Siliciumcarbide is een covalente verbinding met sterke Si-C-binding en een diamant{0}}achtige structuur, die in meerdere polytypes voorkomt. De sterke covalente binding geeft SiC een stabiele kristalstructuur, chemische stabiliteit, extreem hoge hardheid, corrosieweerstand en thermochemische stabiliteit.
De versterking van composieten door siliciumcarbide kan worden ingedeeld in drie typen, afhankelijk van de fysieke aard van de versterking: siliciumcarbidedeeltjes (SiCₚ), siliciumcarbide-whiskers (SiCw) en siliciumcarbidevezels (SiCf). Hiervan zijn de snorharen van siliciumcarbide zeer anisotrope kristallijne materialen met korte- vezels op de schaal van nano- tot micrometer, met een enkele- kristalstructuur, een bepaalde aspectverhouding (5–1000 μm) en een- dwarsdoorsnedeoppervlak (<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 graden), slijtvastheid en corrosiebestendigheid. Ze bevatten zeer weinig interne defecten, met zeer geordende atomen, en hun sterkte en modulus benaderen de theoretische waarden van perfecte kristallen, wat hen de titel 'koning der snorharen' oplevert. Deze uitstekende eigenschappen maken siliciumcarbide-whiskers tot ideale versterkingen voor metaal-matrix-, keramische-matrix- en polymeer-matrixcomposieten, en ze worden nu veel gebruikt in machines, elektronica, chemicaliën, energie, lucht- en ruimtevaart, milieubescherming en vele andere gebieden.
Bereidingsmethoden van siliciumcarbide-snorharen
Momenteel omvatten de bereidingsmethoden voor snorharen van siliciumcarbide voornamelijk damp-fasereacties, vloeistof-fasereacties en vaste-fasereacties. Tot de damp{4}}fasemethoden behoren onder meer chemische dampafzetting en thermische verdamping; vloeibare-fasemethoden omvatten de sol-gelmethode; en vaste{7}}methoden omvatten carbothermische reductie en microgolfverwarming.
Chemische dampafzetting (CVD)
CVD is het meest gebruikte damp-faseproces. Eerst wordt een substraat (bijvoorbeeld grafiet, keramiek, etc.) in een reactieoven geplaatst en gelijkmatig bedekt met een katalysator op het oppervlak ervan. Vervolgens worden siliciumbronnen, koolstofbronnen en een draaggas (bijvoorbeeld waterstof) in de oven gebracht en worden parameters zoals temperatuur, druk en gasstroomsnelheid aangepast. Bij hoge temperaturen ondergaan de gasvormige reactanten chemische reacties onder invloed van de katalysator, en siliciumcarbide-whiskers groeien geleidelijk op het substraatoppervlak. Na de reactie wordt de oven afgekoeld en wordt het substraat verwijderd om het monster met gegroeide SiC-whiskers te verkrijgen.
Vergeleken met andere methoden hebben de door CVD geproduceerde SiC-whiskers een hoge zuiverheid en opbrengst, goede kristalliniteit, weinig defecten en is het reactieproces gemakkelijk te controleren. De apparatuur is eenvoudig, de bediening is gemakkelijk en de reactietemperatuur is relatief laag. CVD-apparatuur is echter duur, er zijn zeer zuivere gasvormige grondstoffen en dragergassen vereist, en de reactie kan slechts snorharen laten groeien op een beperkt substraatoppervlak, wat resulteert in een lage productie-efficiëntie en een beperkte output, waardoor continue productie op grote schaal- moeilijk wordt. Deze factoren houden de voorbereidingskosten hoog en beperken de grootschalige industriële toepassing ervan.
Thermische verdampingsmethode
Het belangrijkste proces van de thermische verdampingsmethode voor het bereiden van SiC-whiskers is als volgt: eerst worden een siliciumbron (bijv. siliciumwafels, legeringssiliciden of siliciumpoeder) en een koolstofbronsubstraat (bijv. koolstofvezels of grafietplaten) samen geplaatst in een grafietkroes aan het hoge temperatuuruiteinde. Onder een waterstofatmosfeer met hoge- temperatuur wordt de siliciumbron verwarmd en gesmolten om siliciumdamp te vormen, die door het draaggas naar het koolstofbronsubstraat wordt gevoerd bij de lage- temperatuurkant. Koolstof- en siliciumatomen reageren chemisch op actieve plaatsen op het substraat, waarbij ze kristalliseren in een specifieke kristallografische oriëntatie, en uiteindelijk groeit er een een-dimensionale SiC-whiskerarray op het substraat via een nucleatie-groeimechanisme. De temperatuurgradiënt in dit proces is bijzonder kritisch: de hoge-temperatuur zorgt voor voldoende verdamping van de grondstoffen, terwijl de lage-temperatuur een geschikte oververzadigde omgeving biedt voor de groei van snorharen. De controle van het vacuümniveau en de samenstelling van de atmosfeer heeft rechtstreeks invloed op de transportefficiëntie en het reactiepad van de damp.
Deze methode vertoont unieke voordelen bij de controleerbare bereiding van SiC-whiskers. De doorbraak ligt in het elimineren van complexe organische gasbronnen en katalysatoren van edele metalen, het vereenvoudigen van de dampfase-, het verlagen van de apparatuurkosten en de procescomplexiteit, en het vermijden van onzuiverheidsverontreiniging door katalysatorresiduen, waardoor hoog-zuivere producten worden gegarandeerd. Door sleutelparameters zoals temperatuur en druk synergetisch te controleren, kan een nauwkeurig ontwerp van de diameter van de snorharen, de aspectverhouding en de oppervlaktestructuur worden bereikt. De industrialisatie van deze technologie kampt echter nog steeds met knelpunten. De reactieomstandigheden bij hoge- temperaturen leiden tot een hoog energieverbruik en vormen een ernstige uitdaging voor de duurzaamheid van de reactieoven, waardoor de economische levensvatbaarheid voor productie op grote- schaal direct wordt beperkt.
Sol-Gel-methode
Bij de sol-gel-methode worden silicium- en koolstof--bevattende voorlopers (bijvoorbeeld organosilanen, fenolharsen, sucrose, enz.) gedispergeerd in een oplosmiddel in de vloeibare fase. Door hydrolyse- en condensatiereacties wordt een sol gevormd, die vervolgens geleert. Na drogen en calcineren worden siliciumcarbidewhiskermaterialen verkregen. Momenteel is de sol{9}}gel-methode grotendeels beperkt tot laboratoriumonderzoek voor het bereiden van hoogwaardige, kleine- batchmonsters, en het is moeilijk om grootschalige, continue productie- te realiseren.
Carbothermische reductiemethode
De carbothermische reductiemethode is een belangrijke en economische route voor de industriële productie van SiC-whiskers. Het principe ervan is het gebruik van koolstofhoudende materialen (bijvoorbeeld roet, grafiet, etc.) om een siliciumbron (meestal SiO₂, uit kwartszand, rijstschilas, etc.) te reduceren in een inerte atmosfeer met hoge -temperatuur, waarbij gasvormig SiO en CO wordt gegenereerd. Vervolgens diffundeert de SiO-damp in de gasfase en reageert met koolstof op het oppervlak of met CO in de omgeving om SiC-moleculen te vormen, die zich afzetten en uitgroeien tot snorharen.
De belangrijkste voordelen van de carbothermische reductiemethode zijn de ruime beschikbaarheid van grondstoffen, de eenvoudige apparatuurvereisten, de relatief lage synthesetemperatuur en het gemak van batchproductie. De resulterende SiC-whiskers kunnen aspectverhoudingen hebben van meer dan 100:1, en wanneer ze worden toegevoegd als versterkingen aan composieten, verbeteren ze de mechanische sterkte en slijtvastheid aanzienlijk, wat een onvervangbare toepassingswaarde laat zien in structurele componenten bij hoge temperaturen. Deze methode kent echter ook beperkingen. Omdat het eerst een dampfase bij hoge temperatuur genereert en vervolgens in situ snorharen produceert via damp-fasereacties, is nauwkeurige controle van het reactieproces bij hoge- temperatuur een uitdaging. Schommelingen in de dampconcentratie kunnen de morfologie van de snorharen aanzienlijk beïnvloeden, waardoor het moeilijk wordt om de diameter, lengte en uniformiteit nauwkeurig te controleren. Het product bevat vaak niet-gereageerde SiO₂- of koolstofinsluitingen, wat de zuiverheid en prestaties beïnvloedt en nabehandeling vereist. Bovendien bevatten de met deze methode geproduceerde SiC-whiskers gewoonlijk SiC-deeltjes, en een efficiënte scheiding van snorharen en deeltjes blijft een probleem dat moet worden opgelost.
Magnetronverwarmingsmethode
De microgolfverwarmingsmethode is een onderzoekshotspot geworden vanwege de hoge verwarmingssnelheid, het lage energieverbruik en de lagere synthesetemperatuur. Als een opkomende technologie voor het bereiden van SiC-whiskers, gebruikt microgolfverwarming microgolfenergie als verwarmingsbron, waardoor materialen kunnen opwarmen door hun eigen diëlektrische verlies en de gewenste chemische reacties kunnen voltooien. De gewoonlijk gebruikte microgolffrequentie is 2,45 GHz. Vergeleken met traditionele ovens maakt microgolfverwarming gelijktijdige verwarming van zowel het oppervlak als de binnenkant van het materiaal mogelijk, wat gunstiger is voor het verbeteren van de materiaaleigenschappen. Het proces doorloopt achtereenvolgens warmteaccumulatie, snorhaarvorming en optimalisatie van de snorharenmorfologie, waarbij verschillende temperaturen leiden tot verschillende vormen van SiC-whiskers.
Magnetronverwarming biedt voordelen zoals een hoge verwarmingsefficiëntie en energieverbruik, energiebesparing, tijdbesparing en milieuvriendelijkheid. Microgolfapparatuur met hoge temperatuur- is echter technisch complex en veel duurder dan traditionele verwarmingsapparatuur. Niet--uniforme microgolfveldverdeling en de sterke microgolfabsorptie van lokaal gegenereerd SiC kunnen lokale "hotspots" en thermische risico's veroorzaken, waardoor de uniformiteit van de groei van de snorharen en andere processen wordt aangetast. Het overwinnen van deze uitdagingen op het gebied van apparatuur en procesbeheersing zal van cruciaal belang zijn voor het bereiken van een bredere toepassing van microgolfverwarmingstechnologie op het gebied van de bereiding van SiC-whisker.