Kísilkarbíð er samgilt efnasamband með sterka Si–C tengingu og -líka byggingu demantur, sem er til í mörgum fjölgerðum. Sterk samgild tenging þess gefur SiC stöðuga kristalbyggingu, efnafræðilegan stöðugleika, afar mikla hörku, tæringarþol og hitaefnafræðilegan stöðugleika.
Hægt er að flokka styrkingu samsettra efna með kísilkarbíði í þrjár gerðir í samræmi við eðlisfræðilegt eðli styrkingarinnar: kísilkarbíð agnir (SiCₚ), kísilkarbíð skál (SiCw) og kísilkarbíð trefjar (SiCf). Þar á meðal eru kísilkarbíðhögg mjög anísótrópísk stutt-trefjakristölluð efni á nanó- til míkrómetra mælikvarða, með stakri-kristalbyggingu, ákveðnu hlutfalli (5–1000 μm) og þversniðsflatarmáli (-).<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 gráður), slitþol og tæringarþol. Þeir innihalda mjög fáa innri galla, með mjög skipulögðum atómum, og styrkur þeirra og stuðull nálgast fræðileg gildi fullkominna kristalla, sem gefur þeim titilinn „konungur whiskers“. Þessir frábæru eiginleikar gera kísilkarbíðhögg að kjörnum styrkingum fyrir málm-grunnefni, keramik-fylki og fjölliða-fylkissamsett efni, og þau eru nú mikið notuð í vélum, rafeindatækni, efnafræði, orku, geimferðum, umhverfisvernd og mörgum öðrum sviðum.
Undirbúningsaðferðir fyrir kísilkarbíð whiskers
Sem stendur innihalda undirbúningsaðferðirnar fyrir kísilkarbíðhögg aðallega gufu-fasahvörf, fljótandi-fasahvörf og fast-fasahvörf. Meðal þeirra eru gufu-fasaaðferðir meðal annars efnagufuútfelling og hitauppgufun; fljótandi-fasaaðferðir innihalda sól-gelaðferðina; og fastfasa-aðferðir fela í sér kolvetnislækkun og örbylgjuofnhitun.
Chemical Vapor Deposition (CVD)
CVD er mest notaða gufu-fasaferlið. Í fyrsta lagi er undirlag (td grafít, keramik osfrv.) sett í viðbragðsofn og jafnt húðað með hvata á yfirborði þess. Síðan eru kísilgjafar, kolefnisgjafar og burðargas (td vetni) sett inn í ofninn og breytur eins og hitastig, þrýstingur og gasflæðishraði eru stilltar. Við háan hita fara loftkenndu hvarfefnin í efnahvörf undir áhrifum hvatans og kísilkarbíðhögg vaxa smám saman á yfirborði undirlagsins. Eftir hvarfið er ofninn kældur og hvarfefnið er fjarlægt til að fá sýnishornið með ræktuðum SiC-þurrkur.
Í samanburði við aðrar aðferðir hafa SiC whiskers framleidd af CVD mikla hreinleika og afrakstur, góða kristalla, fáa galla og auðvelt er að stjórna hvarfferlinu. Búnaðurinn er einfaldur, aðgerðin er þægileg og viðbragðshitastigið er tiltölulega lágt. Hins vegar er CVD búnaður dýr, há-hreint loftkennt hráefni og burðarlofttegundir eru nauðsynlegar, og hvarfið getur aðeins vaxið hárhúð á takmörkuðu yfirborði undirlags, sem leiðir til lítillar framleiðsluhagkvæmni og takmarkaðrar framleiðslu, sem gerir samfellda framleiðslu í stórum-skala erfiða. Þessir þættir halda undirbúningskostnaði háum og takmarka stóra-iðnaðarnotkun hans.
Hitauppgufunaraðferð
Aðalferlið hitauppgufunaraðferðarinnar til að útbúa SiC whiskers er sem hér segir: í fyrsta lagi er kísilgjafi (td kísilskífur, álkísilefni eða kísilduft) og kolefnisuppspretta hvarfefni (td koltrefjar eða grafítplötur) settar saman í grafítdeiglu við háan hita{{4}. Undir háum-vetnislofti er kísilgjafinn hitaður og brætt til að mynda kísilgufu, sem er flutt af burðargasinu til undirlags kolefnisgjafans við lág-hitaenda. Kolefnis- og kísilfrumeindir bregðast við efnafræðilega á virkum stöðum á undirlaginu, kristallast í ákveðinni kristalfræðilegri stefnu, og að lokum vex ein-víddar SiC whisker fylki á undirlaginu í gegnum kjarnamyndun-vaxtarkerfi. Hitastiglinn í þessu ferli er sérstaklega mikilvægur: Há-hitaendinn tryggir nægilega uppgufun hráefnanna, en lág-hitaendinn veitir hentugt yfirmettað umhverfi til vaxtar skárra. Stjórnun á lofttæmisstigi og samsetningu andrúmslofts hefur bein áhrif á flutningsskilvirkni og hvarfleið gufunnar.
Þessi aðferð sýnir einstaka kosti við stjórnanlegan undirbúning SiC-höndla. Bylting þess felst í því að útrýma flóknum lífrænum gasgjöfum og góðmálmhvata, einfalda gufu-fasaleiðina, draga úr kostnaði við búnað og flókið ferli, og forðast óhreinindi mengun frá hvataleifum, þannig að tryggja há-hreinar vörur. Með því að stjórna lykilbreytum eins og hitastigi og þrýstingi á samverkandi hátt er hægt að ná nákvæmri hönnun á þvermál skárhúða, stærðarhlutfalli og yfirborðsbyggingu. Hins vegar stendur iðnvæðing þessarar tækni enn frammi fyrir flöskuhálsum. Viðbragðsskilyrði við háan-hita leiða til mikillar orkunotkunar og valda mikilli áskorun fyrir endingu hvarfofnsins, sem takmarkar beint efnahagslega hagkvæmni hans fyrir stórframleiðslu-.
Sól-hlaupaðferð
Í sól-gelaðferðinni eru forefni sem innihalda sílikon- og kolefni- (td lífræn sílan, fenólkvoða, súkrósa osfrv.) dreift í leysi í vökvafasanum. Við vatnsrof og þéttingarhvörf myndast sól sem síðan gelar. Eftir þurrkun og brennslu fást kísilkarbíðhúðarefni. Sem stendur er sol-gel aðferðin að mestu bundin við rannsóknarstofurannsóknir til að útbúa-afkastamikil, lítil-lotusýni og erfitt er að ná fram samfelldri-stærð.
Carbothermal Reduction Method
Kolhitalækkandi aðferðin er mikilvæg og hagkvæm leið fyrir iðnaðarframleiðslu á SiC-höndum. Meginreglan þess er að nota kolefniskennd efni (td kolsvart, grafít o.s.frv.) til að draga úr kísilgjafa (venjulega SiO₂, úr kvarssandi, hrísgrjónaösku o.s.frv.) í óvirku andrúmslofti við háan-hita, sem myndar loftkennt SiO og CO. Í kjölfarið dreifist SiO gufan með kolefninu í yfirborðsfasanum og hvarfast í kolefnisfasanum í yfirborðsfasann SiC sameindir, sem setja út og vaxa í whiskers.
Helstu kostir kolvetnisminnkunaraðferðarinnar eru mikið framboð á hráefnum, einfaldar kröfur um búnað, tiltölulega lágt myndun hitastigs og auðveld lotuframleiðsla. SiC-höndlin sem myndast geta haft stærðarhlutföll sem fara yfir 100:1, og þegar þeim er bætt við sem styrkingum við samsett efni, bæta þau verulega vélrænan styrk og slitþol, sem sýnir óbætanlegt notkunargildi í háum-byggingarhlutum. Hins vegar hefur þessi aðferð einnig takmarkanir. Vegna þess að það myndar fyrst gufufasa við háan hita og framleiðir síðan whiskers á staðnum með gufu-fasahvörfum, er nákvæm stjórn á háum-viðbragðsferlinu krefjandi. Sveiflur í styrk gufu geta haft veruleg áhrif á formgerð whisker, sem gerir það erfitt að stjórna nákvæmlega þvermáli, lengd og einsleitni. Varan inniheldur oft óhvarfað SiO₂ eða kolefnisinnihald, sem hefur áhrif á hreinleika og frammistöðu, sem þarfnast{10}}eftirmeðferðar. Þar að auki innihalda SiC-skrúður sem framleidd eru með þessari aðferð venjulega SiC-agnir, og skilvirkur aðskilnaður whiskers frá ögnum er enn vandamál sem þarf að leysa.
Hitunaraðferð í örbylgjuofni
Örbylgjuofnhitunaraðferðin hefur orðið rannsóknarreitur vegna hraðs hitunarhraða, lítillar orkunotkunar og lægra myndun hitastigs. Sem vaxandi tækni til að útbúa SiC-hönd, notar örbylgjuhitun örbylgjuorku sem upphitunargjafa, sem gerir efnum kleift að hitna í gegnum eigin raftap og ljúka tilætluðum efnahvörfum. Örbylgjuofntíðnin sem almennt er notuð er 2,45 GHz. Í samanburði við hefðbundna ofna gerir örbylgjuofnhitun kleift að hita bæði yfirborð og innra hluta efnisins samtímis, sem er gagnlegra til að bæta efniseiginleika. Ferlið fer í röð í gegnum hitauppsöfnun, myndun whisker og fínstillingu hárhúðarforms, þar sem mismunandi hitastig leiðir til mismunandi forma af SiC whiskers.
Örbylgjuhitun býður upp á kosti eins og mikla hitunarnýtingu og orkunýtingu, orkusparnað, tímasparnað og umhverfisvænni. Hins vegar er hár-örbylgjuofnbúnaður tæknilega flókinn og mun dýrari en hefðbundinn hitunarbúnaður. Ó-jöfn dreifing örbylgjusviðs og mikil frásog örbylgjuofnsins á staðbundnu mynduðu SiC geta valdið staðbundnum „heitum blettum“ og hættu á hitauppstreymi, sem hefur áhrif á einsleitni vaxtar skárra og annarra ferla. Að sigrast á þessum búnaðar- og ferlistýringaráskorunum mun vera lykillinn að því að ná víðtækari beitingu örbylgjuhitunartækni á sviði SiC whisker undirbúnings.