Hình ảnh xơ gốm ® Đặc điêm của xơ o_ Các sợi gốm đường kính lớn với đường kính trên 100um được tạo ra bằng cách lăng đọng hơi hóa học CVD và bằng nhưpsRhfiRjNeifnÔtậnsEHmerltr tu£thf2t
Trang 1TIỂU LUẬN HỌC PHẢN: VẬT LIỆU MỚI TRONG DỆT MAY
Đề tài: Tìm hiểu, nghiên cứu về xơ ceranic (xơ gốm) và ứng dụng của xơ
gôm trong sản xuất tắm đệm cách nhiệt
1 Nguôn gốc, cầu trúc xơ
e© Giới thiệu
©o_ Xơ sợi Ceramic được định nghĩa là xơ thuộc loại vật liệu chịu lửa, đa tính thể (polycrystalline refractory fibre) mà thành phần gôm có oxIt kim loại, cacbua kim loại, nitrua kim loại hoặc các hỗn hợp khác
o_ Từ năm 1950 sự phát triển công nghệ của hàng không vũ trụ,
luyện kim, hạt nhân và hóa học đòi hỏi những vật liệu xơ chịu được nhiệt độ cao và có sức kháng nhiệt cao hơn là xơ
sợi thủy tính
o_ Xơ sợi Ceramie bắt đầu phát triển từ 1980 dựa trên alumina (nhôm oxit Al›O›) hoặc silicat alumina hoặc silicon cacbua (silicon carbide)
Hình ảnh xơ gốm
® Đặc điêm của xơ
o_ Các sợi gốm đường kính lớn với đường kính trên 100um
được tạo ra bằng cách lăng đọng hơi hóa học (CVD) và bằng
nhưpsRhfiRjNeifnÔtậns(EHmerltr tu£thf2t(fDErlSiến
là trong các tuabin khí, cả hàng không và trên mặt đât, nhiệt
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 2bộ trao đổi, tường ngăn đầu tiên cho lò phản ứng nhiệt hạch, cũng như sử dụng cho mà không cân ma trận như bộ lọc nén cho khí ở nhiệt độ cao
Đôi với tât cả các ứng dụng này, câu trúc phải chịu được rât
cao nhiệt độ, vì vậy không bao gôm việc sử dụng sợi hữu cơ
Đ5ếC 401/085 Dựng Dhảt hỏát Hộ dÔNGiP 0N ng sợi đó
carbon, loại sợi này sẽ bị phân huỷ trên 300 ° C
Sợi gốm có thể chịu được những điều kiện khắt khe như vậy
nhưng cũng thường cần thiết để chống lại tải cơ học tĩnh
hoặc động ở nhiệt độ cao, Lý tưởng nhất, sợi gốm phải thê
hiện đủ độ mềm dẻo để tạo hình có thê được tạo ra bằng
cách dệt và sau đó bị ma trận xâm nhập Điều này có thể đạt được với gốm sứ có moduli Young cao, nếu các sợi có
đường kính đủ nhỏ, vì độ mềm dẻo liên quan đến nghịch đảo của lũy thừa thứ tư của đường kính Đường kính của đơn đặt hàng I0um do đó thường được yêu cầu cho các vật liệu gia
cô bằng gốm, cùng với với mức căng thắng đến thất bại
khoảng 1% Như sự lựa chọn của một vật liệu gốm áp đặt
mô-đun của Young là 200GPa trở lên, điều nảy ngụ ý một
tem phòng- cường độ nhiệt độ hơn 2 ŒPa
Độ ổn định cơ học và khả năng chống rão trên 1200 ° C
thường được yêu cầu Gốm số lượng lớn nhôm và cacbua silie được sử dụng rộng rãi vì độ cứng và các đặc tính cơ học
ở nhiệt độ cao tốt trong không khí; Tuy nhiên, chúng thường
vê 896W dộblfháffctA00HH cu tt Maỳ HUGLHRĐNN đáng kế khi gốm sứ ở dạng sợi mảnh vì câu trúc vi mô của sợi mịn hơn nhiều, được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn
micromet Điều này loại trừ tồn tại các khuyết tật lớn Các
yêu cầu để tái tạo hiệu suất cao
Do đó, các lực lượng sẽ được thực hiện nếu những đồ gốm
số lượng lớn như vậy được chuyên tạo thành sợi Tuy nhiên, đường kính nhỏ cần thiết cho các sợi quy trình sản xuất tạo
Ta Các cầu trúc vi mô cụ thê vả không nhất thiết phải là của gốm sứ số lượng lớn
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 3o_ Các quy trình thông thường để sản xuất đồ gốm số lượng
lớn, bao gôm nén bột và thiêu kêt, không thê kéo dài thành Sợi mỊn
©_ Sợi polyme nhiệt dẻo và sợi thủy tinh thu được bằng cách
kéo sợi và vẽ từ sự tan chảy của thành phần cuối cùng mong muốn, một quá trình được loại trừ đối với vật liệu chịu lửa vì
đỗ xuất tợI gảm mi dội hội phối KGo sửi chất xơ Hữu cốc
hoặc tiên chất khoáng, sau đó được xử lý nhiệt và nhiệt phân trong một thời gian rất ngắn Các sợi gốm đầu tiên cho nhiệt
độ rất cao các ứng dụng cấu trúc đã được thương mại hóa
vào đầu những năm 1980 và kê từ đó, các sợi đã trải qua
những thay đổi và cải tiến lớn
2 Tính chất , phương pháp sản xuất xơ
2.1 Chế tạo sợi dựa trên cacbua silic Yêu cầu chung
o_ Sợi SiC có đường kính mịn được làm từ các sợi tiền thân được
kéo thành sợi từ sự nóng chảy của polyme organosilicon, chăng hạn như polycarbosilan (PCS) hoặc một trong các dẫn xuất của nó Họ polyme này chủ yếu được hình thành từ các vòng của sáu nguyên tử S¡ và C, định hình trước kiến trúc của cấu trúc blende- thời hạn của S¡iC Các nhóm metyl và nguyên
tử hydro được ghép vào các vòng nảy và, một phần, vẫn còn trong sợi sau khi chuyên đổi thành sợi gốm băng cách nhiệt phân trên 1200° C
o_ Tuy nhiên, trước khi quá trình này có thể diễn ra, liên kết chéo
của sợi tiền chất là cần thiết để tránh làm mềm hoặc sự nóng
chảy của sợi trong quá trình nhiệt phân Sự lựa chọn của các polyme tiền thân và quy trình liên kết chéo có ảnh hưởng lớn đến kết quả cuối cùng vị trí và cầu trúc vi mô của các sợi gốm
Xơ được đóng rắn bằng quá trình oxy hóa
©_ Yajima đã báo cáo việc chê tạo các sợi dựa trên SIC mịn đầu
tiên và các đông nghiệp của ông ở Nhật Bản vào giữa những
nặm 1970 2 và được thương mại hóa theotên, _ Ý
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 41980 Chúng được sản xuất từ sợi PCS đề đạt được liên kết
chéo băng cách xử lý nhiệt trong khơng khí ở khoảng 200 °
C Liên kết Si - H và C — H bên bị oxy hĩa và các liên kết Si
—=Ò~ 5ï hoặc S1 — O— C mới được tạo ra các cặp liên kết của chuỗi polyme Quá trình đĩng rắn này đã đưa oxy vào cầu trúc của sợi tiền chất đã cĩ các nhĩm bên hydro và metyl
ngồi Sĩ —- C của chuỗi chính Sự sai lệch này so với
(AptidRyRffMê đãu£!3titatBolttdrintittiidngtfodfgVu
300 đến 900 ° C Tuy nhiên, sau khi nhiệt phân ở khoảng
1200 ° C, lượng oxy đáng kể (12% trọng lượng) và cacbon
dư (C at / S1 at = 1,3) vân cịn trong gơm Các sợi thu được
được mơ tả là sợi dựa trên SiC, mặc dù bề ngồi của chúng
ance và tính chất cơ học khơng phải là những đặc tính cĩ thể mong đợi từ S1C Các NL-200 Nicalon sợi, đĩ là những đại diện nhất của loại sợi gồm này, cĩ đường kính 14um, dạng
thủy tỉnh đĩ là một nửa so với SiC số lượng lớn và chúng thể
hiện các đặc tính leo thang kém hơn nhiều như quan sát được
từ 900 ° C Điều này được giải thích bởi cấu trúc vi mơ của
sợi Chỉ 55% chất xơ được cấu tạo bởi B-SiC, cĩ trong dạng hạt khoảng 2 nm
Oxy, được đưa vào trong quá trình đĩng rắn, hình thành với cacbon và silic, pha Sỉ — C — O bên vững chiếm 35 đến 40%
sợi theo trọng lượng, phần cịn lại của sợi bao gồm các hạt
carbon tự do Pha S1 — C — Ơ cản trở sự phát triển của hạt và làm cho hạt bị rão Giai đoạn này bắt đầu phân hủy từ 1200 °
C Carbon và oxy dư thừa bị mắt trong dạng oxit của cacbon nhưng khơng cĩ sự đơng đặc của phần cịn lại đang phát triển
SIC ngũ cốc cĩ thể làm cho chất xơ mắt hết sức mạnh Sự suy thối này của sợi nhanh hơn trong mơi trường trơ hơn là trong khơng khí vì bên ngồi lớp silica được hình thành bởi quá trình oxy hĩa làm chậm quả trình thốt khí của sự phân hủy Tuy nhiên, bọt khí CO hình thành ở S1IC / SiO 2 g1ao
diện làm giảm độ bền của sợi
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 5
Hình thái đứt gãy của Nicalon NL-200 gốc SiC đóng rắn bằng oxy chất xơ
Sơi có đường kính I4um và có dạng thủy tỉnh
xuất hiện khi quan sát trong SEM (kính hiện vì điện tử quét)
Xơ được bảo dưỡng bằng cách chiếu xạ
o_ Việc cải tiến hơn nữa các sợi dựa trên SiC yêu cầu loại bỏ oxy từ cấu trúc Điều này đã đạt được nhờ Nippon Carbon bằng cách chiếu xạ- sợi PCS tiền thân ating với chùm điện tử 2 MeV Sĩ và nguyên tử C ngôi các gốc được hình thành và các phản ứng tái tổ hợp gốc-góc cho phép các chuỗi được liên kết chéo mà không có
oxy những Hi- Sợi Nicalon 5 bị nhiệt phân lên đến khoảng 1400
° C Hàm lượng oxy lả giảm xuống 0,5% trọng lượng nhưng sợi chứa nhiều carbon tự do hơn (C at / S¡ at = 1.39) vì càng ít oxit cacbon có thể rời khỏi sợi trong quá trình xử lý nhiệt
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 65,8% O 1,9% T
Carbon Nicalon 30,9% €
Type-S 0,2% O
Industies | SAI AI<1% 7,5 3.1 2,9 0,8 340
o_ở 1450 °C, nhiệt độ chỉ cao hơn nhiệt độ nhiệt phân, để tăng độ
kết tỉnh Cacbon bậc hai đã được chứn minh là phát triển trước song song theo câp sô nhân với một sô khía cạnh của hạt SiC và
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 7trong một số trường hợp có thể tạo thành lồng xung quanh
chúng, vì vậy hạn chê sự phát triên của chúng
o_ Quá trình xử lý bức xạ cũng được Ube Industries sử dụng để liên
kết chéo sợi PTC Sau khi nhiệt phân ở khoảng 1300 °
C, sợi LOX-E được thu được chứa 5% trọng lượng oxy Giả trị
oxy cao hơn này trong
©_ Sợi LOX-E so với sợi HI-Nicalon là do sự giới thiệu tion alkoxIt
titan để chế tạo PTC Kết quả là, điều này SỢI CÓ cầu trúc vi mô
và hành vi nhiệt độ cao có thể so sánh với các loại sợi giàu oxy
trước đây 6 A tiếp theo một loạt các sợi Tyranno thu được từ
một polyme PCS trên đó zirconrium acetylacetonate đã được
ghép 7 Việc sử dụng các hợp chất này đưa vào ít oxy hơn và cho phép giảm hàm lượng oxy đến 2% trọng lượng Cấu trúc vi mô
và hành vi leo thang của Tyranno ZE sợi thu được bằng cách xử
lý bằng bức xạ gần với sợi của Hi-Nicalon
Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có độ phân giải cao của
một sợi FH-Nicalon,
hiển thị các hạt f-SiC khoảng 10nm,
bao quanh bởi pha Sỉ — C kém tô chức và cacbon bậc ba
Trang 8oxy hóa, như đối với thế hệ xơ đầu tiên, bằng phản ứng của
nhôm axetylaxetonat với PCS cho Ube Industries hoặc bằng cách pha tạp PTC với boron cho Dow Corning Bằng các quy trình này, các sợi gốm có chứa hỗn hợp giàu oxy giai đoạn hạt,
tương tự như thế hệ sợi đầu tiên, được tạo ra Những sợi sau đó được nhiệt phân lên đến 1600 ° C cho Sylramic và 1800 ° C cho
Tyranno SA, do đó lượng carbon và oxy dư thừa có thể bị mất
dưới đỹng đàb/3J)% Bhônaiông như cát thộ B§išWiđ8'ÓEích
thước hạt là 200nm, với Các hạt T1B 2 trong sợi Sylramic trong
khi không có nhôm kết tinh các hợp chất được hình thành trong các sợi Tyranno SA Quy trình được thông qua bởi Nippon
Carbon được báo cáo là một ' quá trình Hi-NIcalon được sửa
đổi ' Các
Sợi tiền thân PCS được xử lý bằng cách chiếu xạ và nhiệt phân trong hydro bầu không khí phong phú lên đến 1500 ° C để giảm hàm lượng carbon tự do Hạt kích thước là 50 đến 100nm, như
trong Ba loại sợi chứa một lượng tự do đáng kể carbon, nằm ở
các túi giữa các cụm hạt S¡C, điều này giải thích tại sao mô đun Young của họ vẫn thấp hơn so với SiC thiêu kết số lượng
lớn Các sợi cho thấy các đặc tính rão được cải thiện nhiêu, với tốc độ rão của bậc 10 —8 s —1 ở 1400 ° € so với các thế hệ trước của sợi có tốc độ 10 —7 s —l ở cùng nhiệt độ Các Loại Nicalon Sợi S cho thấy tốc độ rão thấp hơn hai loại sợi còn lại và sợi nảycũng được thấy là duy trì nhiệt độ phòng lên đến 1400 °
C Việc sử dụng của quá trình đóng rắn điện tử cho tiền chất
PCS rõ ràng là có lợi, mặc dù nó áp đặt một hình phạt chỉ
phí Các chất hỗ trợ thiêu kết được sử dụng trong hai sợi được
coi là làm tăng tốc độ rão băng cách tăng tốc độ khuếch tán
Cầu trúc vi mô củasợi Hi-Nicalon T ype-ŠS được TEM tiết lộ
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 9Các sợi được cầu tạo từ các hạt SiC có kích thước từ 50 đến 100nm
và các ti tự docarbon
o_ Khi thành phần của các sợi tiếp cận với phép đo phân lớp, độ rão
thấp hơn và tốc độ oxy hóa thu được Tuy nhiên, họ SỢI này là có
khả năng bị giới hạn bởi quả trình oxy hóa ở nhiệt độ tôi đa 1400
°C,
Sợi SiC được làm băng cách lắng đọng hơi hóa học
o_ Sợi cacbua silic được tạo ra bởi CVD được sản xuất trên cả
vonfram và lõi cacbon Trong sản xuất thương mại, hỗn hợp khí được đưa vào nhiều điểm phun của lò phản ứng thắng đứng,
khoảng hai mét theo chiều dải Nhiệt độ dọc theo lò phản ứng đạt
cực đại từ 1400 đến 1500 ° C ở giai đoạn đầu của quá trình lắng
đọng Đi qua lò phản ứng có thứ tự trong một hoặc hai phút và tạo
ra một sợi với đường kính lớn hơn 100um Các silan chứa cacbon khác nhau có được sử dụng làm chất phản ứng Trong một quy
trình điển hình, với CH 3 SiCI 3 là chất phản ứng, SiC được lăng
đọng trên lõi như sau:
CH3 SICI 3 — S1C + 3HCI
©_ Sợi SIC được tạo ra trên lõi vonfram có đường kính 12m cho
thấy phản ứng mỏng lớp tive giữa SiC và vonfram tạo thành sản
phẩm phản ứng của a-W 2 C và W 5 S¡ 3 Làm nóng trên 900 ° C
dẫn đến sự phát triển của phản ứng này lớp và sự suy giảm các đặc tính của sợi
©o_ Các lõi sợi carbon có đường kính 33um, được sử dụng cho CVD
‡dtguffti‡rtarPádliiticbfngidyét (ạttbdnlll4RbflA6i vế HH ra
một đường kính đồng đều hơn Các sợi trên lõi carbon cho thấy sự phân cấp của thảnh phần, giảu carbon hơn gần bề mặt và trở thành
tọa độ SiC về phía bề mặt sợi Các sợi trên lõi vonfram có một lớp
phủ của SIC đo góc
©_ Trọng lượng riêng của đường kính I00um mét của sợi SIC-W là 3,35 trong khi của sợi SIC-C có đường kính I40um là khoảng 3.2
o_ Các sợi SiC ban đầu được phát hiện có độ phân tán rộng về độ
bên kéo và điều này đã được giảm bớt bằng cách phủ lên chúng một lớp carbon mỏng
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 10o_ Tuy nhiên, có nhược điểm là giảm liên kết giao diện, đặc biệt
băng hợp kim nhẹ Để khắc phục điều này, các sợi SiC được làm
trên lõi carbon và dùng đề gia cô các hợp kim nhẹ, được sản xuất
với lớp phủ bề mặt, thành phần của nó được tạo ra để thay đổi từ
giàu carbon đến silicon cacbua ở bề mặt ngoài Các sợi được sử
dụng để gia có titan có một lớp bảo vệ thay đổi từ giàu carbon đến
S0 9) vV7221050121)01-21100) BH tiếp đà tớ hà
chảy và phản ứng cao trong quá trình sản xuất composite loại sợi được Textron sản xuất dưới tên gọi SCS-6, như lớp phủ làm tăng
đường kính sợi lên 6um Chất xơ cho thấy không bị thoái hóa-
tion sau Š giờ ở 900 ° C khi nhúng vào ma trận T1 (6Al4V) Băng qua phần của sợi SiC đường kính 100um điền hình trên lõi
vonfram, được làm bằng DERA, được thể hiện trong
©o_ Cường độ nhiệt độ phòng của sợi là khoảng 4GPa Thấp ứng suất
hỏng hóc là do khuyết tật bề mặt trong khi cường độ cao hơn là
dohiigliárkhnôhbdihfØieMHhi44ở giảdidiệnrlúpeohúrlõtr&ứ600
° C trong thời gian dài, hầu hết có thể do quá trình oxy hóa các lớp bên ngoài giảu cacbon Ở nhiệt độ trên 900 ° C, phản ứng bề mặt giữa lõi vonfram và lớp phủ gây ra sự suy thoái của tải sản Ở nhiệt độ cao hơn, hạt vẫn phát triển ở lớp phủ S¡C có thể là
nguyên nhân làm giảm cường độ
— LỄ EEEE
Mặt cắt ngang của sợi SIC do CVD tạo ra trên lõi vonffam
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 112.2 Sợi chế tạo trên oxit khác
o_ Các loại sợi không oxit khác nhau đã được phát triển tại
2.3
O
phòng thí nghiệm hoặc thí điểm cáu cặn từ silicon khác có chứa tiền chất như polysilazane Các sợi thu được có cấu trúc
vô định hình dựa trên Si— C—N— O, Si—N hoặc Si—B—N
— C, nhưng kết tinh lại từ 1200 ° C hoặc cho thấy khả năng chống ôxy hóa kém
Các sợi boron nitride có cầu trúc tuabin định hướng cũng đang được được phát triên cho các ứng dụng cụ thê, nhưng về bản chât chúng không thích ứng với chông lại quả trình oxy hóa Sợi chê tạo trên các oxit gôc nhôm
Nêu các sợi hiệu suât cao phải tiêp xúc với môi trường oxy hóa và nhiệt độ trên 1400 ° C, chúng sẽ phải được làm từ các
oxIt với nhiệt độ nóng chảy cao ơ-alumina được sử dụng rộng
tigGúttFleàtdáegBéd4omó $Iife đập treeto đêu giefs là đỗo
thể thu được các sợi ø-alumin caoine không bị rão lên đến
1600 ° C nếu trục sợi hoàn toàn tương ứng với trục
[0001] Tuy nhiên không có khả thi các quy trình tồn tại hiện
nay để sản xuất các monocrys liên tục tốt và linh hoạt- sợi
caoine Do đó, chỉ có các sợi đa tỉnh thể mới có thể được coi là
gia cô đồ gốm Các tuyến xử lý khác nhau tôn tại để thực hiện
sợi và chúng dẫn đến một loạt các vi cầu trúc và hành vi tại
nhiệt độ cao
Chế tạo sợi từ alumin
Tiền chất của alumin là dung dịch nước nhớt của nhôm cơ bản AIXn(OH) 3- n, trong đó X có thể là phối tử vô cơ (CI -
NO 3 —) hoặc một phối tử hữu cơ (HCOOH -) 12 Quay tiền
chất tạo ra mộtsợi gel sau đó được làm khô và xử lý nhiệt
Sự phân hủy của tiên con trỏ tạo ra sự kết tủa của nhôm
hydroxit, chăng hạn như boehmite AIO (OH), và sự thoát ra
một lượng lớn các hợp chất còn lại Các sự thay đôi thể tích liên quan và độ xốp ở bước này phải được kiểm tra cần
thận Nó cũng có thể quay các sol nước dựa trên nhôm hydrox- 1des trực tiếp Trên 400 ° C và lên đến khoảng 1000 ® C, sợi
đHog¿sôtiápqœngũRô8iirBeg bÉa0økdgxf) đến¿Q0ữm, dạng
mịn Trên 1100 ° C, ơ-alumina ổn định và sự phát triển nhanh
HV: TRẤN THỊ HOA
Trang 12chóng của các hạt có kích thước micromet xảy ra cùng với sự kết tụ của các lô chân lông Các sợi trở nên cực kỳ giòn do ranh giới hạt nôi lên trên bê mặt sợi và không thê được sử dụng
©_ Do đó, việc sử dụng sợi alumnna trên I100 ° C đòi hỏi sự kiêm soát của sự tạo mâm và lớn lên của ơ-alumnn và độ xôp Thứ này đã được đạt được băng cách thêm tiên chât silica hoặc hạt
Bất ló lớp Ha Ú TH trên alumnn, mỹ t DNn ch ú yêu bao ?ôm các hạt ơ- afo ma liên tran n tiện chả ất sợi,và đã dẫn đến
alummn và sợi còn lại là transi-pha alumin tional cùng với pha
)
Đường kính(h
(Gpa)
Sức căng đến khi đứt
Modulus
(Gpa)
SợI
14%
BạO:›
10-12 hoặc 8-0