αSiC

Aug 16, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4306 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, sono state studiate le proprietà meccaniche dei campioni sinterizzati senza pressione di composito a base di α-SiC contenente lo 0–3% in peso di grafene e lo 0–15% in peso di nano β-SiC. L'uso simultaneo di nano β-SiC e grafene e la trasformazione di β-SiC (3C) in α-SiC (6H/4H) hanno comportato un allungamento dei grani secondari di α-SiC, che ha migliorato significativamente le proprietà meccaniche (ad esempio resistenza alla frattura) del SiC ceramica. Secondo i risultati, la densità relativa più alta pari al 99,04%, il modulo di Young di 537,76 GPa e la resistenza alla frattura di 5,73 MPa × m1/2 sono stati ottenuti nel campione contenente il 5% in peso di nano β-SiC e l'1% in peso di grafene (5B1G ). Inoltre, sono stati confrontati due metodi di misurazione della resistenza alla flessione, inclusi i test di flessione a tre punti e i test biassiali (pistone su tre sfere). Sono stati preparati provini a forma di striscia per la prova di flessione a tre punti e provini a forma di disco per la prova di flessione biassiale. Ogni prova di flessione è stata valutata utilizzando una macchina di prova universale. I risultati hanno mostrato che la resistenza alla flessione biassiale è inferiore alla resistenza alla flessione su tre punti. Inoltre, la resistenza massima alla flessione su tre punti di 582,01 MPa e la flessione biassiale di 441,56 MPa sono state ottenute in campioni al 5% in peso di Nano β-SiC e all'1% in peso di grafene (5B1G). Gli studi hanno dimostrato che oltre ai numerosi vantaggi derivanti dall'utilizzo del metodo di flessione biassiale, i risultati hanno un andamento molto simile alla resistenza alla flessione a tre punti. Inoltre, le durezze più elevate di 28,03 GPa e 29,97 GPa sono state osservate nel campione contenente il 5% in peso di nano β-SiC (5B) con forze di 10 N e 1 N, rispettivamente. Uno dei meccanismi efficaci per migliorare la resistenza alla frattura delle ceramiche α-SiC è la deflessione/ponte delle cricche. Inoltre, la differenza nella dilatazione termica della matrice α-SiC e dei rinforzi, che porta alla creazione di tensioni residue tra i grani della matrice e il rinforzo, è efficace nel migliorare le proprietà meccaniche (ad esempio resistenza e tenacia alla frattura).

Al giorno d'oggi, il carburo di silicio (SiC) è una ceramica non-ossido ampiamente utilizzata con un tasso di produzione globale di circa 700.000 tonnellate/anno. Grazie alla sua durezza ultraelevata e alla resistenza al calore/ossidazione, viene utilizzato come materia prima e abrasiva per la produzione di parti quali forni refrattari ed elementi riscaldanti1,2,3,4,5,6,7,8,9. Il SiC ha due diverse strutture cristalline β-SiC e α-SiC con più di 180 politipi. Il politipo 3C con struttura cubica è noto come β-SiC e altri politipi (esagonale e romboedrico) sono noti come α-SiC. 6H, 4H e 2H sono i politipi α-SiC più comuni. A temperature elevate, il β-SiC (3C) è instabile e si trasforma in α-SiC (6H/4H), portando ad un aumento della lunghezza dei grani8,10,11. Un'altra importante applicazione del SiC è il suo utilizzo come agente siliconizzante e cementante nella metallurgia del ferro e dell'acciaio. Tuttavia, le applicazioni del SiC, a causa della sua bassa tenacità alla frattura e della scarsa sinterizzazione, sono limitate e pertanto sono già stati condotti molti studi in questo settore11,12,13,14,15,16.

Per la sinterizzazione del SiC sono necessari additivi e temperature elevate11,17. A seconda del tipo e della quantità di additivo, le ceramiche SiC possono essere compattate mediante sinterizzazione allo stato solido o liquido18,19,20,21,22,23,24. La sinterizzazione allo stato solido richiede solitamente una temperatura di sinterizzazione superiore a 2100 °C25,26,27. Gli additivi per sinterizzazione raggiungono un'elevata densità riducendo l'energia al bordo del grano e reagendo con la silice rimasta nelle superfici delle particelle di SiC9,11. Al contrario, il processo di sinterizzazione allo stato liquido eseguito a temperature comprese tra 1850 e 2000 °C degrada alcune proprietà come la tenacità alla frattura ad alta temperatura28,29,30,31,32,33,34,35,36. Negli ultimi anni, l’uso della nanotecnologia per migliorare le proprietà delle ceramiche SiC ha attirato l’attenzione. Di conseguenza, l'uso di nanoparticelle come rinforzo rispetto a quelle di dimensioni micro ha portato a proprietà più evidenti37,38.