Los whiskers de carburo de silicio son fibras monocristalinas de tama\u00f1o nanom\u00e9trico que presentan una estructura cristalina sin defectos y una excelente resistencia qu\u00edmica, y se utilizan principalmente para reforzar materiales compuestos de metal, cer\u00e1mica y pol\u00edmeros y aumentar la resistencia a la fractura.<\/p>\n
Tras la calcinaci\u00f3n, el whisker de b-SiC muestra una mejora significativa con respecto a la eliminaci\u00f3n de los fallos de apilamiento y la aparici\u00f3n de n\u00facleos de crecimiento de grano, formando grandes granos tabulares de a-SiC seg\u00fan los resultados de DRX, MEB y MET.<\/p>\n
Los whiskers de carburo de silicio son fibras monocristalinas de tama\u00f1o microm\u00e9trico que pueden transferir tensiones en respuesta a cargas externas, proporcionando refuerzo para materiales compuestos met\u00e1licos, cer\u00e1micos y polim\u00e9ricos en las industrias aeroespacial, energ\u00e9tica y de defensa. Los whiskers de carburo de silicio presentan una excelente resistencia al desgaste, a la corrosi\u00f3n y a la oxidaci\u00f3n a altas temperaturas, lo que los convierte en un excelente agente de refuerzo y endurecimiento.<\/p>\n
Los whiskers de SiC desempe\u00f1an un papel cada vez m\u00e1s destacado en la cer\u00e1mica estructural avanzada, pero los estudios sobre su microestructura bajo tratamiento a alta temperatura siguen siendo escasos. Hemos utilizado difracci\u00f3n de rayos X (DRX) y microscop\u00eda electr\u00f3nica de barrido para examinar los bigotes de SiC a temperaturas superiores a 2000 \u00baC; los bigotes crudos mostraron una severa aniquilaci\u00f3n de fallas de apilamiento con formaci\u00f3n de granos de b-SiC, mientras que los granos parciales de b-SiC sufrieron una transformaci\u00f3n de fase a granos de a-SiC de prisma hexagonal y prisma triangular, tal y como se observ\u00f3 mediante los an\u00e1lisis de DRX y SEM.<\/p>\n
Dado que estos whiskers pueden servir como agentes endurecedores, su uso como tales es un \u00e1rea de investigaci\u00f3n prometedora. Cuando se a\u00f1aden a una matriz cer\u00e1mica, los whiskers forman capas interfaciales de a-SiC y b-SiC que aumentan la tenacidad a la fractura al tiempo que disminuyen la disipaci\u00f3n de la energ\u00eda de propagaci\u00f3n de la grieta.<\/p>\n
Para evaluar la eficacia de este m\u00e9todo, se produjeron dos tipos de compuestos de matriz de bigotes: uno con bigotes Silar-SC-9 y otro con bigotes Tateho-SCW-1-S. Para evaluar su eficacia, se examinaron las curvas P-CMOD de estos compuestos en funci\u00f3n de la dosificaci\u00f3n de bigotes. Para evaluar su eficacia, se examinaron las curvas P-CMOD de estos composites en funci\u00f3n de la dosificaci\u00f3n de los bigotes; los creados con bigotes Silar-SC-9 mostraron valores CMOD m\u00e1s altos, lo que significaba que se hab\u00edan dispersado eficazmente en los defectos iniciales de su matriz de cemento y los hab\u00edan rellenado.<\/p>\n
Los compuestos fabricados con los bigotes Tateho-SCW-1-S mostraron un valor CMOD inferior, lo que sugiere que no rellenaron completamente la matriz. El an\u00e1lisis de las superficies de fractura mediante microscop\u00eda electr\u00f3nica de barrido revel\u00f3 un desprendimiento limitado de los bigotes Silar-SC-9, pero no de los Tateho-SCW-1-S, lo que demuestra que los procesos de puente y desprendimiento contribuyen a mejorar la resistencia a la fractura de los materiales compuestos fabricados con materiales endurecidos con bigotes.<\/p>\n
Los whiskers de carburo de silicio (SiC) se han desarrollado como materiales de refuerzo para aumentar las propiedades mec\u00e1nicas de los materiales compuestos de pol\u00edmeros, en concreto los compuestos de nailon. A diferencia de los rellenos met\u00e1licos o cer\u00e1micos, los whiskers de SiC ofrecen un m\u00f3dulo el\u00e1stico, una resistencia y una dureza superiores, as\u00ed como una mayor estabilidad qu\u00edmica, resistencia a la corrosi\u00f3n, resistencia a la oxidaci\u00f3n a altas temperaturas e incluso pueden incorporarse a los compuestos de nailon para aumentar la resistencia a la abrasi\u00f3n. Se han empleado distintos m\u00e9todos para sintetizar los bigotes de SiC, como la reducci\u00f3n carbot\u00e9rmica, la deposici\u00f3n qu\u00edmica de vapor o la combusti\u00f3n de materiales de desecho como la c\u00e1scara de arroz; sin embargo, la calidad puede diferir en cuanto a las dimensiones de su tama\u00f1o o la pureza de su producci\u00f3n.<\/p>\n
La producci\u00f3n de whiskers de SiC requiere una combinaci\u00f3n \u00f3ptima de materias primas: coque de carb\u00f3n, al\u00famina y s\u00edlice con alto contenido en carbono; la cascarilla de arroz constituye otra fuente ventajosa por su abundancia y relativo bajo coste. Una vez ensamblada esta materia prima, primero debe ser calcinada en aire para eliminar el exceso de carbono antes de reaccionar en un sistema continuo a granel a temperaturas de 1350 C-1800 C antes de ser purgada con gas inerte como medida de protecci\u00f3n contra la entrada de humedad y la erosi\u00f3n de las paredes del horno.<\/p>\n
La figura 1 representa un sistema continuo a granel para producir bigotes de SiC. Las c\u00e1scaras de arroz cocido se cargan en varios contenedores cil\u00edndricos 9 que se apilan en una bandeja 10. La parte curvada inferior 11 de cada contenedor est\u00e1 hecha de grafito para soportar las altas temperaturas que se alcanzan al reaccionar con los materiales de alimentaci\u00f3n, y despu\u00e9s se traslada continuamente a las zonas de deshidrataci\u00f3n, calentamiento y enfriamiento 14-18-19 para las reacciones antes de ser purgado con gas inerte para evitar que la humedad entre en el horno de conversi\u00f3n y dificulte el crecimiento de los bigotes.<\/p>\n
Una vez que la reacci\u00f3n alcanza temperaturas entre 1200 y 1600 grados C, la atm\u00f3sfera de CO se sustituye por arg\u00f3n. El resultado es la producci\u00f3n de whiskers de b-SiC con la longitud y el di\u00e1metro deseados, que se separan mediante tamices de las part\u00edculas de carburo de silicio que no han reaccionado antes de lavarse en agua caliente, secarse al vac\u00edo, envasarse y quedar listos para su distribuci\u00f3n.<\/p>\n
El carburo de silicio es un material extremadamente duro e inerte con una excelente resistencia al choque t\u00e9rmico que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren una larga resistencia, como embragues de autom\u00f3viles o placas cer\u00e1micas de chalecos antibalas. Adem\u00e1s, esta propiedad permite fabricar LED y sensores con carburo de silicio, y puede utilizarse como parte de materiales compuestos, como pol\u00edmeros o aleaciones met\u00e1licas como las aleaciones de titanio.<\/p>\n
La inhalaci\u00f3n de part\u00edculas finas de polvo supone un riesgo potencial para la salud y debe tenerse cuidado al manipular este material. Por ejemplo, al manipular bigotes de carburo de silicio, se recomienda encarecidamente el uso de mascarillas y guantes, ya que sus part\u00edculas podr\u00edan penetrar en el sistema respiratorio por inhalaci\u00f3n y provocar irritaci\u00f3n, inflamaci\u00f3n o incluso lesiones pulmonares permanentes.<\/p>\n
Los estudios sobre trabajadores expuestos a fibras minerales artificiales en el trabajo han demostrado una correlaci\u00f3n entre la exposici\u00f3n y patolog\u00edas pulmonares, como el c\u00e1ncer de pulm\u00f3n, y los bigotes de carburo de silicio -debido a su tama\u00f1o y forma similares- y la exposici\u00f3n. Aunque se han realizado estudios sobre su posible impacto a largo plazo en la salud, no existen estudios de investigaci\u00f3n epidemiol\u00f3gica sobre la exposici\u00f3n a largo plazo.<\/p>\n
Los bigotes de SiC se evaluaron mediante un ensayo de viabilidad celular con c\u00e9lulas pulmonares de h\u00e1mster chino V79, como era de esperar. El ensayo de viabilidad celular demostr\u00f3 que el SiCW-3S es m\u00e1s t\u00f3xico que el SiNW; adem\u00e1s, el ensayo de traducci\u00f3n al n\u00edquel revel\u00f3 que todos los bigotes ensayados pod\u00edan romper el ADN, aunque sus tasas de muerte celular difer\u00edan en funci\u00f3n de si conten\u00edan o no material granular similar a crocidolitos (SiCW-3 y SiNW).<\/p>\n
El estudio de los efectos de los bigotes de SiC en los compuestos de PA6 revel\u00f3 que la adici\u00f3n de un 2 % en peso de bigotes de SiC mejoraba significativamente la resistencia a la tracci\u00f3n, el alargamiento a la rotura, la tenacidad a la fractura y la ductilidad, cualidades especialmente ventajosas a la hora de dise\u00f1ar estructuras de compuestos que requieren altos niveles de deformaci\u00f3n durante el fallo.<\/p>\n
La presente invenci\u00f3n se refiere a m\u00e9todos y aparatos para la fabricaci\u00f3n continua de whiskers de carburo de silicio. El proceso descrito en la invenci\u00f3n requiere crear una primera zona de reacci\u00f3n que contenga part\u00edculas microfinas de di\u00f3xido de silicio mezcladas uniformemente con carbono o su precursor, con una proporci\u00f3n aproximada de cinco o mayor en peso entre el di\u00f3xido de silicio y el carbono. Cerca de la primera zona de reacci\u00f3n se forma una segunda zona de reacci\u00f3n que contiene una masa fibrosa porosa de carbono activo o un precursor de carbono infusible. La proporci\u00f3n entre el precursor de carbono y el carbono inactivo es tal que, al formarse los bigotes de este material, su pureza supera en varios porcentajes a la de los procesos convencionales de carburo de silicio en estado s\u00f3lido.<\/p>\n
Los investigadores descubrieron que el uso de un metal alcalino o un haluro met\u00e1lico alcalinot\u00e9rreo como promotor de la reacci\u00f3n puede producir un rendimiento muy alto de bigotes de carburo de silicio con una excelente dispersabilidad y una baja densidad aparente, lo que hace que la reacci\u00f3n sea a\u00fan m\u00e1s rentable cuando se calienta a temperaturas de entre 400 y 700 grados cent\u00edgrados, ya que a temperaturas m\u00e1s altas predomina la formaci\u00f3n de cristales y la velocidad de reacci\u00f3n disminuye considerablemente. Adem\u00e1s, las c\u00e1scaras de arroz asfixiadas entre 400 y 700 grados cent\u00edgrados resultan m\u00e1s eficientes, ya que las formas cristalinas prevalecen a temperaturas m\u00e1s altas, lo que provoca velocidades de reacci\u00f3n m\u00e1s lentas en general.<\/p>\n
Con una gran proporci\u00f3n molar de SiO2 respecto al carbono, la reacci\u00f3n se limita a producir SiO2. Por lo tanto, las impurezas no vol\u00e1tiles permanecen dentro de la s\u00edlice sin reaccionar en lugar de contaminar los whiskers de carburo de silicio con \u00f3xidos; en consecuencia, se obtienen whiskers con relaciones de aspecto muy elevadas y defectos m\u00ednimos como cuellos o ramificaciones.<\/p>\n
Los whiskers de carburo de silicio producidos mediante este m\u00e9todo tambi\u00e9n pueden conformarse f\u00e1cilmente utilizando m\u00e9todos adecuados en placas, barras, tubos, cilindros, esferas, alambres o gr\u00e1nulos para su uso como materiales de refuerzo o endurecimiento para cer\u00e1micas, metales y compuestos de pol\u00edmeros con el fin de aumentar la dureza, la resistencia, la inercia qu\u00edmica, la resistencia a la oxidaci\u00f3n, la estabilidad t\u00e9rmica, la estabilidad dimensional y la resistencia a la tracci\u00f3n. Adem\u00e1s, ofrece un m\u00e9todo sencillo pero rentable de producir whiskers de muy alta calidad adecuados para su aplicaci\u00f3n en estos campos.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Silicon carbide whiskers are nano-sized single crystal fibers featuring an indefect-free crystal structure and excellent chemical resistance, used primarily to strengthen metal, ceramic and polymer composite materials and increase fracture toughness. After calcination, b-SiC whisker displays significant improvement with respect to stacking faults being eliminated and grain growth nuclei emerging, forming large tabular a-SiC grains …<\/p>\n