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炭化ケイ素炭化ケイ素（ウィスカー）とその関連強化複合材料

  • April 18,2019.
現代の科学技術の急速な発展に伴い、航空宇宙、エネルギーおよび他の分野の分野では、構造材料の性能に対するより高い要求が提示されている。高い靭性、耐摩耗性、耐食性および良好な熱的／化学的安定性を有する新しい複合材料の開発は、材料研究におけるホットスポットの一つとなっている。その中でも、ウィスカー強化複合材料はその優れた特性のために多くの注目を集めています。

シックウィスカーは「キングウィスカー」の評判があり、高強度と高弾性率の利点があります。炭化ケイ素ウィスカーの添加は、複合材料の破壊靭性と曲げ強度を著しく改善しました。優れた強化および強化剤として、シックウィスカー強化金属ベース、セラミックベースおよびポリマーベースの複合材料は、機械、化学、防衛、エネルギー、環境保護および他の分野で広く使用されてきた。

まず、炭化ケイ素ウィスカーの性質

シックウィスカー（sic whisker）は、直径がナノメートルからマイクロメートルの高配向単結晶繊維です。その結晶構造はダイヤモンドのそれと似ています。結晶中には化学的不純物がほとんどなく、粒界もなく、結晶構造の欠陥もほとんどありません。相組成は均一である。それは、高融点、低密度、高強度、高弾性率、低熱膨張率、および耐摩耗性、耐食性、および耐高温酸化性を有する。それは主に高温と高強度の用途が要求される強化用途に使用されます。

以下の表に関連指標を示します。
融点：＞ ２７００℃。
密度：3.21g / cm 3
引張強度：2100kg / cm 2
弾性率：4.9×10 ^ 4kg / cm 2

シックウィスカーは、α型（六方晶および菱面体晶系）とβ型（面心立方晶系）の２つの結晶形を有し、β型はあらゆる点でα型より優れている。現在のところ、工業的規模の生産を達成しているのはβ-sicウィスカーだけなので、研究と使用は主にβ-sicウィスカーです。

第二に、炭化ケイ素ウィスカーの研究と応用

現在のところ、シックウィスカーは金属ベース、セラミックベースおよびポリマーベースの複合材料を強化するために広く使用されてきた。以下は、さまざまな分野のアプリケーションの簡単な紹介です。

1.シックウィスカー強化金属マトリックス複合材料
重大な界面損傷およびウィスカーへの損傷なしに良好な湿潤性を確保することを前提として、現在の製造方法はより成熟したシックウィスカー強化アルミニウムマトリックス複合材料である。ほとんどすべての市販のアルミニウム合金は、ダイカストまたは粉末冶金によってシックウィスカーとうまく配合することができ、実用化されている。

の主要メーカーシックウィスカー強化金属マトリックス複合製品はacmc、三菱電機、そして私たち海軍兵器センターです。製品は、軽量、高強度、耐熱性、低熱膨張係数および良好な脱気という利点を有する。航空機の外板、翼、垂直尾翼、ミサイル、超軽量宇宙望遠鏡などの航空宇宙や軍事分野で使用されます。自動車、機械、その他の部品、スポーツ用品でも使用できます。

2.シックウィスカー強化セラミックマトリックス複合材料
シックウィスカー強化セラミック材料は、主にＡｌ ２ Ｏ ３、ＺｒＯ ２、ムライトセラミックなどである。複合技術が成熟し続けるにつれて、Ｓｉ ３ Ｎ ４、ＺＲＢ ２およびガラスセラミックなどのシックウィスカー強化複合材料が出現した。

a。 Al 2 O 3セラミックマトリックス複合材料
アルミナセラミックは、高融点、高硬度、耐摩耗性および構造安定性という利点を有するが、それらの強度は低い。シックウィスカーによる強化と強化の後、靭性は9mpa・m 1/2以上に達することができ、そして強度は600-900mpaに達することができます。

アルミナの使用をさらに広げるための炭化ケイ素ウィスカーの使用は、摩耗部品、切削工具および内燃機関の特定の部品に適用されてきた。
その中でも、シックウィスカー強化セラミック切削工具材料は、それらの良好な破壊靭性および耐熱衝撃性のために高温合金のような合金を切削するのが困難で優れた性能を有し、工具の耐用年数を延ばし、切削効率ははるかに高い。通常のツールよりも優れており、優れたアプリケーションの可能性があります。

b。 zro 2セラミックマトリックス複合材料
酸化ジルコニウムセラミックは、それらの高い化学的安定性、高い融点、および良好な高温コンダクタンスのために、耐火物、高速イオン伝導体、高温加熱要素などとして広く使用されている。高温での相変態強化メカニズムの失敗のために、その高温での機械的性質はひどく低下します。シックウィスカーの添加は、その弾性率、硬度、高温強度および靭性を増加させることができ、それによってその適用範囲を拡大する。

現在、シックウィスカー強化zro 2セラミックスは、1350℃以上で使用されるガスタービンローター、タービンステータブレード、各種セラミックエンジン部品、セラミック工具、伸線ダイス、ベアリングなどに適用することができます。

c。ムライトセラミックマトリックス複合材料
ムライトセラミックは、均一な膨張、良好な耐熱衝撃性、高硬度および低温クリープ値という利点を有する。それは高品質の耐火材料ですが、その靭性は比較的低く、したがってその実用的な用途に影響を与えます。

中国科学院の上海陶磁器研究所の黄zhengrenは、ムライトを強化するために30 vol％のβ-sicウィスカーを使用しました。 ｓｐｓ焼結条件下では、材料強度は熱圧力５７０ＭＰａより約１０％高く、破壊靭性は４．５ｍＰａｍ １／２である。ムライトが100％以上増加

d。 zrb 2セラミックマトリックス複合材料
zrb 2セラミックは、高融点、高硬度、優れた耐摩耗性および化学的安定性という利点を有する。それらは典型的な超高温セラミックであり、そして冶金産業、電子機器の鋳造および高融点金属に使用することができる。低い靭性のために、それはその適用範囲のさらなる拡大を制限する。 zrb 2マトリックスにシックウィスカーを添加すると、材料の靭性が向上します。

炭化ケイ素ウィスカーを３０％の体積分率で添加すると、材料の靭性は６．３３ｍｐａ・ｍ １／２に達することができ、これは純粋なｚｒｂ ２セラミックの靭性よりも７１％高く、３３％高い。 SiC粒子のそれは強化zrb 2セラミックス。 ％シックウィスカー強化zrb 2セラミックスは、熱防護装置、超音速航空宇宙機の前部、ロケットノズルなどの耐熱部品に使用できます。

e。シックウィスカー強化窒化ケイ素セラミックス
Si3n4セラミックスを強化するシックウィスカーは、その破壊靭性と安定性を向上させるための主な方法の1つです。以前の研究は、ウィスカ強化効果がウィスカ分散度、ウィスカサイズおよび体積分率だけでなく、ウィスカの空間的位置および配向にも依存することを示した。

研究者らは、窒化ケイ素ベースのシックウィスカーの複合材料におけるウィスカー配向を調べた。ウィスカーが同じ方向にあり、ウィスカーが基板界面に弱く結合しているとき、この方向の破壊靭性は最大値を有する。強度および破壊靭性は、それぞれ１０３８ｍｐａおよび１０．７ｍｐａ ｍ １／２であった。

窒化ケイ素セラミックの一連の優れた物理的および機械的性質および化学的性質は、高温構造材料、工具セラミック材料、耐摩耗性セラミック材料および耐摩耗性セラミック材料において大きな市場および用途の可能性を有する。ウィスカー強化研究の深まりとともに、工具、ベアリング、エンジン、絶縁材料などへの窒化ケイ素セラミックスの適用はより完璧になるでしょう。

f。ガラスセラミックマトリックス複合材料
ガラスセラミックへのシックウィスカーの添加は、簡単なガラス成形の利点を維持するだけでなく、材料の強度と靭性を2倍以上も増加させます。

例えば、シックウィスカー強化され強化された生物活性ガラスセラミック複合材料は、シックの非毒性のために、４．３ｍｐａ・ｍ １／２の靭性、４６０ｍｐａまでの強度、および２４．７までのワイブル係数を有する。バイオガラスセラミックのひげと生物活性この材料は、人体の曲げ強度に相当する応力の下で50年以上の平均余命を持ち、最長の平均余命を持つバイオセラミック材料です。それは、人工歯および骨修復材料ならびに骨および関節などの骨を調製するために使用され得る。組織工学足場材料。

3.シックウィスカー強化ポリマーコンポジット
ポリマー材料用の強化剤および強化剤として、シックウィスカーは溶融粘度を増加させないが、材料の靭性および伸びを著しく改善する。それは複雑な形状、高精度および高い表面仕上げを有する部品を製造するために使用することができる。

ポリ塩化ビニル中５％の質量分率のシックウィスカーを添加すると、材料の靭性を５０％、そして伸びを４倍以上増加させることができることが研究により示された。そのため、シックウィスカーをpvcなどのポリマーと配​​合して、ジェットエンジンオイルタンクブレード、ヘリコプタープロペラ、航空機および自動車部品などの優れた特性を持つ複合材料を製造しています。


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