文献翻译-碳化硅晶须的分散处理

毕业设计文献翻译院（系）名称工学院机械系专业名称材料成型及控制工程2012年03月20日美国专利碳化硅晶须的分散处理发明人LINDAC,SAWYER,CAHATHAM,NJ摘要碳化硅晶须用于增强陶瓷复合材料，晶须以水性硅烷为分散剂，该分散剂包含硅烷反应的碳氢化合物、活性水解团体和阳离子润滑剂，其PH值约35至约6。晶须可以在分散前同时混合陶瓷粉形成复合材料，陶瓷粉和水性硅烷分散。允许分散的陶瓷复合材料分类和选择特定的长宽比分布。分散允许使用高百分比的碳化硅晶须，其纯度大于99的密度。1碳化硅晶须的分散过程一般来说，本发明涉及晶须增强陶瓷复合材料及其制备，更特别的是，能使单晶碳化硅晶须更均匀地分散其中，以提高陶瓷等复合材料的断裂韧性和断裂强度。最近的重点放在使用陶瓷材料热引擎结构元件耐高温和转换系统,如涡轮机。在这类应用中所使用的陶瓷的断裂韧性是一个重要的考虑因素。除了铝臭氧的氧化锆和部分稳定的氧化锆，传统的陶瓷材料有相对低的断裂韧性。利用单片陶瓷材料，如碳化硅，氮化硅，微粉和莫来石来制造热力发动机以及其他高温转换系统中使用的结构部件，为了提供可接受的断裂韧性，需要使用缺陷非常小的陶瓷元件，例如小于50M左右。然而，在结构部件，尤其是复杂的配置，这样的小缺陷尺寸即使采用无损检测技术来测定都难实现。在解决缺乏足够的断裂韧性陶瓷材料的过程，包括例如纤维增强复合材料的发展中，石墨纤维增强陶瓷断裂韧性和强度的作用令人印象深刻,但是当遇到碳纤维和陶材料之间发生氧化反应引起的温度升高时，这些石墨纤维的作用有可能被削弱。另一方面，虽然使用无机纤维如碳化硅和短纤维来增强陶瓷材料已经取得了一些成功，但是也遇到了一些损坏其使用的问题。例如，传统的碳化硅长丝或短切纤维使连续的多晶结构的生产遭受相当大的退化，由于粮食生长在温度以上约1250，这严重限制了其在高温制造工艺中的使用，如热压理论密度的陶瓷复合材料。在高压力负荷条件下，如遇到在热压过程中，多晶纤维进行分裂，这将有损于加强纤维复合陶瓷的性能。同时，例如，传统的碳化硅长丝或短切纤维使连续的多晶结构的生产遭受相当大的退化，由于粮食生长在温度以上约1250，这严重限制了其在高温制造工艺中的使用，如热压理论密度的陶瓷复合材料。此外，在高压力负荷条件下，如遇到在热压过程中，多晶纤维进行分裂，这将有损于加强纤维复合陶瓷的性能。同时，这些多晶纤维提供最给材料足够的抗开裂能力，这是因为纤维延伸穿过裂缝或断裂面从而使材料拥有足够的抗拉强度来抑制裂纹扩展，尤其是通过抑制裂纹扩展所受到的升高的压力和热压温度。另一方面，由于晶须吸收断裂能量的能力，使用单晶碳化硅陶瓷复合材料晶须可以提高陶瓷复合材料的断裂韧性。当裂纹遇到晶须，晶须就会通过裂纹偏转，裂纹的桥接以及裂纹的“拉出”来增强复合材料的性能。在陶瓷基断裂期间，晶须的“拉出”发生在碳化硅陶瓷基的开裂处，由于开裂处提供了规定的径向拉应力，因此它的抗裂强度相对较低。由于裂纹前段传播到复合材料，跨越裂纹线及裂纹两侧的陶瓷基的晶须要么通过使裂纹增长要么通过裂纹传播来通过矩阵。由于单晶SIC晶须具有足够的拉伸强度，以抵抗压裂，他们必须通过拉伸矩阵来传播裂纹。由于这些晶须拉伸矩阵，它们适当地桥接了裂纹面上的压力和有效地降低了裂纹尖端的应力强度，以吸收开裂能源。因此，晶须的“拉出”有效地降低了这种复合的趋势，同时也抑制了裂纹的扩散。不幸的是，碳化硅晶须增强陶瓷复合材料仅显示了在陶瓷未增强的断裂韧性方面的有限的改善。例如，氧化铝的断裂韧性约4MPAM1/2，而SIC晶须增强氧化铝的断裂韧性约810MPAM1/2。连续纤维氧化铝复合材料断裂韧性则高达25MPAM1/2。不合格的改善可能的原因之一，可能是晶须在复合材料的非均匀分布，使复合材料的断裂强度是有限的。典型的混合和分散在陶瓷粉末SIC晶须的方法涉及在液体介质中，如酒精或水使用高剪切超声波均质混合。更详细的沉积技术也被用来均匀地分散在陶瓷粉中的晶须。不幸的是，由于晶须的大小和形状，尤其要广泛的长宽比分布的接收和生产，晶须作为凝聚和形成的团块，通常被称为“鸟巢”。混合技术在提供的晶须均匀分散在陶瓷基方面并没有发现很大的成功，晶须的积聚和原来陶瓷基不均匀致密的复合仍在观察中，从而导致了在低断裂韧性的复合材料方面的缺陷。此外，由于严重的晶须聚集，使晶须和陶瓷基的均匀混合困难，形成的陶瓷复合材料晶须的水平降低。显然，如果不能晶须的装载量不足，将不能获得陶瓷断裂韧性的大幅改善。使用陶瓷复合材料晶须的另一个缺点是，商业可用的晶须在一个批次上有广泛的长宽比，在约5到90不等。鉴于晶须的特点容易聚集，在可能的情况下，根据晶须的大小分类或分离是非常困难的。如果晶须须可以提供较窄的范围内长宽比，这可能减少结块，从而增加复合时晶须的装载水平，从而是复合材料中的晶须装载水平达到最佳规模。但是，晶须的分类是不能完成的，以为没有良好的团聚和分散。因此，改善晶须分散，将改善SIC晶须增强陶瓷复合材料的强度和韧性。这样的改进，是本发明的基础和首要目标。2本发明的概要按照目前的发明，在碳化硅晶须分散的过程中将提高碳化硅晶须的团聚和改善碳化硅晶须的分散。改进的碳化硅晶须的分散通过在水中分散的晶须，包括一个硅烷公式，阳离子的润滑剂和酸调节PH硅烷硅烷用于在分散有结构性公式RNSIX4N其中R是一个非功能性的碳氢化合物组，最好是烷基，X是解组，最好氧基，N是一个从1到3的整数。据认为据认为，公式中所描绘的硅烷与硅或氧化硅的反应，在SIC晶须表面形成一层薄膜，限制粘附和保持晶须。非功能性硅烷不作为偶联剂和本身或晶须表面没有反应。阳离子的润滑剂提供晶须表面具有低的表面张力和疏水性能，这被认为是实现晶须的分散性好的重要条件。一般来说，用含5到60的碳化硅晶须的混合陶瓷粉末可以形成陶瓷复合材料。碳化硅晶须可以同时和陶瓷粉末及水分散剂混和，或者首先分散、干燥碳化硅晶须，然后再和陶瓷粉末混合。后者的一个优势是，晶须的分散可以相应地分离在混合前的大小和长宽比。在任何情况下，至少有明显的高于20的晶须负荷能够随时索取，提供令人满意的晶须的分散和团聚。SIC晶须的高负荷，显着的改善了陶瓷复合材料的断裂韧性。陶瓷复合材料的制备通过热压混合均匀的陶瓷颗粒粉末和碳化硅晶须，或者通过挤压成型或者注塑成型，使一些有机粘合剂添加到陶瓷和碳化硅晶须的混合物中。3本发明的详细说明一般如上所述，本发明是针对分散碳化硅晶须的过程，特别是均匀分散在陶瓷基碳化硅晶须形成晶须增强陶瓷复合材断裂韧性的改进。按照本发明，碳化硅晶须的分散是在硅烷分散剂的作用下实现的，其中包括硅烷，阳离子的润滑剂和酸。碳化硅的首先是在硅烷分散剂中聚集，然后添加陶瓷颗粒形成复合材料，或者碳化硅晶须、陶瓷颗粒、硅烷分散剂可以同时混合。一旦形成和干燥后，如果有必要，混合物通过热压，挤压或成型等传统的方式形成陶瓷碳化硅晶须复合材料。陶瓷材料是有用的，特别是用于制造本发明的陶瓷复合材料莫来石，氮化硅，堇青石，氧化锆，碳化硅。这种陶瓷材料的清单不是企图限制发明的，因此，任何和所有能够转换成粉末的陶瓷材料都可能会发现并在本发明中使用。在本发明中所使用的SIC晶须是含有，和混合和测试阶段的碳化硅单晶，晶须平均直径约062微米，长度约1080微米。这是首选的晶须的长宽比小于约30微米。最好的SIC晶须的长宽比在约5至20微米之间。本发明允许SIC晶须团聚，因此，使陶瓷晶须复合材料均匀分散的水性分散剂包括一个定义如下，阳离子的润滑剂、控制PH值的酸和硅烷分散剂。这是在分散使用硅烷公式RNSIX4N。其中R是一个非功能性的碳氢化合物组，X是解组，N是一个从1到3的整数。最好烃R从低级烷基，芳基，低烷基中选择。特别是优先考虑的是，R是甲基，乙基或丙基。由公式可以表示解组X或其中R可以是氢，低级烷基，芳基，低烷基。最好X是较低的，如甲氧基，乙氧基或丙氧基烷氧基团。硅烷则特别优先考虑甲基三甲氧基硅烷。在本分散发明中使用的阳离子润滑剂是那些常用的玻纤行业的润滑剂，通常除了作为尺寸组成，还提供表面的疏