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碳化硅晶须在复合材料中的作用
日期:2022-06-10    浏览次数:
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无机(ji)晶须是一种由高纯度单晶生长而成(cheng)的(de)微纳米级的(de)短(duan)纤维(wei),其力学强(qiang)度相当于原子(zi)间(jian)力产(chan)生的(de)强(qiang)度,并且无机(ji)晶须的(de)截(jie)面十(shi)分(fen)完整(zheng)、结构(gou)缺陷较(jiao)(jiao)少(shao)、长径(jing)比范围较(jiao)(jiao)大(da),因此在(zai)应用(yong)于高分(fen)子(zi)材料、复(fu)合材料等材料的(de)改性(xing)过程(cheng)中,极大地改善材料(liao)的理化(hua)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。作为一种共价(jia)键极强的材料,碳化硅陶瓷(ci)具有高(gao)强度、高(gao)导热(re)、高(gao)导电、高(gao)硬度、抗蠕变、耐(nai)磨、耐(nai)腐(fu)蚀、抗氧化以及热(re)稳定性(xing)等优良(liang)的综合性(xing)能(neng)。当其以晶须形态存(cun)在时,有α型和β型两(liang)种(zhong)晶型,其(qi)中(zhong)β型碳化硅晶须是(shi)当前已知的(de)晶须中(zhong)具有最(zui)(zui)高硬度、最(zui)(zui)大(da)模量、最(zui)(zui)大(da)抗拉(la)伸(shen)强度和最(zui)(zui)强耐热性的产(chan)品(pin),具(ju)有(you)很(hen)高的性价(jia)比(bi),而且(qie)容(rong)易与材料进行复合(he),因(yin)而国际社会对碳化(hua)硅晶(jing)须展开(kai)了广泛的研究。

α型和β型的碳化硅晶须性能对比(bi)

碳化硅晶须在复合材料中的作用


一、碳(tan)化硅(gui)晶须的应(ying)用

作为一(yi)(yi)种高效(xiao)的补强(qiang)材(cai)料(liao),碳化硅晶(jing)须能通过裂纹(wen)偏转、断(duan)晶(jing)作用(yong)、晶(jing)须拔出效(xiao)应和(he)裂纹(wen)桥联作用(yong)阻止微(wei)裂纹(wen)的进一(yi)(yi)步扩展,强(qiang)化增韧复合(he)材(cai)料(liao),目前主要(yao)被用(yong)于金属基(ji)(ji)、树脂基(ji)(ji)、陶瓷基(ji)(ji)等复合(he)材(cai)料(liao)上。

碳化硅晶须在复合材料中的作用

增(zeng)强(qiang)金属(shu)基复合材料(liao)

目前金属基复合材料MMC中基(ji)体(ti)(ti)材料比较常见(jian)的主要(yao)有以下(xia)几种(zhong):①密度小,比强度高(gao)的Al、Mg金属(shu)(shu)基(ji)体(ti)(ti);②高(gao)熔点、结构稳(wen)定、高(gao)温(wen)性能优良的Ti金属(shu)(shu)基(ji)体(ti)(ti);③耐高(gao)温(wen),高(gao)磁(ci)导率,低矫顽力的Fe、Ni金属(shu)(shu)基(ji)体(ti)(ti);④导电、导热,抗腐烛能力的Cu、Ag、Au金属(shu)(shu)基(ji)体(ti)(ti)。

其中(zhong),SiCW/Cu复合(he)材料抗拉强度高,综合性能良好SiCW/Al基复合材料(liao)与传(chuan)统(tong)的(de)(de)金属材料(liao)相比(bi)(bi),具有(you)更高(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)刚度、比(bi)(bi)强(qiang)度、轴向拉(la)伸强(qiang)度、耐磨损性能,更低(di)热膨胀系数MB15材料在加入SiCW后提高了硬(ying)度和时效速度。

增强陶瓷基(ji)复合材料

陶瓷材(cai)料(liao)由于(yu)具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温(wen),以及优良的高温(wen)力学性能而(er)(er)被广泛应(ying)用(yong)于(yu)各行(xing)各业,然而(er)(er)陶瓷材(cai)料(liao)的最大(da)缺(que)点是(shi)脆性大(da)、易断裂,因此(ci)阻碍了(le)它们在应(ying)用(yong)上的发展。为了(le)增(zeng)高陶瓷材(cai)料(liao)的强度,改(gai)善其脆性,提高可靠性,通过(guo)晶须增韧陶瓷基(ji)复合材料是目前(qian)最有效的解决方法之一(yi)。

碳(tan)(tan)化硅晶(jing)(jing)须(xu)增强陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)复合材(cai)料的制(zhi)备方法(fa)较多,主要包括:热压(ya)烧(shao)(shao)结法(fa)、热等静压(ya)烧(shao)(shao)结法(fa)、无(wu)压(ya)烧(shao)(shao)结法(fa)、化学气相渗透法(fa)、放电等离(li)子烧(shao)(shao)结法(fa)。同时,碳(tan)(tan)化硅晶(jing)(jing)须(xu)增强陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)复合材(cai)料已应(ying)用于多种(zhong)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)复合材(cai)料,如SiCW增(zeng)韧Al2O3/Ti3SiC2复合(he)材料可提高其断裂韧(ren)(ren)性和抗弯强度(du);增韧(ren)(ren)ZrB2材(cai)料可(ke)提(ti)高(gao)其弯曲(qu)强度和断裂(lie)韧性(xing);增韧Ti(C,N)基(ji)金(jin)属陶(tao)瓷复(fu)合(he)材(cai)料时可提高其(qi)各项(xiang)力(li)学性(xing)能。

增(zeng)强树脂基复合材料

高(gao)(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)树(shu)(shu)脂(zhi)基复合材(cai)(cai)料由于具(ju)(ju)有较高(gao)(gao)的比(bi)模量(liang)、比(bi)强度、抗疲劳(lao)性(xing)(xing)、抗振性(xing)(xing)、耐腐蚀性(xing)(xing)、低热膨胀(zhang)系数(shu)以及低密(mi)度,在(zai)国民行业(ye)中应(ying)用(yong)越来(lai)越广泛。不过对于航空航天领域来(lai)说,虽(sui)然高(gao)(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)树(shu)(shu)脂(zhi)基复合材(cai)(cai)料可减(jian)轻很多(duo)零部件的质(zhi)量(liang),但要作为主要承力(li)部件,高(gao)(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)树(shu)(shu)脂(zhi)材(cai)(cai)料需具(ju)(ju)备耐高(gao)(gao)温(wen)、更(geng)高(gao)(gao)的强度、高(gao)(gao)透波性(xing)(xing)、吸波性(xing)(xing)、隐(yin)身性(xing)(xing)等性(xing)(xing)能(neng)(neng),因此采用(yong)碳化硅晶须增韧树(shu)(shu)脂(zhi)基复合材(cai)(cai)料成为了新(xin)的研究热点(dian)。

郭卫(wei)卫(wei)研(yan)究(jiu)采(cai)用光固(gu)化(hua)(hua)快速(su)成型(xing)技术制备碳化(hua)(hua)硅晶须增强(qiang)紫外光固(gu)化(hua)(hua)用树(shu)脂(zhi)基复合材料,以偶联剂(ji)KH550对(dui)晶须进(jin)行表面处理,研(yan)究晶须的(de)添加对(dui)材(cai)料光固(gu)化(hua)(hua)速度(du)以及对(dui)制备(bei)工艺(yi)、材(cai)料力学性能(neng)的(de)影响(xiang)。试(shi)验(yan)得出,加入碳化(hua)(hua)硅晶须可大幅度(du)减(jian)慢光固(gu)化(hua)(hua)速度(du)并改(gai)善(shan)复合材(cai)料力学性能(neng)吗,而且对(dui)光固(gu)化(hua)(hua)工艺(yi)几乎无影响(xiang)。

目前,使(shi)用碳(tan)化硅晶须增强、增韧的先(xian)进复合(he)材料(liao)已(yi)广泛用于航空(kong)航天、国防(fang)军工(gong)和(he)民用等众多工(gong)业领域,如:①航(hang)空航(hang)天(tian)用(yong)轴承、燃(ran)(ran)料系统(tong)阀门、燃(ran)(ran)烧(shao)器电池、高性能(neng)雷达(da)天(tian)线和(he)(he)红外线整(zheng)(zheng)流罩、直升(sheng)机和(he)(he)喷(pen)(pen)气(qi)飞机零(ling)件(jian)等;②汽车用(yong)燃(ran)(ran)烧(shao)喷(pen)(pen)射器,低热(re)排泄内燃(ran)(ran)机以及其(qi)他热(re)机零(ling)件(jian)等;③化(hua)工、能(neng)源领(ling)域(yu)中汽油重(zhong)整(zheng)(zheng)裂化(hua)器,机械用(yong)封盖喷(pen)(pen)嘴等;④电子行业中多层电容器,压(ya)力和(he)(he)气(qi)体传感器等;⑤生(sheng)物(wu)陶瓷(ci)领(ling)域(yu)中人(ren)造牙齿,骨头,关节等。

碳化硅晶须在复合材料中的作用

 

二(er)、总结

凭借各项优良的综合性能(neng),碳(tan)化硅(gui)晶须享有晶须之王的(de)美誉,备受(shou)国内外(wai)科研(yan)工(gong)作者(zhe)的(de)关注(zhu)。据悉美(mei)国和(he)日本很早(zao)便投入到(dao)了(le)碳化硅晶须的(de)研究(jiu)和工业(ye)化生(sheng)产(chan)中,并获得了显著的(de)社会效益我国在这方面起步较晚但进展(zhan)迅速(su),提(ti)高碳化硅(gui)晶须及其它晶须的(de)(de)研究(jiu)层次(ci),有(you)利于提(ti)升我国复合材料(liao)的(de)(de)研究(jiu)水平,对提(ti)高我国在国际社会中的(de)(de)军事竞争力具有(you)重大帮助。

目前碳化(hua)硅晶须在增韧复(fu)合材(cai)料方面,关注(zhu)度较高、应用更为广泛的碳化(hua)硅晶须增强(qiang)金属基(ji)(ji)和陶(tao)瓷基(ji)(ji)复(fu)(fu)合(he)材料(liao)(liao),对树脂基(ji)(ji)复(fu)(fu)合(he)材料(liao)(liao)的研(yan)究工(gong)作相对较少(shao),因此(ci)为能充分发挥晶须(xu)在树脂基中(zhong)的(de)(de)作用(yong),还应对晶须(xu)的(de)(de)表面(mian)改性进(jin)行系统深入研究。

 


资料来源:

无(wu)机晶须的制备及应用进展杜炜艾超前马雪东杜毅帆王伟

碳化硅(gui)晶须增韧复合材料的研(yan)究(jiu)现(xian)状王阳阳贾晨贾先杨建锋

 

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