کامپوزیت‌های آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC

چکیده

کامپوزیت های آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC دارای ویژگی های بهبود یافته ای هستند. این بهبود در خواص مکانیکی از جمله استحکام و تافنس شکست ایجاد می شود. این کامپوزیت ها به طور نمونه وار از طریق فرایند زینترینگ تحت فشار (یعنی پرس گرم) تولید می شوند و میزان ویسکرهای SiC مورد استفاده در این مواد در گستره‌ی 10 تا 30 % حجمی می باشد. ابزارهای برش مورد استفاده برای آلیاژهای با درصد نیکل بالا، عمده ترین کاربرد این مواد می باشد اما سایر استفاده های سایشی و ساختاری نیز برای این مواد توسعه یافته است.

مقدمه

به عنوان یک گروه از مواد سرامیکی، کامپوزیت های سرامیکی تقویت شده با ویسکرهای SiC برای کاربردهای ساختاری بالقوه توسعه یافتند زیرا بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی این مواد نسبت به مواد مونولیتیک وجود دارد. استفاده از ویسکرهای SiC در سرامیک های آلومینایی موجب افزایش استحکام، تافنس شکست، رسانایی گرمایی، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خزش این مواد در دمای بالا می شود. این کشف ها چندین سال بعد از شروع مطالعات گسترده بر روی این گروه از کامپوزیت ها، ایجاد شد.
ویسکرهای SiC در ابتدا در اوایل دهه‌ی 1960 توسعه یافتند. به هر حال، استفاده از آنها در ابتدا، محدود به زمینه های فلزی تقویت شده مانند آلومینیوم بود. این کامپوزیت های زمینه فلزی تنها موفقیت تجاری اندکی را جلب کردند که این مسئله عمدتاً به دلیل قیمت بالای دیسکرهای مورد استفاده، بوده است. اولین کاربرد از ویسکرهای تقویت شده برای سرامیک ها و به طور خاص برای آلومینا، تا دهه‌ی 1980 رخ نداده است. در این مقاله، ویسکرهای SiC به عنوان کریستال های نسبتاً منفرد، سوزنی شکل، پیوسته و یا نوک تیز، تعریف می شوند که دارای قطری بین 0.1 تا 5 میکرون می باشد و طول آنها نیز بزرگتر از 5 میکرون باشد. این مسئله در واقع وجه تمایز میان این مواد با سایر مواد فیبری است. البته باید این تذکر را بدهیم که طول و قطر این مواد به حدی کوچک نیست که در گستره‌ی نانویی قرار بگیرد. بیشتر تحقیقات و داده های منتشر شده پیش از دهه‌ی 1970 از مکانیزم های بخار- مایع- جامد (VLS) برای رشد مقادیر اندکی از ویسکرهای SiC ، استفاده کرده اند. به هر حال، در آن زمان، بازار محدودی برای این مواد وجود داشت و قیمت آنها به حد قابل توجهی بالا بود. از آن زمان به بعد، روش های برای تولید مقادیر بیشتر از این ویسکرها، توسعه یافت که موجب کاهش قیمت این ویسکرها شد. این روش های تولید انبوه، از واکنش های کاهش کربوترمال پیش ماده های سیلیسی و کربنی استفاده می کنند. بوسیله‌ی این روش ها، مقادیر صنعتی از ویسکرها تولید می شود که دارای قیمت رقابتی می باشند. بنابراین ویسکرهای SiC به طور اقتصادی عوامل تقویت شده ای شده اند که دارای کاربردهای قابل توجه و قیمت رقابتی بودند.
یا توسعه‌ی برخی از مواد کامپوزیتی و موفقیت تجاری برخی از محصولات، تقاضا برای ویسکرها، افزایش یافت. شرکت های مختلفی در طی سال ها، روش های تجاری مختلفی برای تولید این مواد، استفاده کرده اند و این روش ها را ثبت اختراع کرده اند. در زمان حال، فروش تجاری مربوط به ویسکرها در جهان، به تعداد اندکی شرکت محدود می شود. علاوه بر این، ویسکرهای TiC، TiN، آلومینا، مولایت، 〖Si〗_3 N_4 و B_4 C نیز تولید و مورد ارزیابی قرار گرفته است. به هر حال، SiC هنوز هم موفقیت ترین ویسکر تجاری می باشد.

رفتار تافنس مربوط به کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر

آنالیز مربوط به تافنس کامپوزیت های آلومینایی تقویت شده با ویسکر نشان داده است که برهمکنش های ترک- ویسکر که منجر به ایجاد پل زنی ترک ها می شود، و همچنین کشش ویسکرها و انحراف ترک ها، مکانیزم های اصلی مربوط به افزایش تافنس می باشد. برای اینکه این مکانیزم ها کار کنند، جدایش در سطح مشترک ویسکر و زمینه‌ی آلومینایی باید در طی مرحله‌ی انتشار ترک اتفاق افتد و به ویسکرها اجازه دهد تا در بخش شیار خود، با ترک ها پل ایجاد کنند. بررسی سطوح شکست مربوط به کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر نشان داده است که این بخش ها، از لحاظ میکروسکوپی، صاف هستند که در این بخش ها ویسکرها نیز مشهود هستند. این مسئله در شکل 1 و 2 قابل مشاهده است.
مدل سازی های میکرومکانیکی و آزمایشات انجام شده، آشکار ساخته است که تافنس کامپوزیت ها ( (کامپوزیت))، می تواند به عنوان مجموعی از تافنس زمینه ( (زمینه)) و بخشی از تافنس ویسکر ( ) تقویت ویسکر)، تعریف شود. به عبارت دیگر،

در یک آنالیز دیگر، محققین به یک رابطه پی بردند که بر طبق آن، تافنس شکست به دلیل خاصیت تقویت کنندگی ویسکر، افزایش می یابد:

که در اینجا، برابر با افزایش تافنس به دلیل تقویت ویسکر می باشد.
= استحکام تافنس ویسکرها
= کسر حجمی ویسکرها می باشد.
r = شعاع ویسکر
ν = نسبت پوآسون برای ویسکرها
E= مدول یانگ کامپوزیت (c) و مدول یانگ مربوط به ویسکر (w)
γ= انرژی شکست مربوط به زمینه (m) و سطح مشترک زمینه- ویسکر (w)
B= ثابتی که به پروفایل مربوط به تنش پل زنی وابسته است.
با استفاده از یک آنالیز ثانویه، از رابطه‌ی زیر، برای ایجاد ارتباط میان تقویت شوندگی ویسکر و تافنس، استفاده شده است:

که در اینجا، = افزایش در تافنس شکست به دلیل خاصیت تقویت شوندگی ویسکر می باشد.
f= کسر حجمی ویسکر
d= طول جداشدن ویسکر
S= استحکام ویسکر
E= مدول یانگ کامپوزیت
R= شعاع ویسکر
در هر دو آنالیز اشاره شده در مورد رفتار تافنس، افزایش در تافنس برای کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر، به پارامترهای زیر وابسته است:
1) استحکام ویسکر
2) کسر حجمی ویسکر
3) مدول الاستیک کامپوزیت و ویسکر
4) قطر ویسکر
5) انرژی های شکست سطح مشترک
همانگونه که از بحث بالا، استنباط می شود، ویژگی های مربوط به ویسکرها مانند قطر و استحکام، دارای اثر مستقیمی بر روی رفتار تافنس و رفتار مکانیکی این مواد است. شیمی سطحی مربوط به ویسکرها، بر روی طبیعت پیوند سطح مشترک میان ویسکر و زمینه، اثرگذار هستند، این مسئله در معادله‌ی بالا، با استفاده از عبارت، بیان می شود. این فهمیده شده است که ویسکرهای تولیدی بوسیله‌ی شرکت های مختلف، دارای ویژگی های مختلفی هستند که این مسئله بر روی کارایی آنها به عنوان تقویت کننده، اثرگذار است.

ویژگی های ویسکرهای SiC

ویسکرهای SiC می توانند ویژگی های فیزیکی مختلفی داشته باشند. این ویژگی ها به روش های تولید مورد استفاده بوسیله‌ی تولید کنندگان، وابسته است. در برخی موارد، اختلاف های قابل توجهی در نتایجی مشاهده شده است که در آنها از محصول یک تولید کننده، استفاده شده است. در حالی که برخی از تفاوت های اندک ظاهر می شود، بسیاری از این تفاوت ها، اثر قابل توجهی بر روی فرایندهای رشد SiC دارند. پارامترهایی که بر روی فرایند رشد اثرگذار هستند، عبارتند از نوع ماده‌ی اولیه، کاتالیست مورد استفاده، اتمسفر، دمای تولید، نرخ حرارت دهی، نحوه‌ی اعمال جریان گاز و هندسه‌ی رآکتور. علاوه بر این، در فرایندهای مشابه، تفاوت در شیمی و شرایط تولید، موجب اثر بر روی فرایند رشد ویسکر می شود.
در جدول 1 ویژگی های مربوط به ویسکرهای مورد استفاده، بیان شده است. کارایی ویسکرها در برخی از کاربردهای متداول، تاحدی به قطر و نسبت طول به قطر الیاف، وابسته است. برای مثال، رفتار تافنس در کامپوزیت های زمینه‌ی آلومینایی، به قابلیت ویسکرها به منظور ایجاد پل در هنگام انتشار ترک، وابسته است. این قابلیت در حقیقت به قطر و طول جدایش ویسکر، وابسته است.
تصاویر مربوط به میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشاندهنده‌ی وجود تفاوت قابل توجه در مورفولوژی ویسکرهایی است که بوسیله‌ی تولیدکننده های مختلف، تهیه شده است. این تفاوت در شکل 3 و 4 نشان داده شده است. زبری سطحی در این بخش ها از سطح نسبتاً صاف تا سطح دندانه دندانه ای، متفاوت است.
شیمی ویسکرها به طور قابل توجهی مهم می باشد، زیرا این مورفولوژی بر روی بسیاری از خواص کامپوزیت نهایی، مؤثر است. شیمی بالک بر روی پایداری ویسکر در دماهای بالا و در محیط های واکنشی قوی، مؤثر است. شیمی سطح می تواند خواص سطح مشترک را تغییر دهد و بدین صورت، موجب تغییر در رفتار جدایشی ویسکر از زمینه می شود. این مسئله در نهایت، موجب تغییر در خاصیت تافنس ماده می شود.
شیمی سطح همچنین این مسئله را تعیین می کند که گونه های شیمیایی می توانند در داخل فاز میانی و در طی فرآوری در دماهای بالا مشارکت داشته باشند و موجب تغییر در خواص آنها گردند.
شیمی بالک مربوط به ویسکرهای SiC متفاوت است و برای بیشتر بخش های مشابه با ویژگی های فیزیکی، این خاصیت به ماده‌ی اولیه و با کاتالیست مورد استفاده در فرایند، وابسته است. یک مقایسه‌ی عمومی بر روی شیمی بالک ویسکرهای انتخاب شده، همچنین در جدول 1 آورده شده است. این تفاوت ها می تواند به طور مستقیم با مواد اولیه‌ی مورد استفاده، کاتالیست ها و روش های تولید ویسکر، در ارتباط باشد. برای مثال، شرکت ماتریکس آمریکا از بوریک اسید به عنوان کاتالیست استفاده می کند، و در نتیجه مقادیر قابل توجهی از این کاتالیست، در ویسکرها حضور دارند. در فرایندهای مورد استفاده بوسیله‌ی شرکت مواد کامپوزیتی پیشرفته (ACMC) و Tateho، پوست برنج به عنوان ماده‌ی اولیه، مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان یک نتیجه، در این مواد، مقادیر قابل توجه از کلسیم که در پوست برنج وجود دارد، در محصول نهایی، مشاهده می شود. یک مثال دیگر، به مقادیر بالای Co در ویسکرهای کربنی Tokai اشاره کرده است. در این مورد، Co به عنوان کاتالیزور استفاده شده است. یک توزیع از ناخالصی هم در سطوح خارجی ویسکر و هم در داخل ناخالصی های داخلی، مشاهده می شود. میزان اکسیژن به سیلیس وابسته است و عمدتاً به عملیات های حرارتی بعد از رشد، وابسته است که به ویسکرها اعمال شده است و موجب زدایش کربن اضافی می شود. عملیات های بعد از اکسیداسیون، مانند لیچینگ در اسید HF، می تواند برای کاهش میزان اکسیژن مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر شیمی بالک، شیمی سطحی ویسکرهای SiC همچنین در کامپوزیت های زمینه آلومینایی، مهم می باشند. این مسئله به طور مستقیم بر روی طبیعت پیوند سطح مشترک زمینه‌ی آلومینا و ویسکرهای SiC اثرگذار است. خواص سطح مشترک به منظور تصحیح مکانیزم های افزایش تافنس مهم می باشد و این خواص باید به گونه ای مناسبی تصحیح گردد تا بدین صورت کامپوزیت به خوبی کار کند. یک گستره‌ی وسیع از شیمی های سطحی در منابع ویسکری مختلف، مشاهده شده است. بر اساس طیف سنجی فوتونی اشعه‌ی X (XPS یا ESCA)، ویسکرهای SiC می توانند به سه گروه مختلف طبقه بندی شوند. اولین گروه دارای مقادیر بالایی اکسیژن در سطح خود هستند و نتایج XPS نشاندهنده‌ی وجود پیوند قوی Si-O بر روی سطح سیلیسی آنها می باشد. این نوع از سطوح ممکن است نتیجه ای از فرایند رشد ویسکر یا اعمال عملیات های حرارتی بعد از رشد می باشد. یک چنین عملیات هایی به طور متداول برای ویسکرها مورد استفاده قرار می گیرد که از طریق فرایند کاهش کربوترمال تولید شده اند. گروه عمومی دوم، دارای پیوندهای Si-C نسبتاً تمیزی هستند. این ویسکرها، ویسکرهایی هستند که در آنها، یک مرحله‌ی اکسیداسیون ممکن است بعد از عملیات اسید شویی اعمال گردد تا بدین صورت، سیلیس اضافی خارج گردد. گروه آخر همچنین دارای پیوند Si-C قوی است و سطوح تمیزی دارند اما دارای کربن اضافی در سطح می باشد و همچنین پیوند C-C در آنها قوی می باشد.
به دلیل اینکه ویسکرها تک کریستال هایی با ساختار بسیار منظم هستند، این مواد به طور نمونه وار می توانند استحکام های کششی بالایی داشته باشند. این مسئله موجب می شود تا این مواد، به عنوان مواد خوبی برای تقویت این کامپوزیت ها محسوب شوند. استحکام تئوری کریستال های کامل یک دهم مدول الاستیک آنهاست. بنابراین، ویسکرهای SiC باید دارای استحکام تئوری بالاتر از 40 GPa باشند. به هر حال، بالاترین مقدار گزارش شده برای این مواد، تنها در حدود 20 GPa می باشد و بیشتر مقادیر گزارش شده در گستره‌ی 4-11 GPa می باشد. مدول الاستیک مربوط به ویسکرهای برابر با 550 GPa گزارش شده است و تافنس شکست آنها برابر با می باشد .
عیوب محدود کننده‌ی در ویسکرهای SiC انتخاب شده، در گستره‌ی اندازه‌ی می باشد. این گستره در بسیاری از ویسکرهای تجاری مشاهده شده است. عیوب با این اندازه، در نواحی مرکزی واقع شده اند. یکی دیگر از عیوبی که موجب کاهش استحکام می شود، زبری سطحی بیش از حد این مواد است که معمولاً با تغییرات فازی گریستالوگرافی در ارتباط است و موجب ایجاد تمرکز تنش می شود. بررسی های بیشتر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بر روی عیوب داخل ویسکرهای SiC نیز انجام شده است. عیوب کوچکی که توصیف شد، مخصوصاً عیوب کریستالی، شامل نواحی تمرکز اکسیژن، منیزیم و کلسیم است که در داخل ناحیه‌ی مرکزی فیبر واقع شده اند. مشاهدات مشابهی در اکثر ویسکرهای تولیدی، مشاهده شده است.
ویسکرهای SiC ایده آل برای تقویت کامپوزیت های سرامیکی دارای چندین ویژگی است که همچنین به فاز زمینه، وابسته است. در هر مورد، ویسکرهای ایده آل دارای عیوب ساختاری داخلی نیستند و سطحی نسبتاً صاف دارند و همچنین دارای استحکام بالایی هستند. برای زمینه‌ی آلومینایی، که تفاوت در انبساط حرارتی بین زمینه و ویسکر قابل توجه است، قطر ویسکر در گستره‌ی است. برای کامپوزیت های آلومینایی- SiC، این مشخص شده است که حضور کربن اضافی در سطح منجر به تضعیف پیوند سطحی می شود و موجب افزایش استحکام و تافنس آنها می شود.

تولید کامپوزیت های ویسکری

این ویسکرها عموماً از شرکت های تجاری تهیه می شوند و به شکل آگلومره هستند. دی آگلومره کردن این ویسکرها و توزیع مناسب آنها در داخل کامپوزیت، یکی از مسائل مهم در تولید این کامپوزیت ها می باشد.
روش های مختلفی برای توزیع ویسکرها در داخل زمینه و مخلوط کردن آنها با پودر زمینه، وجود دارد. این روش ها شامل روش هموژن سازی، مخلوط سازی با برش بالا، آسیاب گلوله ای و آسیاب توربو می باشد. اگر ویسکرها کلوخه ای باشند، این مسئله موجب می شود تا این ویسکرها، در محصول نهایی نیز کلوخه ای باشند و این مسئله موجب تخریب خواص مکانیکی نهایی می شود. توزیع ویسکرها می تواند همچنین به منظور حصول تافنس شکست مناسب، مهم باشد. در یک گزارش، یک کامپوزیت آلومینا- SiC با 40 % وزنی ویسکر، دارای و توزیع هموژنی از ویسکرها می باشد. وقتی این ویسکرها به طور نامناسبی در کامپوزیت توزیع شده باشد،حاصل می شود. ریزساختار نمونه وار مربوط به آلومینای تقویت شده با SiC که دارای توزیع مناسبی از ویسکرها می باشد، در شکل 5 و 6 نشان داده شده است.
برخلاف کامپوزیت های تقویت شده با فیبر که نیازمند روش های لایه گذاری سختی است، کامپوزیت های ویسکری همچنین تابع روش های متداول فراوری است که در صنعت سرامیک مورد استفاده قرار می گیرد. بعد از مخلوط کردن ویسکر با پودر زمینه، بدنه های خام می تواند با استفاده از روش های متداول مانند پرس خشک، ریخته گری دوغابی، اکستروژن و یا قالب گیری تزریقی، شکل دهی شود. فرایند مخلوط کردن ویسکرهای دارای نسبت طول به قطر بالا و مخصوصاً ذرات هم محور (ذرات آلومینا) به صورت تئوری مورد بررسی قرار گرفته است. آنالیزهای انجام شده، نشان داده است که برای بدست آوردن کامپوزیت های با دانسیته‌ی بالا، ویسکرهای با نسبت طول به قطر پایین مورد نیاز است. برای مثال، در یک نسبت طول به قطر برابر با 50، دانسیته‌ی چیدمان محاسبه شده برای ویسکرها، تنها به میزان 10 % افزایش می یابد. اما وقتی نسبت طول به قطر به میزان 10 واحد کاهش یابد، دانسیته‌ی چیدمان محاسبه شده، به میزان 50 % افزایش می یابد. آنالیزها همچنین پیشنهاد داده است که از پودر زمینه ای با اندازه‌ی قطر کمتر از اندازه‌ی قطر ویسکرها استفاده شود تا بدین صورت میزان متراکم شوندگی مخلوط ها، ماکزیمم گردد. مدل های کامپیوتری بدست آمده با استفاده از تئوری نفوذ، نشان داده است که کسر بحرانی برای تشکیل یک شبکه از ویسکرها، به طور عکس با نسبت طول به قطر، در ارتباط است. برای مثال، با داشتن نسبت طول به قطر برابر با 7، کسر بحرانی برابر با 27 % حجمی است. این مسئله به طور مناسبی با شواهد تجربی تطابق دارد. وقتی ویسکر به صورت تصادفی توزیع شده باشد، این ویسکرها، آرایه های شبه صلبی تشکیل می دهند که دارای استحکام مناسبی است.
در طی پرس خشک، جهت گیری ویسکرها، عمود بر محور پرس است. این مسئله موجب شرینکیج آنیزوتروپ کامپوزیت های ویسکری می شود. برای مثال، در بدنه های آلومینایی دارای 10 % حجمی SiC، شرینکیج زینترینگ نمونه وار در جهت موازی با محور پرس، بین 17-25 % و در جهت عمود بین 10- 15 % است.
وقتی ویسکرها به دوغاب های سرامیکی افزوده می شود، رئولوژی مربوطه بسته به میزان ویسکر مورد استفاده، تغییر می کند. در مقادیر پایین ویسکر (حدود 5 % حجمی)، ویسکوزیته در واقع کاهش می یابد که علت آن دانسیته های چیدمان بهبود یافته است. وقتی میزان ویسکر به 10 تا 15 % می رسد، ویسکوزیته‌ی دوغاب های کامپوزیتی آلومینایی، افزایش می یابد. در طی ریخته گری دوغابی، ویسکرها می توانند در جهت موازی با سطح قالب، جهت گیری کنند. مشابه با اثرات مشاهده شده در پرس خشک، این جهت گیری منجر به ایجاد شرینکیج آنیزوتروپ در طی زینترینگ می شود. در یک گزارش ارائه شده، ماکزیمم شرینکیج خطی مشاهده شده، برابر با 21 % بوده است. این شرینکیج در جهت عمود بر صفحه‌ی ویسکر می باشد. شرینکیج در جهت موازی با ویسکرها، برابر با 7 % می باشد. دانسیته های خام مربوط به کامپوزیت های ریخته گری شده، عموماً بالاتر از بدنه های تولید شده با پرس خشک می باشد. در یک مطالعه‌ی انجام شده بر روی کامپوزیت های آلومینا- SiC، سوسپانسیون مورد استفاده بهینه سازی گردید و از این رو، دانسیته‌ی خام به میزان 69 % دانسیته‌ی تئوری رسید. این میزان از دانسیته‌ی بهینه، در مقدار 15 % حجمی ویسکر، حاصل گردید.
شکل دهی خام مربوط به کامپوزیت های ویسکری می تواند همچنین بوسیله‌ی روش اکسترودر، قالب گیری تزریقی و ریخته گری نواری، انجام شود. در تمام این موارد، جهت گیری ویسکرها مشخص است. در مورد اکسترود تیوب های آلومینا- SiC، جهت گیری مربوط به ویسکرها منجر به شرینکیج 12 % در جهت طول لوله و شرینکیج 19% در جهت شعاعی، در طی زینترینگ می شود. برای قالب گیری تزریقی، انحراف شدید یک بدنه‌ی با شکل پیچیده، می تواند در طی مرحله‌ی استحکام بخشی، ایجاد گردد. برخی از این مشکلات می تواند با استفاده از مقادیر بالاتر جامد در مخلوط مورد استفاده و جایگزینی الگوهای مربوط به قالب، مینیمم گردد.
روش های استحکام بخشی به دو گروه تقسیم می شود:
1) زینترینگ بدون اعمال فشار
2) زینترینگ تحت فشار
زینترینگ بدون اعمال فشار یکی از اقتصادی ترین روش هاست و از آن می توان در ساخت بدنه های با شکل پیچیده استفاده کرد. به هر حال، میزان ویسکر موجود در داخل ماده‌ی اولیه، در این روش محدود است. روش های زینترینگ تحت فشار شامل روش پرس گرم و روش پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) است. این روش ها موجب ایجاد بدنه های با دانسیته‌ی بالا و میزان بالای ویسکر می شود.
این مسئله به خوبی نشان داده شده است که زینترینگ کامپوزیت های آلومینا- SiC به طور قابل توجهی مهار شده است که علت این مسئله، برهمکنش ویسکر با ذرات می باشد. این مسئله به این دلیل است که وقتی شرینکیج رخ می دهد، ویسکرها یک چارچوب شبه صلب ایجاد می کند که موجب مهار شدن بییشتر متراکم شوندگی می شود. به عبارت دیگر، نیروی مورد نیاز برای فایق آمدن بر این شبکه، بزرگتر از نیروی محرکه‌ی مربوط به فرایند زینترینگ می باشد. بنابراین، وقتی حجم ویسکر افزایش می یابد، قابلیت زینترینگ کامپوزیت و افزایش دانسیته، کاهش می یابد. برای افزایش قابلیت زینرینگ، یک تعداد از روش ها مؤثر هستند. این روش ها عبارتند از کاهش میزان نسبت طول به قطر ویسکر، تغییر اندازه‌ی ذرات زمینه به منظور بهینه سازی دانسیته‌ی خام و استفاده از کمک زینترهای فاز مایع به منظور تصحیح آرایش ذرات. کاهش نسبت طول به قطر موجب بهبود متراکم شوندگی می شود که این کار بواسطه‌ی افزایش میزان چیدمان بین ذرات و ویسکر و ایجاد دانسیته های خام بالاتر می شود. نسبت طول به قطر پایین تر همچنین موجب افزایش قابلیت آرایش ویسکرها در طی زینترینگ می شود. افزایش در مقدار فازهای مایع در طی زینترینگ همچنین با استفاده از کمک ذوب ها انجام می شود. برای اهداف عملی، میزان ویسکر موجود در بدنه های زینتر شده بدون اعمال فشار، عموماً زیر 20 % حجمی است.
با استفاده از پرس گرم می توان بر مشکلات مربوط به تشکیل یک شبکه‌ی ویسکری فایق آمد. در این روش، فشار و دما به طور همزمان بر روی نمونه اعمال می گردد. این روش اغلب به طور منحصربفرد در مورد کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر، در مراحل اولیه می باشد. با استفاده از این روش، می توان بدنه های متشکل از 60 % حجمی ویسکر را به دانسیته های بالاتر از 95 % برسیم. پرس گرم در ساده ترین حالت، شامل اعمال فشار بر روی یک مخلوط کامپوزیتی در داخل قالب می باشد. در این قالب، اعمال فشار و حرارت همزمان انجام می شود. میزان فشار اعمال شده، با استحکام ماده‌ی قالب مورد استفاده، در ارتباط است. به طور نمونه وار، فشارهای 14-69 MPa برای قالب های گرافیتی مورد استفاده قرار می گیرد. حرارت دهی می تواند بوسیله‌ی استفاده از المان های حرارتی خارجی یا با استفاده از حرارت دهی القایی، ایجاد گردد. در طی اعمال فشار، جهت گیری ویسکرهاعمود بر جهت اعمال فشار می باشد. پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) به طور موفقیت آمیز در بسیاری مطالعات مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش قطعه‌ی خام تولیدی با روش های مختلف که دارای شکل پیچیده می باشند نیز قابل استحکام بخشی هستند. این فرایند شامل کپسوله کردن نمونه‌ی خام با استفاده از یک پوشش شیشه ای یا فلز دیرگداز می باشد. بدنه‌ی کپسوله شده سپس در یک کوره حرارت دهی می شود و همزمان بر روی آن گاز با فشار بالا اعمال می شود. در این روش فشارهایی تا حد 207 MPa اعمال می شود. بعد از متراکم شوندگی، پوشش شیشه ای یا فلزی حذف می شود. علاوه بر روش های متداول توصیف شده در بالا، کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر، از طریق چند روش دیگر تولید می شوند. این روش های شامل زینترینگ میکرویو و پلاسما اسپری می باشد.

روش های حرارت دهی ممکنه برای ویسکرهای SiC

مشابه هر ماده‌ی جدیدی که توسعه پیدا می کند، ریسک های سلامتی مربوط به ویسکرهای SiC هنوز به خوبی شناخته نشده است. به هر حال، به دلیل مشابهت اندازه و شکل این ویسکرها با الیاف آزبست، مسئله‌ی سمیت آنها باید مورد بررسی قرار گیرد. پراکنده شدن این ویسکرها در داخل محیط عمده ترین مشکل مربوط به این ویسکرهاست. به هر حال، با استفاده از اعمال الزامات و کارهای لازمه در محیط کاری، مقادیر قابل توجهی از ویسکرهای SiC می توانند مورد فرآوری قرار گیرند. هیچ رهایش ویسکری در طی شکسته شدن کامپوزیت های سرامیکی با دانسیته‌ی بالا، مشاهده نشده است. در حال حاضر، انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) در حال توسعه‌ی استانداردهای عملی در مورد استفاده و تولید ویسکرهای SiC می باشد.

خواص آلومینای تقویت شده با ویسکر

همانگونه که قبلاً گفته شد، توسعه‌ی آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC مورد توجه قرار گرفته است علت این مسئله این است که خواص مکانیکی این مواد بهبود قابل توجهی داشته است و در واقع استفاده از این ویسکرها، موجب ارتقای خواص زمینه‌ی سرامیکی می شود. افزایش تافنس در میزان ویسکرهای مختلف، در شکل 7 نشان داده شده است. تغییر در داده های گزارش شده در مقالات مختلف، اغلب به دلیل تفاوت در مواد مورد استفاده، ایجاد شده است. نتایج همچنین انعکاس دهنده‌ی حصول ماکزیمم تافنس مشاهده شده برای این کامپوزیت هاست.
به دلیل اثرات مربوط به جهت گیری ویسکرهای SiC در طی فرآوری، تافنس شکست همچنین موجب پدید آمدن آنیزوتروپی می شود. برای آلومینای با 20 % حجمی ویسکر SiC که با روش پرس گرم تولید شده اند، تافنس () مشاهده شده در حدود است (در حالتی که انتشار ترک در جهت عمود بر محور پرس گرم باشد). در عوض، وقتی تافنس موازی با محور پرس گرم اندازه گیری گردد و انتشار ترک در طول ویسکر باشد، این مشاهده شده است که تافنس () در حدود است. اثرات افزایش تافنس می تواند در هنگامی مشاهده گردد که سطوح شکست صاف داریم. این مسئله در شکل 1 و 2 قابل مشاهده است. تافنس ضرورتاً تا دمای افزایش می یابد. در دماهای بالاتر، تافنس افزایش یافته مشاهده شده است اما این مسئله به جوانه زنی و رشد ترک وابسته است.
تافنس افزایش یافته با افزایش در استحکام شکست، همراه است. بهبود در استحکام در شکل 8 قابل مشاهده است. این واضح است که بهبود ایجاد شده در استحکام، در دماهای بالا نیز حفظ می شود همانگونه که در شکل 9 مشاهده می شود. این مسئله برخلاف برخی دیگر از سیستم های سرامیکی است که در آنها تافنس افزایش یافته است. مدول ویبول (Weibull modulus) برای یک کامپوزیت آلومینای دارای 20 % حجمی SiC در گستره‌ی 10-13 است.
مقاومت در برای رشد ترک به طور قابل توجهی در کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر مشاهده شده است. این مسئله به معنی این است که می توان تنش های با شدت بیشتری بر روی این کامپوزیت ها اعمال شود، در حالی که از شکست وابسته به زمان، جلوگیری گردد.
آزمون شوک حرارتی انجام شده بر روی کامپوزیت های تقویت شده با 20 % حجمی، ویسکرهای SiC نشان داده است که هیچ افزایش در استحکام خمشی تا دمای مشاهده نشده است.
به عبارت دیگر، آلومینا به طور طبیعی یک کاهش قابل توجه در استحکام خمشی با تغییر دما در دماهای بالاتر از ، از خود نشان می دهد. بهبود در خواص، نتیجه‌ی برهمکنش میان ویسکرهای SiC و ترک های ایجاد شده بوسیله‌ی شوک حرارتی در زمینه است که این مسئله موجب جلوگیری از به هم پیوستن ترک ها و جلوگیری از ایجاد ترک های بحرانی می شود. اندازه گیری ها بر روی خزش این مواد، نشان داده است که افزودن ویسکرهای SiC به آلومینا به طور قابل توجهی موجب مهار خزش دما بالا در مقایسه با مواد مونولیتیک، می شود. برای مثال، استفاده از 20 % حجمی ویسکر در داخل زمینه‌ی آلومینا موجب می شود تا نرخ خزش به میزان دوبرابر کاهش یابد.
به دلیل اینکه SiC و آلومینا دارای خواص مختلفی هستند، این کامپوزیت ها دارای خواص فیزیکی هستند که در واقع ترکیبی از خواص این دو ماده است. افزودن ویسکرهای SiC به زمینه‌ی آلومینا موجب افزایش سختی و رسانایی گرمایی می شود (شکل 10 و 11). به طور عکس، مقاومت الکتریکی و انبساط حرارتی مشاهده شده، با افزودن ویسکرهای SiC، کاهش می یابد (شکل 12 و 13).

کاربردهای آلومینای تقویت شده با ویسکر

توسعه‌ی اولیه در مورد آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC در اوایل دهه‌ی 1980 انجام شده است و اولین محصول تجاری از این نوع در سال 1985 معرفی شده است. توسعه‌ی سریع آلومینای تقویت شده با ویسکر از حالت نمونه های آزمایشگاهی به سمت تولید محصولات تجاری تنها در طی 3 سال انجام شد. زمان توسعه‌ی کوتاه مدت به این دلیل بود که این مواد در بازار مربوط به ابزارات برش سوپرآلیاژها کاربرد دارد.
در زمان حاضر، آلومینای تقویت شده با ویسکر تولید می شود و به طور گسترده به عنوان ابزارهای برش برای آلیاژهای پایه‌ی نیکل، مورد استفاده قرار می گیرد. این فهمیده شده است که افزودن ویسکرهای SiC به آلومینا نه تنها موجب بهبود استحکام و تافنس شکست می شود، بلکه همچنین موجب بهبود سختی گرم زمینه می شود. این ترکیب انقلابی در ماشین کاری آلیاژهای پایه‌ی نیکل مورد استفاده در موتورهای جت ایجاد می کند. آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC موجب افزایش سرعت جدایش سطحی فلزی به میزان 10 برابر می شود. برای مثال، در یکی از کاربردهای این مواد موجب کاهش زمان ماشین کاری از 5 ساعت به 20 دقیقه می شود. بهبود در ماشین کاری چدن و محصولات فولادی نیز با استفاده از این ابزارها بهبود می یابد.
به دلیل مقاومت به سایش استثنایی مربوط به کامپوزیت های سرامیکی تقویت شده با ویسکر، کاربردهای کوتاه مدت مربوط به این کامپوزیت ها، شامل قطعات سایشی (مانند حلقه های آب بندی پمپ ها، نازل های مربوط به پاشش ذرات در گریت پاشی و ابزارهای مورد استفاده در ساخت قالب های تولید قوطی و اکسترود)مورد توجه قرار گرفته است. آزمایش های انجام شده بر روی سرامیک ها تحت شرایط بدون روانساز، نشان می دهد که ضریب سایش برای آلومینای تقویت شده با ویسکر، چند برابر کمتر است (در مقایسه با مواد سرامیکی مونولیتیک). تحقیقات انجام شده بر روی اتصال سرامیک ها، نشان داده است که کامپوزیت های آلومینای تقویت شده با ویسکر را می توان به هم متصل کرد.

نتیجه گیری

آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC به طور قابل توجهی موجب بهبود خواص مکانیکی در مقایسه با سرامیک های آلومینایی مونولیتیک می شود. این کامپوزیت ها می توانند از طریق چندین روش تولید شوند. ابزارهای برش مهم ترین کاربرد برای این کامپوزیت ها در حال حاضر هستند.