Cesko.wiki Whisker
Author
Albert Flores: Hlavní článek: Whisker (krystalografie) Whisker (z angl.: knír, šlehač) je monokrystalické vlákno s vysokým poměrem délky k tloušťce. Whisker (cca 1 mm dlouhý) mezi bezolovnatými pozinkovanými kolíky
Materiál pro whiskery a jejich použití
Jako základní materiál se pro whiskery nejčastěji používá grafit a karbid křemíku (SiC). Whiskery se dosud používají výhradně jako výztuž do kompozitů.
Výroba a vlastnosti whiskerů
Whiskery rostou z přesycených plynů, chemickým rozkladem sloučenin, elektrolýzou, z tavenin nebo z pevných těles. V mnoha případech je tvoření whiskerů realizovatelné jen s použitím katalyzátorů.
Příklady výrobních postupů
Whiskery z karbidu křemíku (SiC) získané technologií VLS (vapour-liquid-solid), která je výhodná v tom, že umožňuje optimální řízení procesu a stejnoměrné vlákno:
Na substrát v reaktoru se zavede krystalický katalyzátor, např. ocel. +more Při teplotě cca 1400° C se katalyzátor taví a povrchovým napětím se z něj formuje kulička. Reaktorem se prohání plyn, který obsahuje směs vodíku s methanem a páru oxidu křemičitého (SiO2). Roztavená kapka se přesytí uhlíkem a křemíkem, což vede ke krystalizaci SiC na substrátu. Whisker roste, při čemž kapka katalyzátoru na jeho špičce zůstává.
Whiskery vyráběné v tomto reaktoru mají průměr 4-6 mikronů a jsou průměrně 10 mm dlouhé, s tažnou pevností 8,4 GPa a s E-modulem 581 GPa. Pevnost a pružnost je nejméně trojnásobná oproti obyčejným vláknům vyrobeným ze stejné sloučeniny. +more * Podle jiné technologie se odlučuje whisker z karbidu křemíku reakcí vodíku z methyltrichlorosilanu (CH3SiCl3) na uhlíkový podklad při 1500 °C. * Také kombinace chlorosilanu, oxidu uhličitého a methanu jako zárodek pro whisker z křemíku a uhlíku je možná.
* Z krevetových skořápek se dá kyselou hydrolýzou připravit α-chitin jako výchozí látka k výrobě whiskerů. Úspěšně byly zvlákněny whiskery s průměrnou délkou cca 0,5 mm a tloušťkou 31 nm.
Nežádoucí růst whiskerů
Na povrchu elektrotechnických součástek se mohou spontánně tvořit whiskery z cínu (tenčí než 1 mikron). Tyto monokrystaly rostou sice velmi pomalu, ale po několika letech může dojít u miniaturních kontaktů z toho důvodu ke zkratu.
Vlastností a druhy vyráběných whiskerů
Následující tabulka obsahuje porovnání vlastností některých komerčně vyráběných whiskerů a vyztužujících vláken:
| Vlákno | Specif. hmotnost g/cm³ | Tažná pevnost GPa | Modul pružnosti GPa |
|---|---|---|---|
| Whiskery: Al2O3 (safír) | 3,3 | 20,0 | 310 |
| SiC (karbid křemíku) | 3,2 | 17,2 | 690 |
| grafit | 3,0 | 19,0 | 700 |
| ß-Si3N4 | 3,2 | 140,0 | 385 |
| Vyztužující vlákna: Al2O3 | 4,0 | 2,1-2,8 | 172-470 |
| SiC | 3,0 | 2,55 | 400-600 |
| amorfní uhlík | 1,6 | 2,07 | 688 |
| bavlna | 1,5 | 0,35 | 1,1 |
| PA 66 | 1,14 | 0,4-1,0 | 6-22 |
Whiskery mívají průměr (tloušťku) od 0,1μm a délku do cca 20 mm. Poměr délky k průměru tak může dosáhnout až 10 000.
Tažná pevnost výchozí látky se u whiskerů využívá až k absolutnímu maximu (viz např. údaje u SiC).
Lomová houževnatost whiskerů je zpravidla podstatně vyšší než u polykrystalinových vláken ze stejného materiálu. Např. +more kompozity s matricí vyztuženou 5 % whiskerů Si3N4 mají více než dvojnásobnou houževnatost (8,8 ku 4) oproti matricím s výztuží z vláken Si3N4.
| Materiál | Chemické složení | Průměr µm | Délka µm |
|---|---|---|---|
| karbid křemíku | SiC | 0,3-1,4 | 5-30 |
| nitrid křemíku | Si3N4 | 0,1-1 | 1-200 |
| boritan hlinitý (safír) | Al2O3. B2O3 | 0,5-1 | 10-30 |
| sádra | CaSO4 | 1-4 | 200-300 |
| oxid měďnatý | CuO | 0,1-0,5 | 10-30 |
| mullit | 3Al2O3. +more 2SiO2 | 0,5-1 | 7,5-20 |
| titaničan draselný | K2Ti6O13 | 0,2-1 | 20-80 |
| oxid hořečnatý | MgO | 0,5-5 | 200-20. 000 |
| hydroxid hořečnatý | Mg(OH)2 | 0,01- | 5-10 000 |
Škodlivost whiskerů
Protože whiskery jsou velmi tenké a lehké, mohou se snadno vdechovat a na plících se neodbourávají. Platí proto za rakovinotvorné, zdravotní riziko je podobné jako u azbestových vláken. +more Zpracování je možné jen při nákladných ochranných opatřeních.
Literatura
S. M. Lee: Handbook of Composite Reinforcements, Wiley and Sons 1992,