ידע בסיווג ושימוש בסיבי קרמיקה
חומר בידוד נקבובי של סיבים קרמיים יכול ליצור מבנה יציב עם כמות קטנה בלבד של חומר (סיבים). בהשוואה לחומר בידוד נקבוביות קרמיקה, חומר בידוד סיבי קרמיקה הוא קליל, נקבובי, בעל מוליכות תרמית נמוכה ויכולת חום ספציפית. תכונות גדולות ויכולות לעמוד בעומסים גבוהים מאוד. חומר זה שימש בתחומים רבים כגון הפרדת סינון, בידוד תרמי, ביו-רפואה וחומרים מרוכבים. מבנה ההגנה התרמית לשימוש חוזר המיוצג על ידי חומר סיבי קרמיקה נמצא בשימוש נרחב במערכת ההגנה התרמית של מטוסים מתקדמים שונים בבית ומחוצה לו, ויש לו ערך יישום חשוב ואפשרויות פיתוח.
ניתן לחלק את סיבי הקרמיקה לשתי קטגוריות: סיבים קרמיים שאינם תחמוצתיים (כגון סיבי SiC, סיבי C) ותחמוצת (כולל תחמוצת מרוכבים) סיבי קרמיקה (כגון סיבי סיליקט אלומיניום, סיבי Al2O3).
סיבים קרמיים שאינם תחמוצתיים
סיבי קרביד מסיליקון. סיליקון קרביד (SiC), הידוע בכינויו סיליקון קרביד ופחמן סיליקה, הוא תרכובת סינתטית אשר קשורה קוולנטית. ניתן להכין אותו בתצהיר אדים כימי, הפחתה קרבותרמית, אבקת אבקה והמרת מבשר. קרביד סיליקון טהור הוא חסר צבע ושקוף, וקרביד סיליקון המשמש בתעשייה הוא לרוב ירוק בהיר או שחור מכיוון שהוא מכיל ברזל חופשי, סיליקון, פחמן וזיהומים אחרים.
מכיוון שסיליקון קרביד בעל מאפיינים טובים של טמפרטורה גבוהה, כגון עמידות בפני חמצון, חוזק ויציבות טמפרטורה גבוהה, מוליכות תרמית טובה, צפיפות נמוכה, מקדם התפשטות נמוך וזחילה נמוכה, הוא יכול לשמש כחדר בעירה לטורבינות גז בטמפרטורה גבוהה. חרירי טמפרטורה גבוהה, להבי טורבינות וכו 'בשל מוליכות תרמית גבוהה ותכונות בידוד טובות, ניתן להשתמש בסיליקון קרביד כמחליף חום בטמפרטורה גבוהה בתנורים תעשייתיים מתכתיים, כמו גם מצעים וחומרי אריזה למעגלים משולבים בקנה מידה גדול. . עם קשיות גבוהה, עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה חומצית ואלקלית, ניתן להכין חומרי איטום מכניים כגון מיסבי הזזה, דיסקי שסתום, להבי מאוורר וצינורות עמידים בפני קורוזיה בתעשייה המכנית והכימית.
לסיליקון קרביד יש לא רק תכונות פיזיקליות טובות, אלא גם תכונות כימיות מצוינות. באווירה שאינה חמצן, רק 5% מסיליקון היה כלול בשלב הגז על פני השטח של סיליקון קרביד בשעה 2300℃. עם זאת, כאשר נחשף סיליקון קרביד לחמצן ב- 1000℃, המשטח התחיל להתחמצן, אך סיליקון קרביד יכול ליצור סרט מגן SiO2 כדי למנוע את המשך תגובת החמצון.
סיבי פחמן. סיבי הפחמן מתייחסים לחומר פחמן סיבי המחומם ל -1000°C ומעלה על ידי סיב אורגני בגז אינרטי ליצירת חומר פחמן סיבי בעל אחוז פחמן של 90% ומעלה. סיבי פחמן הם סוג חדש של חומר אנאורגני עם צפיפות של 1.5-2 גרם / סמ"ק, שהוא 1/4 מצפיפות הפלדה, 1/2 מצפיפות סגסוגת האלומיניום וחזק פי 4 עד פי 5 מפלדה. מקדם ההתרחבות התרמית קטן, ועמידות ההלם התרמי טובה. הוא יורד לפתע מטמפרטורה גבוהה של כמה אלפי מעלות צלזיוס לטמפרטורה רגילה ולא מתפוצץ, ויש לו סיכות טובה ומוליכות חשמלית. סיבי פחמן דומים כימית לפחמן, אינרטים לבסיסיות כללית ואינם מתפרקים בטמפרטורות חנקן נוזלי. בסביבה שאינה חמצן, אפילו בטמפרטורה גבוהה של 3000℃, הוא לא נמס, אלא באווירת אוויר, כאשר הטמפרטורה גבוהה מ -400℃, מתרחשת חמצון משמעותי ונוצרים CO ו- CO 2. לכן, סיבי פחמן יכולים להפחית במידה ניכרת את המשקל המבני של הרכיב ולשפר את הביצועים הטכניים, מה שהופך אותו לשימוש נרחב ברכבים תעופתיים.
בהתאם לחומרי הגלם המשמשים, ניתן לסווג סיבי פחמן לסיבי פחמן מבוססי פוליאקרילוניטריל, סיבי פחמן על בסיס גובה הצליל, סיבי פחמן על בסיס תאית וסיבי פחמן על בסיס פנוליים. סיבי הפחמן הנפוצים ביותר הם סיבי פחמן פוליאקרילוניטריל וסיבי פחמן גובה.
סיבי קרמיקה תחמוצתיים
סיבי סיליקט מאלומיניום. הצורה והצבע של סיבי סיליקט מאלומיניום דומים לזה של כותנה. זהו סיב קרמי אמורפי המורכב בעיקר מאלומינה וסיליקה, ולעתים מכיל כמות קטנה של תחמוצת ברזל, דו תחמוצת טיטניום, תחמוצת סידן וכדומה. על פי הרכב החומר והתוכן ניתן לחלק אותו לארבע קטגוריות: סיבי סיליקט אלומיניום סטנדרטיים (רגילים), סיבי סיליקט אלומיניום בעלי טוהר גבוה, סיבי סיליקט אלומיניום המכילים אלומיניום וטוהרים גבוהים וסיבי אלומינו-סיליקט זירקוניום בעלי טוהר גבוה. . תוכן הרכיבים מוצג בטבלה 1-2.
סיבי סיליקט מאלומיניום הם בקוטר של 1-10 מיקרומטר ואורך של 5-25 ס"מ. יש לו עמידות טובה בטמפרטורה, בידוד חום וספיגת קול, ויש לו אחסון חום נמוך, מוליכות תרמית נמוכה ועמידות חזקה לרטט מכני. טמפרטורת השירות יכולה להגיע ל- 1200 מעלות צלזיוס. הצפיפות היא רק 0.096-0.128g / cm3. לאחר התוספת של CrO2, מכיוון ש- CrO2 מונע משקעים וגידול גבישים בחלק המגע בין הסיבים, ניתן לשפר את התנגדות הצטמקות הטמפרטורה הגבוהה של הסיבים וטמפרטורת השימוש מגיעה ל 1400 מעלות צלזיוס. ניתן ליצור את החומר המורכב מסיבי סיליקט מאלומיניום בצורת שטיח, לבד, נייר וצלחת. נעשה בו שימוש נרחב בבידוד תרמי של ציוד אנרגיה תרמית כגון תעשייה כימית ומכונות, ובשכבת בידוד תרמי של חלקי מנוע טילים.
סיבי קוורץ. סיבי קוורץ מתייחסים לסיבי זכוכית סיליקה מיוחדים עם טוהר גבוהה עם תוכן מגזין של פחות מ 0.1% וקוטר סיבים של 0.7-15 מיקרומטר. יש לו עמידות בחום גבוהה, טמפרטורת שימוש יציבה לטווח ארוך של 1050 מעלות צלזיוס ועמידות בטמפרטורה מיידית עד 1700 מעלות צלזיוס. בנוסף, סיבי קוורץ הם בעלי עמידות בפני קורוזיה, שמירה על חוזק גבוה בטמפרטורה גבוהה, יציבות ממדית, עמידות טובה בפני הלם תרמי , יציבות כימית גבוהה ותכונות בידוד חשמליות מצוינות, קבוע דיאלקטרי ואובדן דיאלקטרי. המקדם הוא הטוב ביותר מבין כל סיבי המינרלים והוא הרבה יותר זול לייצור מאשר סיבי סיליקון קרביד. לכן, לסיבי קוורץ יש שימוש חשוב בתעשייה הצבאית והחללית הביטחונית וניתן להשתמש בהם לייצור מערכות הגנה תרמיות בחלל.
סיבי קוורץ מסווגים לסיבי זכוכית קוורץ רצופים וצמר זכוכית קוורץ. סיבי זכוכית קוורץ רציפים מתייחסים לסיב ארוך המתקבל על ידי משיכת כוח חיצוני לאחר שנמסים זכוכית קוורץ. באופן כללי, הקוטר של המונופילמנט הוא 3-10 מיקרומטר, וניתן לעבד אותו לחוט סיבי זכוכית קוורץ, בד וכדומה. צמר זכוכית קוורץ מתייחס למעין סיבי זכוכית קוורץ ארוכים וקצרים המתקבלים על ידי פיצוץ זכוכית קוורץ שנמסה על ידי זרימת אוויר בלחץ גבוה, וצורתם רכה, בדומה לצמר גפן. בדרך כלל, כותנה אולטרה-דקה, שקוטר הסיבים שלה פחות מ -3 מיקרומטר, נקראת כותנה דקה שקוטרה היא 3-5 מיקרומטר.
סיבי מוליט. מוליט הוא התרכובת הבינארית היחידה שיכולה להימצא ביציבות בטמפרטורה ולחץ רגילים במערכת הבינארית של סיליקה ואלומינה. הנוסחה הכימית היא 3Al2O3·2SiO2, ותרשים הפאזה שלו הוא כפי שמוצג באיור 1.
איור 1 תרשים שלב חומרי מוליט
סיב מוליט הוא סיב פוליקריסטריאלי עם שלב גבישים עיקרי של גבישי מוליט. זהו השלב היציב היחיד במערכת הבינארית של סיליקה ואלומינה. פעילותו נמוכה ויכולת ההתגבשות שלה ירודה. סיבי האבן הם בעלי עמידות טובה בטמפרטורה גבוהה וניתן להשתמש בהם עד 1500℃. עם זאת, כאשר הטמפרטורה גבוהה מ 1500℃, התבואה תגדל ותאבד מהתכונות המכניות שלה בטמפרטורה גבוהה. כשהטמפרטורה מגיעה לערך 1830℃, יתפרק במהירות לשלב אלומינה ונוזל. סיב המוליט מתרחב באופן אחיד בחימום, בעל יציבות עמידה בפני הלם תרמי, מוליכות תרמית נמוכה, לא קל לזחול בטמפרטורה גבוהה, ולא יכול רק לשמור על גמישות טובה, אלא גם בעל כיווץ קטן, ולחומר עצמו יש יציבות כימית טובה . הוא אינו רגיש לקורוזיה, ולכן נעשה בו שימוש נרחב במוצרים שונים בטמפרטורה גבוהה ובמערכות הגנה תרמיות כחומר סיבים חדש במיוחד העמיד בחום בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, התכונות המכאניות הרגילות של סיבי מוליט אינן טובות, מה שהפך למכשול מרכזי לשימוש המעשי בחומר.
סיבי אלומינה. סיבי אלומינה הם סוג של סיבים קרמיים פוליקריסטלניים, שיש להם צורות רבות כגון סיבים ארוכים, סיבים קצרים ושפן. הוא מכיל בעיקר Al2O3, ולעתים מכיל כמות מסוימת של תוספים כמו סיליקה, בורון ניטריד, זירקוניה, תחמוצת ברזל, תחמוצת מגנזיום וכדומה. סיבי האלומינה יש קוטר של 10-20 מיקרומטר וצפיפות של 2.7-4.2 גרם / סמ"ק, ויש להם תכונות מכניות גבוהות, חוזק מתיחה של 1.4-2.45 GPa, ומודול מתיחה של 190-385 GPa.
יש לו עמידות כימית טובה, עמידות בפני חמצון, עמידות בטמפרטורה גבוהה, יציבות כימית גבוהה ומקדם התרחבות תרמי נמוך, נקודת התכה של 2050 מעלות צלזיוס, ניתן להשתמש ב 1500 מעלות צלזיוס במשך זמן רב.
סיבים קצרים מאלומינה משמשים בעיקר לחומרי בידוד בטמפרטורה גבוהה, סיבים ארוכים משמשים לחיזוק חומרים מרוכבים, ולזיפים חוזק גבוה וכמה תכונות מגנטיות, חשמליות ואופטיות מיוחדות, המשמשות בחומרים פונקציונליים. לסיבי אלומינה פעילות משטחית טובה וקל להרכיב אותם עם חומרי בסיס כמו מתכת וקרמיקה. בשילוב עם טמפרטורת השימוש הגבוהה, נעשה בו שימוש נרחב בתחומי התעשייה וההיי-טק הכלליים. ניתן להשתמש בו בתנורים בטמפרטורה גבוהה ובהנדסת תרמית. ציוד, כורים גרעיניים וחומרי בידוד תרמי למעבורת החלל. ארצות הברית משתמשת בסיבי אלומינה כפאנלי בידוד במעבורת החלל קולומביה. כאשר מעבורת החלל עפה באטמוספירה, לוחות הבידוד מונעים כניסת חום למגן החום דרך הפער שבין לוחות הבידוד. לסיבי אלומינה חשיבות אסטרטגית חשובה וערך מסחרי רב בתחום הצבאי והחלל, ומושכים מדינות רבות להשקיע כוח אדם רב, משאבים חומריים ומשאבים כספיים למחקר ופיתוח וניצול. עם זאת, סיבי האלומינה הם בעלי צפיפות גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה, המגבילים את יישומה הנוסף.
