Features of synthesizing ceramic composites discretely reinforced by carbon fibers and SiC nanowires formed in situ in the combustion wave

Abstract

Предложен новый метод получения керамоматричного композиционного материала на основе карбида кремния, упрочненного дискретными углеродными волокнами и монокристаллическими нановолокнами карбида кремния. В зависимости от макрокинетических характеристик процесса горения на поверхности углеродных волокон могут формироваться диффузионные слои, керамические частицы карбида кремния либо нановолокна карбида кремния диаметром 10-50 нм и длиной 15-20 мкм. Исследована стадийность химических превращений и структурообразования в волне горения смесей Si-C-C 2 F 4 и Si-C-C 2 F 4 -Та. Выращенные в волне горения нановолокна карбида кремния имели высокую кристалличность и бездефектную границу раздела TaSi 2 /SiC. Разориентировка решеток на границе раздела составляет порядка 6 %. Нановолокна релаксируют механические напряжения во время роста за счет вращения вокруг своей оси, совпадающей с направлением роста. Оптимальная температура горения для роста нановолокон карбида кремния составляет 1700 К при соотношении C 2 F 4 : C = 2 в реакционной смеси. Нижний порог роста нановолокон карбида кремния определяется снижением выхода реакционно-способных фторидов, тогда как более высокий порог обусловлен отказом механизма блокировки адсорбции на поверхности нановолокон и дестабилизацией капли TaSi 2 + Si. Горячим прессованием получены дискретно армированные углеродными волокнами и нановолокнами карбида кремния композиты с керамической матрицей SiС-TaSi 2 , имеющие относительную плотность 98 %, твердость 19 ГПа, прочность на изгиб 420 МПа, трещиностойкость 12,5 МПа•м 1/2 . Установлено увеличение прочности границы раздела «углеродное волокноматрица», в результате которого вытягивание углеродных волокон из матрицы в значительной степени подавляется.Ключевые слова: СВС, керамические композиты, карбид кремния, углеродные волокна, нановолокна.Воротыло С. -аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП) Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС» (119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4).

Preparation of hollow SiC spheres by combustion synthesis

“…Combustion synthesis is to use heat released in fast combustion reactions to replace longtime heating by furnaces, which leads to a faster heating and cooling rate, shorter processing time, lower energy cost and larger productivity. 17,18 Currently, this technique has been widely used to prepare SiC nanoparticles, 19,20 SiC nanowires and SiC nanorods, 21,22 but the combustion synthesis of HSS is rarely reported. Nersisyan et al 23 synthesized successfully hollow β-SiC microglobules by a combustion technique by using an Si + C starting mixture and KClO 3 + 3Mg exothermic activator.…”

Adjusting the Morphology and Properties of SiC Nanowires by Catalyst Control

“…In the nanometer scale, the surface effect, small size effect, quantum size effect and macroscopic tunneling effect dramatically change the physical and chemical properties of materials [ 1 , 2 , 3 , 4 ]. For instance, SiC nanowires, a non-oxide ceramic material, attracted great interest as a highly promising nanomaterial for many industrial applications due to their superior electric and mechanical properties, as well as heat, corrosion, and high temperature oxidation resistance [ 5 , 6 , 7 ]. These unique properties enable SiC nanowires to be used as ideal candidates for nanodevices for sensing and biosensing applications, or in composite materials as a reinforcement [ 8 , 9 , 10 ].…”