Whisker

Hlavní článek: Whisker (krystalografie)

Whisker (z angl.: knír, šlehač) je monokrystalické vlákno s vysokým poměrem délky k tloušťce.[1]

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.[2]

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.[2]

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. 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.[2]

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.[2]

  • 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.[2]

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.[3]

Vlastností a druhy vyráběných whiskerů

Následující tabulka obsahuje porovnání vlastností některých komerčně vyráběných whiskerů a vyztužujících vláken:[2]

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 0,1 μm 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. kompozity s matricí vyztuženou 5 % whiskerů Si3N4 mají více než dvojnásobnou houževnatost (8,8 ku 4) oproti matricím s výztuží z vláken Si3N4.[4]

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. 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. Zpracování je možné jen při nákladných ochranných opatřeních.[5]

Odkazy

Reference

  1. Kießling/Matthes: Textil- Fachwörterbuch, Berlin 1993, ISBN 3-7949-0546-6, str. 98
  2. a b c d e f Vlákna. Kompozity [online]. 2016 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online. 
  3. Whisker. Brenscheidt [online]. 2017 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online. (německy) 
  4. Microstructure. SciTech Connect [online]. 1992-06-01 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. BINNER, Jon; HOGG, Paul; MURPHY, John: Advanced Materials Source Book, Elsevier 2013, ISBN 978-1-4831-3581-6, str. 97

Literatura

  • S. M. Lee: Handbook of Composite Reinforcements, Wiley and Sons 1992, ISBN 0-471-18861-1

Související články

Zdroj