedades químicas de las cerámicas de nitruro de silicio tienen un gran mercado y potencial de aplicación en materiales estructurales de alta temperatura, materiales cerámicos para herramientas, materiales cerámicos resistentes al desgaste y materiales cerámicos resistentes al desgaste. Con la profundización de la investigación del endurecimiento de los bigotes, la aplicación de cerámica de nitruro de silicio en herramientas, cojinetes, motores, materiales de aislamiento, etc. será más perfecta.
F. matriz vitrocerámica compuesta
La adición de sic bigotes a la vitrocerámica no solo preserva las ventajas de la formación de vidrio fácil, sino que también aumenta la resistencia y la resistencia del material en más de dos veces.
por ejemplo, los compuestos de vidrio y cerámica bioactivos endurecidos y reforzados sic tienen una resistencia de 4,3 mpa · m 1/2, una fuerza de hasta 460 mpa y un coeficiente de weibull de hasta 24,7, debido a la no toxicidad de sic El bigote y la bioactividad de las cerámicas de bioglass. El material tiene una expectativa de vida de más de 50 años bajo la tensión equivalente a la resistencia a la flexión del cuerpo humano, y es el material de cerámica biológica con la mayor expectativa de vida. Puede usarse para preparar dientes artificiales y materiales de reparación de huesos y huesos como huesos y articulaciones. Material de andamiaje de ingeniería de tejidos.
3. Compuesto de polímero endurecido de bigotes sic
Como agente endurecedor y reforzante para materiales poliméricos, el bigote sic no aumenta la viscosidad del fundido, sino que también mejora significativamente la tenacidad y el alargamiento del material. Puede utilizarse para preparar piezas con formas complejas, alta precisión y alto acabado superficial.
los estudios han demostrado que la adición de whisky sic con una fracción de masa del 5% en pvc puede aumentar la resistencia del material en un 50% y la elongación en más de cuatro veces. por lo tanto, sic whisker está compuesto de polímeros como el pvc para producir materiales compuestos con excelentes propiedades, tales como: palas de tanques de aceite de motores a reacción, hélices para helicópteros, aviones y componentes automotrices.
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