Зі швидким розвитком сучасних промислових технологій технологія формування керамічних матричних композитів стала ключовою сферою глобального наукового інтересу. Серед численних композитів з керамічною матрицею карбід кремнію (SiC) привертає постійну увагу протягом останніх десятиліть завдяки своїм відмінним механічним властивостям, низькій щільності, стійкості до корозії, сильному опору окисленню, хорошій хімічній і термічній стабільності, а також видатним показникам тертя і зношування, що робить його дуже перспективним новим матеріалом. Його сценарії застосування охоплюють високо-потужні мікрохвильові пристрої в комерційних і військових системах, електронні пристрої, такі як світлодіоди та MOSFET, оптичні пристрої в автомобільній та аерокосмічній галузях, мікро-електромеханічні системи (MEMS) датчики для суворих умов, газові та хімічні датчики для двигунів внутрішнього згоряння та печей, а також фотоелектричні датчики в оптоелектроніці, демонструючи широке застосування перспективи.
Si-SiC композити
Композитні матеріали Si-SiC в основному отримують шляхом реакційного спікання: порошок SiC і порошок графіту змішують у певному співвідношенні та пресують у сире тіло, а потім просочують розплавленим або газоподібним кремнієм за температури вище 1410 градусів у вакуумі, дозволяючи Si реагувати з графітом, зрештою утворюючи щільний керамічний композит на основі SiC-. Цей матеріал не тільки успадковує чудові характеристики самого SiC, але також пропонує такі переваги, як низька щільність, висока механічна міцність, відмінна теплопровідність і надзвичайно низький коефіцієнт теплового розширення, а також проста обробка, низька температура спікання, контрольована вартість і гнучкість для поєднання з іншими процесами формування. Як результат, він відіграє ключову роль у багатьох сферах.
Однак низька в’язкість до руйнування є критичною слабкістю композитів із -реакційним зв’язком Si-SiC, що суттєво обмежує їх застосування у складніших сценаріях. Щоб усунути цей недолік, поточні дослідження в основному використовують два підходи до оптимізації: один полягає у зменшенні вмісту вільного кремнію всередині матеріалу шляхом вдосконалення процесу, покращення механічних властивостей з точки зору контролю складу; інший полягає у введенні зміцнювальної фази в систему матеріалів, покращення в’язкості до руйнування за допомогою структурної оптимізації, тим самим закладаючи основу для подальшого просування Si-SiC композитів.
SiC-SiCf композити
SiC-SiCf композити є найкращими серед SiC-керамічних композитів, поєднуючи високу-температурну стійкість, високу питому міцність і високий питомий модуль, демонструючи псевдопластичну поведінку, подібну до металів, і низьку чутливість до надрізів. Вони поступово стали переважним матеріалом для ключових компонентів гарячої-секції аеро-двигунів і теплових структурних компонентів надзвукових літальних апаратів, займаючи незамінну позицію в -обладнанні високого класу, наприклад аерокосмічному. Ці композити мають складну багатомасштабну ієрархічну структуру, яка породжує різні механізми руйнування на різних конкретних масштабах, а також крос-характеристики поєднаних відмов, створюючи як проблеми, так і можливості для точного контролю ефективності.
Завдяки-поглибленим дослідженням вчені успішно встановили, з точки зору макроскопічної механіки, взаємозв’язок між властивостями внутрішніх складових (такими як волокна, матриця та інтерфейс) і механічною поведінкою композитів SiC-SiCf, надаючи теоретичну підтримку для оптимізації характеристик матеріалу. З точки зору методів підготовки, сучасні основні методи включають інфільтрацію прекурсорами та піроліз (PIP), хімічну інфільтрацію з парової фази (CVI)/хімічне осадження з парової фази (CVD), реактивну інфільтрацію розплаву (RMI), гаряче пресування (HP) тощо. Серед них CVI та PIP є традиційними та найбільш широко використовуваними методами. CVI досягає ущільнення шляхом розкладання, поліконденсації та осадження вихідних газоподібних сполук при високій температурі всередині пористого середовища, що включає такі ключові етапи, як дифузія газу, адсорбція, поверхнева реакція та десорбція газу; в той час як PIP більш вміло заповнює великі пори всередині матеріалу.
У реальному виробництві, враховуючи обмеження одного процесу, часто використовується комбінований процес CVI/PIP. Ця комбінація поєднує переваги безперервного газо-фазного осадження CVI з високою ефективністю рідкої-фазної інфільтрації PIP, уможливлюючи швидке ущільнення SiC-SiCf композитів, ефективно покращуючи ефективність виробництва та якість матеріалів, таким чином забезпечуючи технічну підтримку для їх широкомасштабного-застосування у високо-сферах.
Резюме
Таким чином, кераміка з карбіду кремнію та її два основні типи композитів, кожен з яких має унікальні переваги в роботі, демонструють високу цінність застосування в багатьох ключових сферах сучасної промисловості. Завдяки безперервній оптимізації процесів підготовки та поглибленню досліджень ефективності ці матеріали відіграватимуть важливу роль у -сценаріях високого класу, сприяючи технологічній модернізації та розвитку у суміжних галузях.