Com o rápido desenvolvimento da tecnologia industrial moderna, a tecnologia de formação de compósitos de matriz cerâmica tornou-se uma área chave de interesse de pesquisa global. Entre os numerosos compósitos de matriz cerâmica, o carboneto de silício (SiC) tem atraído atenção sustentada nas últimas décadas devido às suas excelentes propriedades mecânicas, baixa densidade, resistência à corrosão, forte resistência à oxidação, boa estabilidade química e térmica e excelente desempenho de atrito e desgaste, tornando-o um novo material altamente promissor. Seus cenários de aplicação abrangem dispositivos de micro-ondas de alta-potência em sistemas comerciais e militares, dispositivos eletrônicos como LEDs e MOSFETs, dispositivos ópticos em campos automotivos e aeroespaciais, sensores de sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) para ambientes agressivos, sensores químicos e de gás para motores de combustão interna e fornos, bem como sensores fotoelétricos em optoeletrônica, demonstrando amplas perspectivas de aplicação.
Si-compostos de SiC
Os compósitos de Si-SiC são preparados principalmente por sinterização por reação: o pó de SiC e o pó de grafite são misturados em uma proporção específica e prensados em um corpo verde, depois infiltrados com silício fundido ou gasoso em temperaturas acima de 1.410 graus sob vácuo, permitindo que o Si reaja com grafite, formando em última instância um compósito cerâmico denso à base de SiC-. Este material não apenas herda as excelentes características do próprio SiC, mas também oferece vantagens como baixa densidade, alta resistência mecânica, excelente condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica extremamente baixo, além de processamento simples, baixa temperatura de sinterização, custo controlável e flexibilidade para combinar com outros processos de conformação. Como resultado, desempenha um papel fundamental em muitos campos.
No entanto, a baixa tenacidade à fratura é um ponto fraco crítico dos compósitos de SiC-ligados por reação, limitando severamente sua aplicação em cenários mais exigentes. Para resolver esta desvantagem, a pesquisa atual adota principalmente duas abordagens de otimização: uma é reduzir o teor de Si livre no interior do material através da melhoria do processo, melhorando as propriedades mecânicas do ponto de vista do controle de composição; a outra é introduzir uma fase de reforço no sistema de material, melhorando a resistência à fratura por meio da otimização estrutural, estabelecendo assim as bases para uma maior promoção de compósitos de Si-SiC.
SiC-Compostos SiCf
Os compósitos de SiC-SiCf são os melhores entre os compósitos cerâmicos à base de SiC-, combinando alta-resistência à temperatura, alta resistência específica e alto módulo específico, ao mesmo tempo em que exibem comportamento pseudoplástico semelhante aos metais e baixa sensibilidade ao entalhe. Eles gradualmente se tornaram o material preferido para os principais componentes de seção-quente de motores-aéreos e componentes estruturais térmicos de aeronaves supersônicas, ocupando uma posição insubstituível em equipamentos-de alta tecnologia, como o aeroespacial. Esses compostos possuem uma estrutura hierárquica multiescala complexa, que dá origem a diferentes mecanismos de fratura em várias escalas específicas, bem como características de falha acopladas em escala cruzada, trazendo desafios e oportunidades para um controle preciso de desempenho.
Por meio-de pesquisas aprofundadas, os cientistas estabeleceram com sucesso, a partir de uma perspectiva mecânica macroscópica, a relação entre as propriedades dos constituintes internos (como fibras, matriz e interface) e o comportamento mecânico dos compósitos de SiC-SiCf, fornecendo suporte teórico para a otimização do desempenho do material. Em termos de técnicas de preparação, os métodos convencionais atuais incluem infiltração de precursores e pirólise (PIP), infiltração de vapor químico (CVI)/deposição de vapor químico (CVD), infiltração de fusão reativa (RMI), prensagem a quente (HP), etc. O CVI atinge a densificação por meio da decomposição, policondensação e deposição de compostos gasosos precursores em alta temperatura dentro de um meio poroso, envolvendo etapas importantes como difusão de gás, adsorção, reação de superfície e dessorção de gás; enquanto o PIP é mais adequado para preencher grandes poros dentro do material.
Na produção real, considerando as limitações de um único processo, um processo combinado CVI/PIP é frequentemente empregado. Essa combinação integra as vantagens da deposição contínua-em fase gasosa do CVI com a alta eficiência da infiltração em-fase líquida do PIP, permitindo a rápida densificação de compósitos SiC-SiCf, melhorando efetivamente a eficiência da produção e o desempenho do material, fornecendo assim suporte técnico para sua aplicação em grande-escala em campos-de alta tecnologia.
Resumo
Em resumo, as cerâmicas de carboneto de silício e seus dois tipos principais de compósitos, cada um com vantagens de desempenho exclusivas, demonstram grande valor de aplicação em muitas áreas-chave da indústria moderna. Com a otimização contínua dos processos de preparação e o aprofundamento da pesquisa de desempenho, esses materiais certamente desempenharão um papel importante em cenários mais sofisticados-, promovendo a atualização tecnológica e o desenvolvimento em indústrias relacionadas.