无机晶(jing)(jing)(jing)须(xu)(xu)是(shi)一(yi)种由高(gao)纯度(du)单(dan)晶(jing)(jing)(jing)生长而成的微纳(na)米级的短纤维,其力学强度(du)相当于原子间(jian)力产生的强度(du),并且无机晶(jing)(jing)(jing)须(xu)(xu)的截面十(shi)分完整、结构缺陷较少、长径比(bi)范围较大,因此在应用于高(gao)分子材(cai)料(liao)、复(fu)合(he)材(cai)料(liao)等材(cai)料(liao)的改性过程中,能(neng)极大地(di)改善(shan)材料的理化性质(zhi)和力学性能。
能够制(zhi)成晶须的(de)无机材(cai)料很(hen)多(duo),碳化(hua)硅就是代表(biao)之一。作为一种(zhong)共价键极强的材料(liao),碳化硅陶瓷(ci)具有(you)高(gao)强(qiang)度、高(gao)导热、高(gao)导电(dian)、高(gao)硬度、抗蠕(ru)变(bian)、耐磨、耐腐蚀、抗氧化以及(ji)热稳定(ding)性等优良的(de)综合(he)性能。当其(qi)以晶须(xu)形态存在时,有α型(xing)(xing)和β型(xing)(xing)两种晶(jing)型(xing)(xing),其中β型(xing)(xing)碳化(hua)硅晶(jing)须是当前已(yi)知(zhi)的晶(jing)须中具有(you)最高硬(ying)度(du)、最大模量(liang)、最大抗拉伸强(qiang)度(du)和最强(qiang)耐热性(xing)的产(chan)品,具(ju)有很高的性价(jia)比,而且容(rong)易与材(cai)料进行复合,因而国际社会(hui)对碳化硅(gui)晶须展开了广泛的研究。
α型和β型的碳化(hua)硅晶(jing)须性能对比
一(yi)、碳化硅(gui)晶(jing)须的应用
作为一种高效的补强(qiang)材料(liao),碳化硅晶须能通过裂(lie)纹(wen)偏(pian)转(zhuan)、断晶作用、晶须拔出效应和裂(lie)纹(wen)桥联作用阻止微(wei)裂(lie)纹(wen)的进一步(bu)扩展(zhan),强(qiang)化增韧(ren)复合(he)材料(liao),目前(qian)主(zhu)要被用于金属基、树脂(zhi)基、陶瓷基等(deng)复合(he)材料(liao)上(shang)。
增强金属基复合(he)材料
目前(qian)金属基复(fu)合材料(liao)MMC中基(ji)体(ti)材料比(bi)较常见的(de)主(zhu)要有以下几种:①密度(du)小,比(bi)强(qiang)度(du)高(gao)(gao)的(de)Al、Mg金(jin)(jin)属基(ji)体(ti);②高(gao)(gao)熔点、结构稳定、高(gao)(gao)温性能(neng)优良的(de)Ti金(jin)(jin)属基(ji)体(ti);③耐(nai)高(gao)(gao)温,高(gao)(gao)磁导(dao)率,低(di)矫顽(wan)力的(de)Fe、Ni金(jin)(jin)属基(ji)体(ti);④导(dao)电、导(dao)热,抗腐烛能(neng)力的(de)Cu、Ag、Au金(jin)(jin)属基(ji)体(ti)。
其中,SiCW/Cu复(fu)合材料抗拉(la)强度高(gao),综合性能良好;SiCW/Al基复合材料(liao)与传统(tong)的金属材料(liao)相(xiang)比(bi),具有更高的比(bi)刚(gang)度(du)、比(bi)强度(du)、轴向拉伸(shen)强度(du)、耐磨损(sun)性能,更低热膨胀系数(shu);MB15材料在加(jia)入SiCW后提高了硬度和时效速(su)度。
增强陶瓷(ci)基复合材料
陶瓷材料(liao)由于具有耐(nai)腐(fu)蚀、耐(nai)磨损、耐(nai)高(gao)(gao)(gao)温(wen),以及优良的(de)高(gao)(gao)(gao)温(wen)力学(xue)性(xing)(xing)(xing)能而(er)被广泛应用(yong)于各行各业,然而(er)陶瓷材料(liao)的(de)最大缺点是脆性(xing)(xing)(xing)大、易断裂,因此阻碍了它们在应用(yong)上的(de)发展。为了增高(gao)(gao)(gao)陶瓷材料(liao)的(de)强度,改善其脆性(xing)(xing)(xing),提高(gao)(gao)(gao)可靠性(xing)(xing)(xing),通(tong)过(guo)晶须增韧陶瓷(ci)基复合材料是目(mu)前最有效的解决方(fang)法之一(yi)。
碳(tan)化硅晶须(xu)(xu)增强陶瓷(ci)基复合材料(liao)的制备方法较多,主要包括:热压(ya)烧(shao)结(jie)法、热等静压(ya)烧(shao)结(jie)法、无压(ya)烧(shao)结(jie)法、化学气相渗透(tou)法、放电等离(li)子烧(shao)结(jie)法。同时,碳(tan)化硅晶须(xu)(xu)增强陶瓷(ci)基复合材料(liao)已应用于多种陶瓷(ci)基复合材料(liao),如SiCW增韧Al2O3/Ti3SiC2复(fu)合材料可提高其断(duan)裂韧性和抗弯强度;增韧ZrB2材料可提高其弯曲强度和(he)断裂(lie)韧性;增(zeng)韧Ti(C,N)基(ji)金属(shu)陶瓷复合材料时可提高其各项力学性能。
增强树脂基复合(he)材(cai)料(liao)
高性(xing)(xing)能树(shu)脂(zhi)(zhi)基复合材料(liao)由于具(ju)有(you)较高的比(bi)模(mo)量、比(bi)强度(du)、抗疲劳性(xing)(xing)、抗振性(xing)(xing)、耐(nai)(nai)腐蚀性(xing)(xing)、低热膨胀系数(shu)以及低密(mi)度(du),在国民行业中(zhong)应用(yong)越(yue)来越(yue)广(guang)泛。不过对于航空航天领域来说,虽然高性(xing)(xing)能树(shu)脂(zhi)(zhi)基复合材料(liao)可减轻很多(duo)零部件(jian)的质量,但(dan)要作为主要承力部件(jian),高性(xing)(xing)能树(shu)脂(zhi)(zhi)材料(liao)需具(ju)备(bei)耐(nai)(nai)高温、更高的强度(du)、高透波(bo)性(xing)(xing)、吸波(bo)性(xing)(xing)、隐身(shen)性(xing)(xing)等性(xing)(xing)能,因此采用(yong)碳化(hua)硅晶须增韧树(shu)脂(zhi)(zhi)基复合材料(liao)成为了新的研究热点(dian)。
郭卫(wei)卫(wei)研究采用(yong)光固化(hua)快(kuai)速成型技术制(zhi)备碳化(hua)硅晶须增强紫外光固化(hua)用(yong)树脂基复(fu)合材料(liao),以(yi)偶联剂KH550对(dui)(dui)晶(jing)须进行表面处理(li),研究晶(jing)须的添(tian)加(jia)(jia)对(dui)(dui)材料(liao)(liao)光固化速度以(yi)及对(dui)(dui)制备(bei)工艺、材料(liao)(liao)力学性(xing)能的影响。试(shi)验得出(chu),加(jia)(jia)入碳(tan)化硅(gui)晶(jing)须可大幅度减慢光固化速度并改(gai)善复合材料(liao)(liao)力学性(xing)能吗,而(er)且对(dui)(dui)光固化工艺几(ji)乎(hu)无(wu)影响。
目(mu)前,使用碳化(hua)硅晶须增强、增韧的先(xian)进(jin)复合(he)材料已(yi)广泛用于航空航天、国(guo)防军工和(he)民用等众(zhong)多工业领域,如:①航空航天用轴承、燃料系统阀门、燃烧器(qi)电池、高性能雷(lei)达(da)天线和红外(wai)线整流罩、直(zhi)升机(ji)和喷(pen)气飞机(ji)零(ling)(ling)件等;②汽车用燃烧喷(pen)射器(qi),低热(re)排泄(xie)内燃机(ji)以(yi)及其他热(re)机(ji)零(ling)(ling)件等;③化工、能源领(ling)域中(zhong)(zhong)汽油重整裂化器(qi),机(ji)械用封盖喷(pen)嘴等;④电子行业中(zhong)(zhong)多(duo)层电容(rong)器(qi),压力和气体(ti)传感器(qi)等;⑤生物陶瓷领(ling)域中(zhong)(zhong)人造(zao)牙齿,骨头,关节等。
二、总结(jie)
凭借各项优良的综合性能,碳化硅(gui)晶须享有(you)“晶须之(zhi)王”的(de)美誉,备受国内(nei)外科研工作者的(de)关注。据悉美国和(he)日本很早便(bian)投(tou)入到了碳化硅晶(jing)须(xu)的(de)研究(jiu)和工业化生产(chan)中,并获得了显著的(de)社会效益,我国(guo)(guo)在这方(fang)面起步较(jiao)晚但进展迅速,提高碳化硅晶须及(ji)其它晶须的(de)研究层次,有利于(yu)提升我国(guo)(guo)复合材料的(de)研究水平(ping),对提高我国(guo)(guo)在国(guo)(guo)际(ji)社(she)会中的(de)军事竞争力具有重(zhong)大(da)帮助。
目前碳化硅晶(jing)须在增韧复(fu)合材料(liao)方面(mian),关注度较高、应用更(geng)为广(guang)泛(fan)的碳化(hua)硅晶(jing)须增强金属(shu)基(ji)(ji)和陶瓷基(ji)(ji)复合材料,对树脂基(ji)(ji)复合材料的(de)研(yan)究工(gong)作相对较(jiao)少,因此为能充(chong)分发(fa)挥晶须在树脂基中(zhong)的作(zuo)用,还应对晶须的表面改性进行系统深入研(yan)究(jiu)。
资料来源:
无机晶须(xu)的制(zhi)备(bei)及应(ying)用进(jin)展,杜炜,艾超前,马雪东(dong),杜毅帆,王伟。
碳化硅晶须增(zeng)韧复合(he)材料的(de)研究现(xian)状,王(wang)阳阳,贾(jia)晨,贾先,杨建锋(feng)。
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