Silicijev karbid je kovalentna spojina z močno vezjo Si–C in diamantu-podobno strukturo, ki obstaja v več politipih. Njegova močna kovalentna vez daje SiC stabilno kristalno strukturo, kemično stabilnost, izjemno visoko trdoto, odpornost proti koroziji in termokemično stabilnost.
Ojačitev kompozitov s silicijevim karbidom lahko glede na fizikalno naravo ojačitve razvrstimo v tri vrste: delci silicijevega karbida (SiCₚ), brki silicijevega karbida (SiCw) in vlakna silicijevega karbida (SiCf). Med temi so laski iz silicijevega karbida zelo anizotropni kristalni materiali s kratkimi-vlakni na nano- do mikrometrskem merilu, z eno-kristalno strukturo, določenim razmerjem stranic (5–1000 μm) in-površino preseka (<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 stopinj), odpornost proti obrabi in odpornost proti koroziji. Vsebujejo zelo malo notranjih napak, z visoko urejenimi atomi, njihova trdnost in modul pa se približata teoretičnim vrednostim popolnih kristalov, zaradi česar so si prislužili naziv "kralj brkov". Zaradi teh odličnih lastnosti so lasje iz silicijevega karbida idealne ojačitve za kompozite s kovinsko-matriko, keramično-matriko in polimer-matriko, zdaj pa se pogosto uporabljajo v strojih, elektroniki, kemikalijah, energetiki, vesolju, varstvu okolja in na številnih drugih področjih.
Metode priprave brkov iz silicijevega karbida
Trenutno metode priprave laskov iz silicijevega karbida vključujejo predvsem reakcije parne-faze, reakcije tekoče-faze in reakcije trdne-faze. Med njimi metode parne-faze vključujejo kemično naparjevanje in toplotno izparevanje; metode tekoče-faze vključujejo sol-metodo; metode trdne-faze pa vključujejo karbotermalno redukcijo in mikrovalovno segrevanje.
Kemično naparjanje (CVD)
CVD je najpogosteje uporabljen postopek parne{0}}faze. Najprej se substrat (npr. grafit, keramika itd.) postavi v reakcijsko peč in na njegovi površini enakomerno nanese katalizator. Nato se v peč vnesejo viri silicija, viri ogljika in nosilni plin (npr. vodik) ter prilagodijo parametri, kot so temperatura, tlak in pretok plina. Pri visoki temperaturi se plinasti reaktanti podvržejo kemijskim reakcijam pod delovanjem katalizatorja in na površini substrata postopoma rastejo brki iz silicijevega karbida. Po reakciji peč ohladimo in substrat odstranimo, da dobimo vzorec z gojenimi SiC brki.
V primerjavi z drugimi metodami imajo brki SiC, proizvedeni s CVD, visoko čistost in izkoristek, dobro kristaliničnost, malo napak, reakcijski proces pa je enostavno nadzorovati. Oprema je preprosta, delovanje je priročno, reakcijska temperatura pa relativno nizka. Vendar pa je oprema CVD draga, potrebne so-plinaste surovine visoke čistosti in nosilni plini, reakcija pa lahko zraste le v obliki brkov na omejeni površini substrata, kar ima za posledico nizko proizvodno učinkovitost in omejeno proizvodnjo, kar otežuje-neprekinjeno proizvodnjo v velikem obsegu. Zaradi teh dejavnikov so stroški priprave visoki in omejujejo-njeno široko industrijsko uporabo.
Metoda termičnega izparevanja
Glavni postopek metode termičnega izhlapevanja za pripravo SiC laskov je naslednji: najprej se vir silicija (npr. silicijeve rezine, zlitinski silicidi ali silicijev prah) in substrat vira ogljika (npr. ogljikova vlakna ali grafitne plošče) postavita skupaj v grafitni lonček na koncu visoke-temperature. Pod visoko{6}}temperaturno vodikovo atmosfero se vir silicija segreje in stopi, da nastane silicijeva para, ki jo nosi nosilni plin do substrata vira ogljika na koncu nizke-temperature. Atomi ogljika in silicija kemično reagirajo na aktivnih mestih na substratu, kristalizirajo v določeni kristalografski orientaciji in sčasoma eno{9}}dimenzionalni niz laskov SiC zraste na substratu prek nukleacijskega{10}}mehanizma rasti. Temperaturni gradient v tem procesu je še posebej kritičen: visoko-temperaturni konec zagotavlja zadostno izhlapevanje surovin, medtem ko nizki-temperaturni konec zagotavlja primerno prenasičeno okolje za rast laskov. Nadzor ravni vakuuma in sestave atmosfere neposredno vpliva na učinkovitost transporta in reakcijsko pot hlapov.
Ta metoda kaže edinstvene prednosti pri nadzorovani pripravi brkov SiC. Njegov preboj je v odpravljanju zapletenih virov organskih plinov in katalizatorjev iz plemenitih kovin, poenostavljanju poti parne-faze, zmanjševanju stroškov opreme in kompleksnosti postopka ter izogibanju kontaminaciji z nečistočami zaradi ostankov katalizatorja, s čimer zagotavlja visoko-čistost izdelkov. S sinergijskim nadzorom ključnih parametrov, kot sta temperatura in tlak, je mogoče doseči natančno zasnovo premera laskov, razmerja stranic in površinske strukture. Vendar se industrializacija te tehnologije še vedno sooča z ozkimi grli. Reakcijski pogoji pri visoki-temperaturi vodijo do visoke porabe energije in predstavljajo resne izzive za vzdržljivost reakcijske peči, kar neposredno omejuje njeno ekonomsko sposobnost preživetja za-velikoserijsko proizvodnjo.
Sol-gel metoda
Pri sol-metodi so prekurzorji, ki vsebujejo silicij- in ogljik- (npr. organosilani, fenolne smole, saharoza itd.), dispergirani v topilu v tekoči fazi. Z reakcijami hidrolize in kondenzacije nastane sol, ki nato želira. Po sušenju in žganju dobimo materiale iz silicijevega karbida. Trenutno je sol-metoda večinoma omejena na laboratorijske raziskave za pripravo visoko{10}}zmogljivih,-serijskih vzorcev, zato je težko doseči veliko{12}}neprekinjeno proizvodnjo.
Metoda karbotermalne redukcije
Metoda karbotermalne redukcije je pomembna in ekonomična pot za industrijsko proizvodnjo brkov SiC. Njegovo načelo je uporaba ogljikovih materialov (npr. saj, grafita itd.) za redukcijo vira silicija (običajno SiO₂, iz kremenčevega peska, pepela riževih lupin itd.) v visoko-temperaturni inertni atmosferi, pri čemer nastaneta plinasta SiO in CO. Nato hlapi SiO v plinski fazi difundirajo in reagirajo z ogljikom na površini ali s CO v okolju, da tvorijo molekule SiC, ki se odlagajo in rastejo v brke.
Glavne prednosti metode karbotermalne redukcije so njena široka dostopnost surovin, preproste zahteve glede opreme, relativno nizka temperatura sinteze in enostavnost serijske proizvodnje. Nastali SiC laski imajo lahko razmerja stranic, ki presegajo 100:1, in ko so dodani kot ojačitve kompozitom, znatno izboljšajo mehansko trdnost in odpornost proti obrabi, kar kaže nenadomestljivo vrednost uporabe pri visoko-temperaturnih strukturnih komponentah. Vendar ima ta metoda tudi omejitve. Ker najprej generira parno fazo pri visoki temperaturi in nato ustvari laske na mestu z reakcijami parne-faze, je natančen nadzor procesa visoko-temperaturne reakcije izziv. Nihanja koncentracije hlapov lahko znatno vplivajo na morfologijo laskov, zaradi česar je težko natančno nadzirati premer, dolžino in enakomernost. Izdelek pogosto vsebuje nereagiran SiO₂ ali vključke ogljika, ki vplivajo na čistost in učinkovitost ter zahtevajo naknadno{10}}obdelavo. Poleg tega brki SiC, proizvedeni s to metodo, običajno vsebujejo delce SiC in učinkovito ločevanje brkov od delcev ostaja težava, ki jo je treba rešiti.
Metoda segrevanja v mikrovalovni pečici
Metoda mikrovalovnega ogrevanja je postala raziskovalna vroča točka zaradi hitre stopnje segrevanja, nizke porabe energije in nižje temperature sinteze. Kot nastajajoča tehnologija za pripravo brkov SiC mikrovalovno segrevanje uporablja mikrovalovno energijo kot vir ogrevanja, kar omogoča, da se materiali segrejejo zaradi lastne dielektrične izgube in dokončajo želene kemične reakcije. Običajno uporabljena mikrovalovna frekvenca je 2,45 GHz. V primerjavi s klasičnimi pečmi mikrovalovno ogrevanje omogoča sočasno segrevanje tako površine kot notranjosti materiala, kar je bolj ugodno za izboljšanje lastnosti materiala. Proces zaporedno poteka skozi akumulacijo toplote, tvorbo brkov in optimizacijo morfologije brkov, pri čemer različne temperature vodijo do različnih oblik SiC brkov.
Ogrevanje z mikrovalovno pečico ponuja prednosti, kot so visoka učinkovitost ogrevanja in izkoristek energije, prihranek energije, prihranek časa in prijaznost do okolja. Vendar je visokotemperaturna mikrovalovna oprema tehnično zapletena in veliko dražja od tradicionalne opreme za ogrevanje. Ne-enakomerna porazdelitev mikrovalovnega polja in močna mikrovalovna absorpcija lokalno ustvarjenega SiC lahko povzročita lokalne "vroče točke" in nevarnost toplotnega uhajanja, kar vpliva na enakomernost rasti las in drugih procesov. Premagovanje teh izzivov pri nadzoru opreme in procesov bo ključno za doseganje širše uporabe tehnologije mikrovalovnega segrevanja na področju priprave laskov SiC.