Нитевидные материалы (усы)

Нитевидные кристаллы (усы). Нитевидные кристаллы карбидов и нитридов кремния, оксида и нитридов алюминия и других тугоплавких соединении получают осаждением из газовой фазы с использованием транспортных реакций, реакций пиролиза, востановления летучих соединений по методу пар–жидкость–твердая фаза (ПЖТ) (рис.5.18).

Рис.5.18. Микрофотография нитевидных кристаллов карбида кремния

Рост кристаллита карбида кремния (по схеме ПЖТ) происходит аналогично выращиванию кристалла кремния (рис. 5.19).

На поверхности кремниевой подложки 3 находится частица золота при температуре, близкой к температуре плавления. В этих условиях золото растворяет кремний и превращается в капельку 2 расплава золото—кремний. Пары кремния, конденсируясь в капельке расплава, пересыщают ее атомами кремния. Это ведет к выделению кремния на границе раздела жидкость—подложка и росту нитевидного кристалла 4. Поперечные размеры кристалла определяются диаметром кашли расплава, а скорость роста уса — скоростью кристаллизации поступающей к поверхности капли кремния.

Рис 5.19. Схема роста кристалла кремния по механизму пар–жидкость–кристалл: 1 – пар; 2– капелька расплава Au–Si; 3 – кремниевая подложка;4 – кристалл кремния

При получении нитевидных кристаллов карбида кремния их выращивание ведут из хлорсиланов и углеводородов по реакциям:

SiCl₄+ СН₄ = SiC+ 4HCl
CH₃SiCl₃ = SIC+ ЗНС1

В качестве жидкой фазы используют тройные расплавы железо–углерод–кремний, а подложкой служит графит. Процесс проходит при 1250–1350°C.

Диаметр кристаллита кремния в зависимости от условий получения изменяется от долей до десятков микрон. Длина кристаллитов достигает 60–80 мкм. В условиях производства для получения нитевидных кристаллов используют периодические, полунепрерывные и непрерывные процессы. В первых двух процессах рост кристаллов происходит на массивных стационарных подложках. В непрерывном процессе роль подложки выполняют взвешенные в объеме газового потока микроскопические центры кристаллизации.

Непрерывные процессы получения нитевидных кристаллов более производительны, но в этом случае кристаллиты имеют длину меньшую, чем длина нитевидных кристаллов, полученных периодическими и полунепрерывными методами.

Промышленные методы производства усов других соединений (нитридов кремния, алюминия, бора, оксидов алюминия) имеют много общего и аналогичны технологии получения карбидов кремния.

Усы, нитевидные кристаллы отличаются совершенством структуры и имеют прочностные свойства, близкие к теоретическим. Свойства наиболее изученных и практически используемых нитевидных кристаллов для армирования композиционных материалов приведены в табл. 7.

Усы графита, обладая высокими показателям удельной прочности и жесткости, неустойчивы в металлических матрицах при высоких температурах. Нитевидные кристаллы металлов из-за высокой плотности обнаруживают пониженную удельную жесткость по сравнению с соответствующими характеристиками усов тугоплавких соединений (SiC, В₄С и др.). Усы металлов склонны к разупрочнению при переработке, несовместимы с металлическими матрицами и непригодны для армирования металлических матриц. Нитевидные кристаллы SiO, Al₂O₃обладают лучшей совместимостью с металла­ми, стойки к воздействию влаги, истиранию при переработке. Обнаруживая лучшие высокотемпературные свойства, усы SiO, Al₂O₃и других тугоплавких соединений являются хорошими упрочнителями композиционных материалов с металлической матрицей.

Таблица 5.5. Свойства некоторых нитевидных кристаллов