آشنایی با الیاف سرامیکی

آشنایی با الیاف سرامیکی

افزایش نیاز صنایع نظامی و هوافضا به الیافی که تحت شرایط شدید دما(1000-1600درجه سانتیگراد) کارایی بهتری داشته ٬ منجر به توسعه الیاف سرامیکی در ربع پایانی قرن بیستم گردید . این الیاف را می توان از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) Chemical Vapor Deposition ٬ دمش مذاب ٬ سل – ژل ٬ اکستروژن و ریسندگی تولید نمود. الیاف سرامیکی سیلیکون کاربید و بور در ابتدا در دهه 1960 به روش CVD بروی بستر های تنگستنی یا کربنی تولید شدند ولی قطر بیش از 100 میکرمتر آنها باعث نامناسب بودن آنها برای فرآیندهای نساجی گردید. تحقیقات برای تولید صنعتی الیاف سرامیکی با قطر کمتر 15میکرومتر در دهه 1970 با تولید الیاف آلومینا و در دهه 1980 با تولید سیلیک.ن کاربید ادامه یافت.بدین صورت الیاف سرامیکی ظرریف را می توان از طریق ذوب ریسی یا محلول ریسی یک پیش ماده آلی یا معدنی و سپس حرارت دهی و پیرولیز کردن برای مدت زمان کوتاه تولید نمود.

تحقیقات زیادی برای تولید الیاف سرامیکی مختلف در مقیاس نانو / میکرو از سال 2002 به بعد انجام شد که منجر به تولید این نانو الیاف از طریق روش الکتروریسی گردید. به هر حال الیاف سرامیکی علی رغم مقاومت حرارتی بالا دارای ویژگی های ظاهری ضعیف ٬ چکالی بالایی و فرآیند پذیری دشوار می باشند. بزرگترین مشکل این الیاف در شکل کوتاه این است که بسیار ساینده بوده و ماشین آلات را در فرآیندهای با سرعت بسیار بالا مستهلک می نمایند.

به طور کلی الیاف سرامیکی پیوسته بصورت تجاری در دو کلاس وجود دارند : الف ) الیاف فاقد اکسید Non oxide Fiber معمولا بر پایه سیلیکون کاربید ٬ ب) الیاف اکسیدی بر پایه سامانه آلومینا – سیلیکا (Al2O3-SiO2) و برپایه A – آلومینا . الیاف تجاری بر پایه سیلیکون کاربید در دمای 2830 درجه سانتیگراد و فشار 35 بار (3.55مگاپاسکال) ذوب میگردند.

الیاف شبه استوکیومتریک با استفاده از دماهای پیرولیز بالاتر (دمای 1600درجه سانتیگراد) تولید شده و حاوی اکسیژن بسیار کمتر می باشند. همچنین میزان کربن اضافی این الیاف در مقایسه با نسل دوم بسیار کمتر می باشد.

تحقیقات نشان می هد که الیاف نیکالون دارای ساختار میکروکریستالی حاوی B-SiC خالص بوده و الیاف های نیکالون شامل مقدار قابل ملاحظه ایی ورقه های چروکیده Wrinkled Sheet Structure و بسیار کوچک کربن گرافیت در بین دانه های SiC با قطر 10 نانومتر است٬ در حالیکه الیاف های نیکالون  نوع S حاوی دانه های بزرگتر SiC با مقدار کربن گرافیت کم در میکرپ ساختار می باشد.

الیاف بر پایه SiC سفتی بالایی داشته و تحت دماهای بالا افت خواص مکانیکی ناچیزی دارند . این الیاف نسب به الیاف کربن دارای مقاومت بالاتری در دماهای بالا در برابر اکسایش ٬ مقاومت بالاتر و مقاومت الکتریکی بهتر میباشند. به هر حال یک ویژگی مهم الیاف دمای بالا ٬ قابلیت آنها برای عایق بندی در برابر جریان یا رسانش گرما می باشد.الیاف بر پایه SiC دارای نرخ هدایت گرمایی بالایی بوده که آن را برای اتلاف حرارتی در برخی کاربردها ارزشمند نموده ولی در مواردی نظیر ریزش فلزات مذاب که حرارت از طریق رسانش به شخص انتقال یافته ٬ باعث سوختگی بیشتر پوست میگردد.بنابر این ٬ الیاف مورد استفاده در ساختن البسه محافظ در برابر حرارت بر اساس محیط در معرض آن انتخاب می شوند ٬ برای مثال محیط هایی که حرارت به شخص از طریق رسانش ٬ همرفت یا تشعشع منتقل می شود.

میکرو ساختار های SiC

الیاف اکسیدی به دلیل خواص نسوز Refractory properties به عنوان عایق بندی و تقویت کننده بکار می روند.الیاف اکسیدی تجاری را می توان به سه کلاس تقسیم نمود : الف ) الیاف آلومینای خالص شامل آلفا آبومینا ب) الیاف آلومینا – سیلیکا شامل مخلوط آلومینای فاز میانی و سیلیکار آمورف  ج) الیاف آلفا آلومینا –زیرکونیا شامل مخلوط آلفا –آلومینا و ZrO2 .

الیاف آلومینای خالص به دلیل داشتن آلفا آلومینا پایدارترین کلاس بوده و مقاومت بیشتری در برابر جمع شدگی در دماهای بالا و مقاومت بالاتری در برابر خزش دارد.از جمله مشکلات فرآیند تولید الیاف آلومینای خالص می توان به کنترل تخلخل و رشد دانه و شکنندگی الیاف اشاره نمود که می تواند با افزایش سیلیکا به ساختار آنها برطرف گردد.افزایش سیلیکا به الیاف آلومینا باعث کاهش سفتی و شکنندگی ذاتی انها و افزایش استحکام دمای محیط آنها با جلوگیری از تشکیل دانه های بزرگ می گردد. این امر منجر به تولید الیاف منعطفی شده که می توان از آنها به شکل پارچه های بافته شده برای عایق بندی گرمایی استفاده نمود.

در این راستا آلومینا سیلیکات در دهه 1970 برای کاربردهای عایق بندی گرمایی تولید گردید . مقاومت حرارتی این الیاف به نسبت اختلاط دو اکسید بستگی داشته بطوریکه با افزایش محتوی آلومینا تحمل دمایی آنها افزایش می یابد. به هر حال افزودن سیلیکا باعث کاهش دمای خزش به 900درجه سانتیگراد و افزایش تمایل به خزش تحت دماهای بالا می گردد لذا نمی توان از آنها علی رغم مقاومت حرارتی بالا برای کاربردهای سازه ایی در بالای این دما استفاده کرد . مهمترین کاربرد های این الیاف در عایق بندی کوره ها و جایگزینی الیاف آزبست در مواد تحت اصطکاک ٬ درزبندها و بسته بندی می باشد. ذرات زیرکونیا ابندا توسط شرکت دوپونت برای غلبه بر شکنندگی الیاف آلومینا و بهبود انعطاف پذیری و افزایش ازدیاد طول و بالتبع تسهیل بافندگی آنها به میزان 20درصد وزنی این الیاف اضافه شد ولی در ادامه شرکت 3M الیاف آلفا آلومینا –زیرکونیای منعطف را با هدف بهبود مقاومت در برابر خزش آنها معرفی نمود ولی ازدیاد طول آن برای بافندگی به حدکافی بالا نبود . به هر حال افزایش زیرکونیا بروی رفتار مکانیکی تحت دمای بالا تاثیر می گذارد بدین صورت که دمای شروع نرم شدن را به تاخیر انداخته و نرخ کرنش خزش را کاهش می دهد. در این راستا تلاش های دیگری نیز برای تولید الیاف اکسیدی مقاوم در برابر خزش انجام گردیده است. به هر حال سفتی این الیاف به دلیل مدول پایین تر زیرکونیا در مقایسه با آلومینا کمتر می باشد و دوپونت و 3M به دلیل عدم درک بهبود قابل ملاحظه این الیاف از مرحله پایلوت صنعتی پیشرفت بیشتری ننمودند.

الیاف بور خالص Pure Boron Fiber برای استفاده بسیار شکننده بوده ٬ ولی می توان آنها را با روکش دهی از طریق CVD  بروی رشته های کغزی تنگستن یا کربن بکار برد.قطر رشته های مغزی برای این منظور در حدود 12 میکرومتر می باشد.مهمترین کاربرد این الیاف در کامپوزیت های سبک وزن با مدول و استحکام بالا نظیر اجزای هواپیما و فضا پیما و تجهیزات ورزشی به کار می رود.

خواص الیاف بور :

الیاف	قطر(میکرومتر)	چگالی (g/cm3)	استحکام(MPa)	مدول(GPa)	ازدیاد طول تا حد پارگی (٪)
بور	100	2.57	3500	400	0.79
140	2.49	3500	400	0.79
SiC(تک رشته ایی)	140	3.04	3450	427	0.86
نیکالون (چند رشته ایی)	14.5	2.55	2750	196	1.4

قطر زیاد الیاف بور (حدود 200-50 میکرومتر) پایداری نسبتا ضعیف آنها در ماتریس های فلزی ٬ افت تدریجی استحکام آنها در اثر افزایش دما و قیمت بسیار بالای آنها به دلیل داشتن فرآیند تولید دشوار باعث محدودیت در استفاده از این الیاف می گردد.واکنش پذیری الیاف بور با فلزات به خصوص در ماتریس های تیتانیوم را می توان از طریق رسوب بخار شیمیایی سیلیکون کاربید بروی الیاف بور کاهش دادکه الیاف حاصله از الیاف بورسیک اطلاق می شود.تحقیقات دیگری در راستای حفاظت از الیاف بور از طریق روکش دهی چند سرامیک دیگر نظیر نیترید بور ٬ کاربید بور و فلزاتی نظیر تیتانیوم بر روی این الیاف انجام شده است . الیاف نیترید بور به طور ذاتی مقاومت در برابر اکسیداسیون ندارد و معمولا صنعت الکترونیک به عایق های الکتریکی و هادی حرارتی به کار می روند.

منابع و اطلاعات بیشتر :

MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH PURITY SiC FIBER-REINFORCED CVI-SiC MATRIX COMPOSITES

Ultra High Temperature (UHT) SiC Fiber

Technical Textile – Seyed Hajir Bahrami