Whisker
- Hlavní článek: Whisker (krystalografie)
Whisker (z angl.: knír, šlehač) je monokrystalické vlákno s vysokým poměrem délky k tloušťce.[1]
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 | Modul pružnosti |
| 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]
Elektrická vodivost u grafitových whiskerů je 1,5 x 106 S/m oproti 1,4 x 105 S/m u uhlíkových vláken.[5]
| 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.[6]
Odkazy
Reference
- ↑ Kießling/Matthes: Textil- Fachwörterbuch, Berlin 1993, ISBN 3-7949-0546-6, str. 98
- ↑ a b c d e f Vlákna. Kompozity [online]. 2016 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online.
- ↑ Whisker. Brenscheidt [online]. 2017 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online. (německy)
- ↑ Microstructure. SciTech Connect [online]. 1992-06-01 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Graphene fiber: A new trend in carbon fibers [online]. 2015 [cit. 2024-02-02]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ 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
Média použitá na této stránce