Whisker

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

Whisker (cca 1 mm dlouhý) mezi bezolovnatými pozinkovanými kolíky
Hlavní článek: Whisker (krystalografie)

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 0,1μm 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. 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]

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

Reference
  1. Kießling/Matthes: Textil- Fachwörterbuch, Berlin 1993, ISBN 3-7949-0546-6, str. 98
  2. Vlákna. Kompozity [online]. 2016 [cit. 2017-04-24]. Dostupné online. (česky)
  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
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.