Silīcija karbīds ir kovalents savienojums ar spēcīgu Si–C saiti un dimantam līdzīgu struktūru, kas pastāv vairākos polistipos. Tā spēcīgā kovalentā saite nodrošina SiC ar stabilu kristāla struktūru, ķīmisko stabilitāti, ārkārtīgi augstu cietību, izturību pret koroziju un termoķīmisko stabilitāti.
Kompozītmateriālu stiegrojumu ar silīcija karbīdu var iedalīt trīs veidos atbilstoši stiegrojuma fiziskajam raksturam: silīcija karbīda daļiņas (SiCₚ), silīcija karbīda ūsas (SiCw) un silīcija karbīda šķiedras (SiCf). Starp tiem silīcija karbīda ūsas ir ļoti anizotropiski īsi-šķiedru kristāliski materiāli nano- līdz mikrometru mērogā, ar vienu-kristāla struktūru, noteiktu malu attiecību (5–1000 μm) un šķērsgriezuma laukumu (-<0.052 mm²). Their structural characteristics determine their outstanding properties, such as high strength (>21 GPa), high elastic modulus (>490 GPa), high melting point (>2900 grādi), nodilumizturība un izturība pret koroziju. Tajos ir ļoti maz iekšēju defektu ar ļoti sakārtotiem atomiem, un to stiprums un modulis tuvojas perfektu kristālu teorētiskajām vērtībām, izpelnoties titulu "ūsu karalis". Šīs lieliskās īpašības padara silīcija karbīda ūsas par ideāliem pastiprinājumiem metāla-matricas, keramikas-matricas un polimēru-matricas kompozītmateriāliem, un tagad tās plaši izmanto mašīnās, elektronikā, ķimikālijās, enerģētikā, aviācijā, vides aizsardzībā un daudzās citās jomās.
Silīcija karbīda ūsu sagatavošanas metodes
Pašlaik silīcija karbīda ūsu sagatavošanas metodes galvenokārt ietver tvaiku{0}}fāzes reakcijas, šķidruma-fāzes reakcijas un cietās{2}fāzes reakcijas. Tostarp tvaiku -fāzes metodes ietver ķīmisko tvaiku pārklāšanu un termisko iztvaikošanu; šķidrās-fāzes metodes ietver sol-gela metodi; un cietās -fāzes metodes ietver karbotermālo reducēšanu un sildīšanu mikroviļņu krāsnī.
Ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD)
CVD ir visplašāk izmantotais tvaika{0}}fāzes process. Pirmkārt, substrāts (piemēram, grafīts, keramika utt.) tiek ievietots reakcijas krāsnī un vienmērīgi pārklāts ar katalizatoru uz tās virsmas. Pēc tam krāsnī tiek ievadīti silīcija avoti, oglekļa avoti un nesējgāze (piemēram, ūdeņradis), un tiek pielāgoti tādi parametri kā temperatūra, spiediens un gāzes plūsmas ātrums. Augstā temperatūrā gāzveida reaģenti katalizatora ietekmē iziet ķīmiskas reakcijas, un uz substrāta virsmas pakāpeniski izaug silīcija karbīda ūsas. Pēc reakcijas krāsni atdzesē un substrātu noņem, lai iegūtu paraugu ar audzētām SiC ūsām.
Salīdzinot ar citām metodēm, CVD ražotajām SiC ūsām ir augsta tīrība un iznākums, laba kristāliskums, maz defektu, un reakcijas procesu ir viegli kontrolēt. Iekārta ir vienkārša, darbība ir ērta, un reakcijas temperatūra ir salīdzinoši zema. Tomēr CVD aprīkojums ir dārgs, ir nepieciešamas augstas-tīrības gāzveida izejvielas un nesējgāzes, un reakcija var radīt ūsas tikai uz ierobežotas substrāta virsmas, kā rezultātā samazinās ražošanas efektivitāte un ierobežota jauda, apgrūtinot lielapjoma nepārtrauktu ražošanu. Šie faktori uztur augstas sagatavošanas izmaksas un ierobežo tā plašā mērogā{5}}pielietojumu rūpniecībā.
Termiskās iztvaikošanas metode
Galvenais termiskās iztvaicēšanas metodes SiC ūsu sagatavošanas process ir šāds: pirmkārt, silīcija avots (piemēram, silīcija vafeles, sakausējuma silicīdi vai silīcija pulveris) un oglekļa avota substrāts (piemēram, oglekļa šķiedras vai grafīta loksnes) tiek ievietoti kopā grafīta tīģelī augstās{4}}temperatūras galā. Augstas -temperatūras ūdeņraža atmosfērā silīcija avots tiek uzkarsēts un izkausēts, veidojot silīcija tvaikus, ko nesējgāze pārnes uz oglekļa avota substrātu zemās -temperatūras galā. Oglekļa un silīcija atomi reaģē ķīmiski substrāta aktīvās vietās, kristalizējoties noteiktā kristalogrāfiskā orientācijā, un galu galā uz substrāta izaug viendimensijas SiC ūsu masīvs, izmantojot kodolēšanas{10}}augšanas mehānismu. Temperatūras gradients šajā procesā ir īpaši svarīgs: augstas temperatūras gala{12}}gals nodrošina pietiekamu izejvielu iztvaikošanu, savukārt zemās temperatūras gals nodrošina piemērotu pārsātinātu vidi ūsu augšanai. Vakuuma līmeņa un atmosfēras sastāva kontrole tieši ietekmē tvaiku transportēšanas efektivitāti un reakcijas ceļu.
Šī metode parāda unikālas priekšrocības kontrolējamā SiC ūsu sagatavošanā. Tās izrāviens ir sarežģītu organisko gāzu avotu un dārgmetālu katalizatoru likvidēšana, tvaika -fāzes maršruta vienkāršošana, iekārtu izmaksu un procesa sarežģītības samazināšana un katalizatora atlieku izvairīšanās no piemaisījumu piesārņojuma, tādējādi nodrošinot augstas-tīrības pakāpes produktus. Sinerģiski kontrolējot galvenos parametrus, piemēram, temperatūru un spiedienu, var sasniegt precīzu ūsu diametra, izmēru attiecības un virsmas struktūras dizainu. Tomēr šīs tehnoloģijas industrializācija joprojām saskaras ar vājajām vietām. Augstas temperatūras reakcijas apstākļi rada lielu enerģijas patēriņu un rada nopietnas problēmas reakcijas krāsns izturībai, tieši ierobežojot tās ekonomisko dzīvotspēju liela mēroga{7}}ražošanai.
Sol-Gēla metode
Sol{0}}gela metodē silīciju- un oglekli- saturošus prekursorus (piem., organosilānus, fenola sveķus, saharozi utt.) izkliedē šķīdinātājā šķidrā fāzē. Hidrolīzes un kondensācijas reakcijās veidojas sols, kas pēc tam saželē. Pēc žāvēšanas un kalcinēšanas tiek iegūti silīcija karbīda ūsu materiāli. Pašlaik sol-gēla metode galvenokārt aprobežojas ar laboratorijas pētījumiem, lai sagatavotu augstas veiktspējas{10}}nelielus{11}}partiju paraugus, un ir grūti panākt liela mēroga{12}}nepārtrauktu ražošanu.
Karbotermālās samazināšanas metode
Karbotermālā reducēšanas metode ir svarīgs un ekonomisks ceļš SiC ūsu rūpnieciskai ražošanai. Tās princips ir izmantot oglekli saturošus materiālus (piem., oglekli, grafītu u.c.), lai reducētu silīcija avotu (parasti SiO₂, no kvarca smiltīm, rīsu mizu pelniem utt.) augstas -temperatūras inertā atmosfērā, radot gāzveida SiO un CO. Pēc tam SiO izkliedējas ar oglekli un tvaikiem uz virsmas gāzē. SiC molekulas, kas nogulsnējas un pāraug ūsās.
Karbotermālās reducēšanas metodes galvenās priekšrocības ir tās plašā izejvielu pieejamība, vienkāršas iekārtas prasības, salīdzinoši zemā sintēzes temperatūra un sērijveida ražošanas vienkāršība. Iegūto SiC ūsu malu attiecība var pārsniegt 100:1, un, pievienojot kompozītmateriāliem kā pastiprinājumus, tās ievērojami uzlabo mehānisko izturību un nodilumizturību, parādot neaizvietojamu pielietojuma vērtību augstas temperatūras strukturālajos komponentos. Tomēr šai metodei ir arī ierobežojumi. Tā kā tas vispirms augstā temperatūrā ģenerē tvaika fāzi un pēc tam tvaiku fāzes reakciju rezultātā in situ rada ūsas, augstas temperatūras reakcijas procesa precīza kontrole ir sarežģīta. Tvaika koncentrācijas svārstības var būtiski ietekmēt ūsu morfoloģiju, apgrūtinot precīzu diametra, garuma un viendabīguma kontroli. Produkts bieži satur nereaģējušu SiO₂ vai oglekļa ieslēgumus, kas ietekmē tīrību un veiktspēju, tādēļ ir nepieciešama pēc{10}}apstrāde. Turklāt ar šo metodi ražotās SiC ūsas parasti satur SiC daļiņas, un joprojām ir jāatrisina efektīva ūsu atdalīšana no daļiņām.
Mikroviļņu sildīšanas metode
Mikroviļņu sildīšanas metode ir kļuvusi par pētniecības karsto punktu, pateicoties tās ātrajam sildīšanas ātrumam, zemam enerģijas patēriņam un zemākai sintēzes temperatūrai. Kā jauna tehnoloģija SiC ūsu sagatavošanai, sildīšana mikroviļņu krāsnī kā sildīšanas avotu izmanto mikroviļņu enerģiju, ļaujot materiāliem uzkarst ar saviem dielektriskajiem zudumiem un pabeigt vēlamās ķīmiskās reakcijas. Parasti izmantotā mikroviļņu frekvence ir 2,45 GHz. Salīdzinot ar tradicionālajām krāsnīm, apkure mikroviļņu krāsnī ļauj vienlaicīgi uzsildīt gan materiāla virsmu, gan iekšpusi, kas ir izdevīgāk materiāla īpašību uzlabošanai. Procesā secīgi notiek siltuma uzkrāšanās, ūsu veidošanās un ūsu morfoloģijas optimizācija, un dažādas temperatūras rada dažādas SiC ūsas.
Mikroviļņu apkure piedāvā tādas priekšrocības kā augsta apkures efektivitāte un enerģijas izmantošana, enerģijas ietaupījums, laika ietaupījums un videi draudzīgums. Tomēr augstas temperatūras{1}}mikroviļņu iekārtas ir tehniski sarežģītas un daudz dārgākas nekā tradicionālās apkures iekārtas. Nevienmērīgs mikroviļņu lauka sadalījums un lokāli ģenerētā SiC spēcīgā mikroviļņu absorbcija var izraisīt lokālus "karsto punktus" un termiskās izplūdes riskus, ietekmējot ūsu augšanas viendabīgumu un citus procesus. Šo iekārtu un procesa kontroles izaicinājumu pārvarēšana būs atslēga, lai panāktu plašāku mikroviļņu apkures tehnoloģijas pielietojumu SiC ūsu sagatavošanas jomā.