Silikon karbida ialah sebatian kovalen dengan ikatan Si–C yang kuat dan struktur-seperti berlian, wujud dalam berbilang politaip. Ikatan kovalennya yang kuat memberikan SiC dengan struktur kristal yang stabil, kestabilan kimia, kekerasan yang sangat tinggi, rintangan kakisan dan kestabilan termokimia.
Pengukuhan komposit oleh silikon karbida boleh dikelaskan kepada tiga jenis mengikut sifat fizikal tetulang: zarah silikon karbida (SiCₚ), misai silikon karbida (SiCw), dan gentian silikon karbida (SiCf). Antaranya, misai silikon karbida ialah bahan hablur serat pendek-anisotropik yang tinggi pada skala nano- kepada mikrometer, dengan satu-struktur kristal, nisbah aspek tertentu (5–1000 μm) dan luas-keratan rentas (<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 darjah ), rintangan haus, dan rintangan kakisan. Mereka mengandungi sangat sedikit kecacatan dalaman, dengan atom yang sangat teratur, dan kekuatan serta modulusnya mendekati nilai teori kristal sempurna, sehingga mereka mendapat gelaran "raja misai." Sifat cemerlang ini menjadikan misai silikon karbida sebagai tetulang ideal untuk komposit matriks-logam,-seramik-dan polimer, dan ia kini digunakan secara meluas dalam jentera, elektronik, bahan kimia, tenaga, aeroangkasa, perlindungan alam sekitar dan banyak lagi bidang lain.
Kaedah Penyediaan Whiskers Silicon Carbide
Pada masa ini, kaedah penyediaan untuk misai silikon karbida terutamanya termasuk wap-tindak balas fasa, cecair-tindak balas fasa dan-tindak balas fasa pepejal. Antaranya, kaedah fasa wap-termasuk pemendapan wap kimia dan penyejatan terma; kaedah fasa cecair-termasuk kaedah sol-gel; dan kaedah fasa pepejal-termasuk pengurangan karboterma dan pemanasan gelombang mikro.
Pemendapan Wap Kimia (CVD)
CVD ialah proses fasa wap-yang paling banyak digunakan. Pertama, substrat (cth, grafit, seramik, dsb.) diletakkan di dalam relau tindak balas dan disalut secara seragam dengan mangkin pada permukaannya. Kemudian, sumber silikon, sumber karbon, dan gas pembawa (cth, hidrogen) dimasukkan ke dalam relau, dan parameter seperti suhu, tekanan, dan kadar aliran gas dilaraskan. Pada suhu tinggi, bahan tindak balas gas mengalami tindak balas kimia di bawah tindakan mangkin, dan misai silikon karbida secara beransur-ansur tumbuh di permukaan substrat. Selepas tindak balas, relau disejukkan, dan substrat dikeluarkan untuk mendapatkan sampel dengan kumis SiC yang tumbuh.
Berbanding dengan kaedah lain, kumis SiC yang dihasilkan oleh CVD mempunyai ketulenan dan hasil yang tinggi, kehabluran yang baik, sedikit kecacatan, dan proses tindak balas mudah dikawal. Peralatannya mudah, operasinya mudah, dan suhu tindak balasnya agak rendah. Walau bagaimanapun, peralatan CVD adalah mahal,-bahan mentah gas ketulenan tinggi dan gas pembawa diperlukan, dan tindak balas hanya boleh menumbuhkan misai pada permukaan substrat yang terhad, menyebabkan kecekapan pengeluaran rendah dan keluaran terhad, menjadikan pengeluaran berterusan berskala besar sukar. Faktor ini mengekalkan kos penyediaan yang tinggi dan mengehadkan-aplikasi industri berskala besarnya.
Kaedah Penyejatan Terma
Proses utama kaedah penyejatan terma untuk menyediakan misai SiC adalah seperti berikut: pertama, sumber silikon (cth, wafer silikon, aloi silisid atau serbuk silikon) dan substrat sumber karbon (cth, gentian karbon atau kepingan grafit) diletakkan bersama-sama dalam mangkuk pijar grafit pada hujung suhu-tinggi. Di bawah-suasana hidrogen bersuhu tinggi, sumber silikon dipanaskan dan dicairkan untuk membentuk wap silikon, yang dibawa oleh gas pembawa ke substrat sumber karbon pada hujung-suhu rendah. Atom karbon dan silikon bertindak balas secara kimia di tapak aktif pada substrat, menghablur dalam orientasi kristalografi tertentu, dan akhirnya satu-tatasusunan kumis SiC satu dimensi tumbuh pada substrat melalui mekanisme pertumbuhan-nukleasi. Kecerunan suhu dalam proses ini amat kritikal: hujung suhu tinggi-memastikan penyejatan bahan mentah yang mencukupi, manakala hujung suhu-rendah menyediakan persekitaran supertepu yang sesuai untuk pertumbuhan misai. Kawalan tahap vakum dan komposisi atmosfera secara langsung mempengaruhi kecekapan pengangkutan dan laluan tindak balas wap.
Kaedah ini menunjukkan kelebihan unik dalam penyediaan kumis SiC yang boleh dikawal. Kejayaannya terletak pada penyingkiran sumber gas organik kompleks dan pemangkin logam berharga, memudahkan laluan fasa-wap, mengurangkan kos peralatan dan kerumitan proses serta mengelakkan pencemaran bendasing daripada sisa mangkin, sekali gus memastikan produk ketulenan-tinggi. Dengan mengawal parameter utama secara sinergistik seperti suhu dan tekanan, reka bentuk tepat diameter misai, nisbah bidang dan struktur permukaan boleh dicapai. Walau bagaimanapun, perindustrian teknologi ini masih menghadapi kesesakan. Keadaan tindak balas suhu-yang tinggi membawa kepada penggunaan tenaga yang tinggi dan menimbulkan cabaran teruk kepada ketahanan relau tindak balas, secara langsung mengehadkan daya maju ekonominya untuk pengeluaran-skala besar.
Sol-Kaedah Gel
Dalam kaedah sol-gel, silikon- dan karbon-yang mengandungi prekursor (cth, organosilanes, resin fenolik, sukrosa, dsb.) tersebar dalam pelarut dalam fasa cecair. Melalui reaksi hidrolisis dan pemeluwapan, sol terbentuk, yang kemudiannya menjadi gel. Selepas pengeringan dan pengkalsinan, bahan misai silikon karbida diperolehi. Pada masa ini, kaedah sol-gel kebanyakannya terhad kepada penyelidikan makmal untuk menyediakan sampel-berprestasi tinggi,{11}}kecil dan sukar untuk mencapai pengeluaran berterusan-berskala besar.
Kaedah Pengurangan Karboterma
Kaedah pengurangan karboterma adalah laluan penting dan menjimatkan untuk pengeluaran industri kumis SiC. Prinsipnya ialah menggunakan bahan berkarbonat (cth, karbon hitam, grafit, dsb.) untuk mengurangkan sumber silikon (biasanya SiO₂, daripada pasir kuarza, abu sekam padi, dsb.) dalam-suasana lengai bersuhu tinggi, menjana SiO dan CO bergas. Selepas itu, wap SiO meresap dengan karbon di permukaan atau fasa bertindak balas. membentuk molekul SiC, yang memendap dan tumbuh menjadi misai.
Kelebihan utama kaedah pengurangan karboterma ialah ketersediaan bahan mentah yang luas, keperluan peralatan mudah, suhu sintesis yang agak rendah, dan kemudahan pengeluaran kelompok. Misai SiC yang terhasil boleh mempunyai nisbah aspek melebihi 100:1, dan apabila ditambah sebagai tetulang kepada komposit, ia meningkatkan kekuatan mekanikal dan rintangan haus dengan ketara, menunjukkan nilai aplikasi yang tidak boleh ditukar ganti dalam komponen struktur suhu tinggi-. Walau bagaimanapun, kaedah ini juga mempunyai batasan. Oleh kerana ia mula-mula menjana fasa wap pada suhu tinggi dan kemudian menghasilkan misai in situ melalui tindak balas fasa wap, kawalan tepat terhadap proses tindak balas suhu tinggi-adalah mencabar. Turun naik dalam kepekatan wap boleh menjejaskan morfologi misai dengan ketara, menjadikannya sukar untuk mengawal diameter, panjang dan keseragaman dengan tepat. Produk selalunya mengandungi SiO₂ atau kemasukan karbon yang tidak bertindak balas, menjejaskan ketulenan dan prestasi, memerlukan{10}}rawatan selepas. Selain itu, misai SiC yang dihasilkan oleh kaedah ini biasanya mengandungi zarah SiC, dan pengasingan misai yang cekap daripada zarah masih menjadi isu yang perlu diselesaikan.
Kaedah Pemanasan Microwave
Kaedah pemanasan gelombang mikro telah menjadi hotspot penyelidikan kerana kadar pemanasannya yang cepat, penggunaan tenaga yang rendah, dan suhu sintesis yang lebih rendah. Sebagai teknologi baru muncul untuk menyediakan misai SiC, pemanasan gelombang mikro menggunakan tenaga gelombang mikro sebagai sumber pemanasan, membolehkan bahan menjadi panas melalui kehilangan dielektriknya sendiri dan melengkapkan tindak balas kimia yang diingini. Frekuensi gelombang mikro yang biasa digunakan ialah 2.45 GHz. Berbanding dengan relau tradisional, pemanasan gelombang mikro membolehkan pemanasan serentak kedua-dua permukaan dan bahagian dalam bahan, yang lebih bermanfaat untuk meningkatkan sifat bahan. Proses secara berurutan melalui pengumpulan haba, pembentukan misai, dan pengoptimuman morfologi misai, dengan suhu berbeza yang membawa kepada bentuk misai SiC yang berbeza.
Pemanasan gelombang mikro menawarkan kelebihan seperti kecekapan pemanasan yang tinggi dan penggunaan tenaga, penjimatan tenaga, penjimatan masa dan keramahan alam sekitar. Walau bagaimanapun, peralatan gelombang mikro bersuhu tinggi-tinggi secara teknikalnya rumit dan jauh lebih mahal daripada peralatan pemanasan tradisional. Pengagihan medan gelombang mikro yang tidak-sekata dan penyerapan gelombang mikro yang kuat bagi SiC yang dijana secara tempatan boleh menyebabkan "titik panas" tempatan dan risiko lari terma, menjejaskan keseragaman pertumbuhan misai dan proses lain. Mengatasi peralatan dan cabaran kawalan proses ini akan menjadi kunci untuk mencapai aplikasi teknologi pemanasan gelombang mikro yang lebih luas dalam bidang penyediaan misai SiC.