Carbura de siliciu este un compus covalent cu legături puternice Si-C și o structură asemănătoare diamantului, existent în mai multe politipuri. Legătura sa covalentă puternică conferă SiC o structură cristalină stabilă, stabilitate chimică, duritate extrem de ridicată, rezistență la coroziune și stabilitate termochimică.
Armarea compozitelor cu carbură de siliciu poate fi clasificată în trei tipuri în funcție de natura fizică a armăturii: particule de carbură de siliciu (SiCₚ), carbură de siliciu (SiCw) și fibre de carbură de siliciu (SiCf). Printre acestea, mustații de carbură de siliciu sunt materiale cristaline cu fibre scurte-înalt anizotrope la scară nano- până la micrometrică, cu o singură-structură cristalină, un anumit raport de aspect (5–1000 μm) și o zonă de-secțiune transversală (<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 de grade), rezistență la uzură și rezistență la coroziune. Conțin foarte puține defecte interne, cu atomi foarte ordonați, iar puterea și modulul lor se apropie de valorile teoretice ale cristalelor perfecte, câștigându-le titlul de „rege al mustaților”. Aceste proprietăți excelente fac din carbură de siliciu armături ideale pentru compozitele cu matrice-matrice metalică,-ceramică și cu matrice-polimerică și sunt acum utilizate pe scară largă în mașini, electronice, produse chimice, energie, aerospațială, protecția mediului și multe alte domenii.
Metode de preparare a mustaților de carbură de siliciu
În prezent, metodele de preparare pentru mustații cu carbură de siliciu includ în principal reacții în fază-de vapori, reacții în fază-lichidă și reacții în fază-solidă. Printre acestea, metodele în fază-de vapori includ depunerea chimică în vapori și evaporarea termică; metodele în fază lichidă includ metoda sol-gel; și metodele în fază-solidă includ reducerea carbotermală și încălzirea cu microunde.
Depunerea chimică în vapori (CVD)
CVD este cel mai utilizat proces în fază de vapori{0}}. Mai întâi, un substrat (de exemplu, grafit, ceramică, etc.) este plasat într-un cuptor de reacție și acoperit uniform cu un catalizator pe suprafața sa. Apoi, sursele de siliciu, sursele de carbon și un gaz purtător (de exemplu, hidrogen) sunt introduse în cuptor și sunt ajustați parametri precum temperatura, presiunea și debitul de gaz. La temperatură ridicată, reactanții gazoși suferă reacții chimice sub acțiunea catalizatorului, iar pe suprafața substratului cresc treptat mustăți de carbură de siliciu. După reacție, cuptorul este răcit și substratul este îndepărtat pentru a obține proba cu mustăți SiC crescute.
În comparație cu alte metode, mustații de SiC produse de CVD au puritate și randament ridicate, cristalinitate bună, puține defecte, iar procesul de reacție este ușor de controlat. Echipamentul este simplu, operarea este convenabilă, iar temperatura de reacție este relativ scăzută. Cu toate acestea, echipamentele CVD sunt costisitoare, sunt necesare materii prime gazoase de puritate ridicată și gaze purtătoare, iar reacția poate crește doar mustăți pe o suprafață limitată a substratului, ceea ce duce la o eficiență scăzută a producției și o producție limitată, ceea ce face dificilă producția continuă la scară largă-. Acești factori mențin costul de pregătire ridicat și limitează aplicația industrială la scară largă-.
Metoda de evaporare termică
Procesul principal al metodei de evaporare termică pentru prepararea mustaților de SiC este următorul: în primul rând, o sursă de siliciu (de exemplu, plachete de siliciu, siliciuri de aliaj sau pulbere de siliciu) și un substrat de sursă de carbon (de exemplu, fibre de carbon sau foi de grafit) sunt plasate împreună într-un creuzet de grafit la temperatură -înaltă. Într-o atmosferă de hidrogen cu temperatură înaltă-, sursa de siliciu este încălzită și topită pentru a forma vapori de siliciu, care sunt transportați de gazul purtător către substratul sursei de carbon la capătul de temperatură joasă-. Atomii de carbon și de siliciu reacționează chimic la locurile active de pe substrat, cristalizând într-o orientare cristalografică specifică și, în cele din urmă, o matrice de-siC mustață unidimensională crește pe substrat printr-un mecanism de creștere-nucleației. Gradientul de temperatură în acest proces este deosebit de critic: capătul de temperatură-înaltă asigură o evaporare suficientă a materiilor prime, în timp ce capătul de temperatură-joasă asigură un mediu suprasaturat adecvat pentru creșterea mustaților. Controlul nivelului de vid și al compoziției atmosferei afectează în mod direct eficiența transportului și calea de reacție a vaporilor.
Această metodă prezintă avantaje unice în pregătirea controlabilă a mustaților de SiC. Revoluția sa constă în eliminarea surselor complexe de gaze organice și a catalizatorilor de metale prețioase, simplificarea traseului fazei de vapori-, reducerea costurilor echipamentelor și a complexității procesului și evitarea contaminării cu impurități de la reziduurile de catalizator, asigurând astfel produse de-puritate ridicată. Prin controlul sinergic al parametrilor cheie, cum ar fi temperatura și presiunea, se poate realiza un design precis al diametrului mustaților, al raportului de aspect și al structurii suprafeței. Cu toate acestea, industrializarea acestei tehnologii se confruntă încă cu blocaje. Condițiile de reacție la-înaltă temperatură duc la un consum mare de energie și ridică provocări severe pentru durabilitatea cuptorului de reacție, limitând direct viabilitatea economică a acestuia pentru producția la scară largă-.
Metoda-Gelului Sol
În metoda sol-gel, precursorii care conțin siliciu- și carbon-(de exemplu, organosilani, rășini fenolice, zaharoză etc.) sunt dispersați într-un solvent în fază lichidă. Prin reacțiile de hidroliză și condensare se formează un sol, care apoi se gelifică. După uscare și calcinare, se obțin materiale cu carbură de siliciu. În prezent, metoda sol-gel se limitează în mare parte la cercetarea de laborator pentru prepararea de probe de înaltă-performanță, în loturi mici-și este dificil să se realizeze o producție continuă la scară mare-.
Metoda de reducere carbotermală
Metoda de reducere carbotermală este o cale importantă și economică pentru producția industrială a mustaților de SiC. Principiul său este de a utiliza materiale carbonice (de exemplu, negru de fum, grafit etc.) pentru a reduce o sursă de siliciu (de obicei SiO₂, din nisip de cuarț, cenușă de coajă de orez etc.) într-o atmosferă inertă la temperatură înaltă, generând SiO și CO gazos. care se depun si cresc in mustati.
Principalele avantaje ale metodei de reducere carbotermală sunt disponibilitatea sa largă de materii prime, cerințele simple ale echipamentelor, temperatura de sinteză relativ scăzută și ușurința producției de lot. Mustații SiC rezultate pot avea raporturi de aspect care depășesc 100:1 și, atunci când sunt adăugate ca armături la compozite, îmbunătățesc semnificativ rezistența mecanică și rezistența la uzură, arătând o valoare de aplicare de neînlocuit în componentele structurale cu temperatură înaltă-. Cu toate acestea, această metodă are și limitări. Deoarece generează mai întâi o fază de vapori la temperatură ridicată și apoi produce mustăți in situ prin reacții de-fază de vapori, controlul precis al procesului de reacție la-înaltă temperatură este o provocare. Fluctuațiile concentrației de vapori pot afecta semnificativ morfologia mustaților, ceea ce face dificilă controlul precis al diametrului, lungimii și uniformității. Produsul conține adesea SiO₂ nereacționat sau incluziuni de carbon, care afectează puritatea și performanța, necesitând un post-tratament. În plus, mustații de SiC produse prin această metodă conțin de obicei particule de SiC, iar separarea eficientă a mustaților de particule rămâne o problemă de rezolvat.
Metoda de încălzire cu microunde
Metoda de încălzire cu microunde a devenit un punct fierbinte de cercetare datorită ratei sale rapide de încălzire, consumului redus de energie și temperaturii de sinteză mai scăzute. Fiind o tehnologie emergentă pentru prepararea mustaților de SiC, încălzirea cu microunde folosește energia cu microunde ca sursă de încălzire, permițând materialelor să se încălzească prin propria pierdere dielectrică și să finalizeze reacțiile chimice dorite. Frecvența microundelor folosită în mod obișnuit este de 2,45 GHz. În comparație cu cuptoarele tradiționale, încălzirea cu microunde permite încălzirea simultană atât a suprafeței, cât și a interiorului materialului, ceea ce este mai benefic pentru îmbunătățirea proprietăților materialului. Procesul trece secvenţial prin acumularea de căldură, formarea mustaţilor şi optimizarea morfologiei mustaţilor, cu temperaturi diferite ducând la diferite forme de mustăţi SiC.
Încălzirea cu microunde oferă avantaje precum eficiența ridicată a încălzirii și utilizarea energiei, economii de energie, economii de timp și respectarea mediului. Cu toate acestea, echipamentele cu microunde la-înaltă temperatură sunt complexe din punct de vedere tehnic și mult mai scumpe decât echipamentele tradiționale de încălzire. Distribuția ne-uniformă a câmpului cu microunde și absorbția puternică la microunde a SiC generat local pot cauza „puncte fierbinți” locale și riscuri de evadare termică, afectând uniformitatea creșterii mustaților și a altor procese. Depășirea acestor provocări de control al echipamentelor și proceselor va fi cheia pentru realizarea unei aplicări mai largi a tehnologiei de încălzire cu microunde în domeniul preparării mustaților de SiC.