Dengan pesatnya perkembangan teknologi industri modern, teknologi pembentukan komposit matriks keramik telah menjadi bidang utama penelitian global. Di antara banyak komposit matriks keramik, silikon karbida (SiC) telah menarik perhatian selama beberapa dekade terakhir karena sifat mekaniknya yang sangat baik, kepadatan rendah, ketahanan terhadap korosi, ketahanan oksidasi yang kuat, stabilitas kimia dan termal yang baik, serta kinerja gesekan dan keausan yang luar biasa, menjadikannya material baru yang sangat menjanjikan. Skenario penerapannya mencakup-perangkat gelombang mikro berdaya tinggi dalam sistem komersial dan militer, perangkat elektronik seperti LED dan MOSFET, perangkat optik di bidang otomotif dan ruang angkasa, sensor sistem-elektromekanis mikro (MEMS) untuk lingkungan yang keras, sensor gas dan kimia untuk mesin pembakaran internal dan tungku, serta sensor fotolistrik dalam optoelektronik, yang menunjukkan prospek penerapan yang luas.
Si-Komposit SiC
Komposit Si-SiC terutama dibuat dengan reaksi sintering: bubuk SiC dan bubuk grafit dicampur dalam perbandingan tertentu dan ditekan ke dalam benda berwarna hijau, kemudian diinfiltrasi dengan silikon cair atau gas pada suhu di atas 1410 derajat dalam kondisi vakum, memungkinkan Si bereaksi dengan grafit, yang pada akhirnya membentuk komposit keramik padat berbasis SiC-. Bahan ini tidak hanya mewarisi karakteristik luar biasa dari SiC itu sendiri, namun juga menawarkan keunggulan seperti kepadatan rendah, kekuatan mekanik tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, dan koefisien muai panas yang sangat rendah, serta pemrosesan sederhana, suhu sintering rendah, biaya terkendali, dan fleksibilitas untuk digabungkan dengan proses pembentukan lainnya. Oleh karena itu, ia memainkan peran penting dalam banyak bidang.
Namun, ketangguhan patah yang rendah merupakan kelemahan penting dari komposit Si-SiC terikat reaksi, sehingga sangat membatasi penerapannya dalam skenario yang lebih berat. Untuk mengatasi kelemahan ini, penelitian saat ini terutama mengadopsi dua pendekatan optimasi: pertama adalah mengurangi kandungan Si bebas di dalam material melalui perbaikan proses, meningkatkan sifat mekanik dari perspektif kontrol komposisi; yang lainnya adalah memperkenalkan fase penguat ke dalam sistem material, meningkatkan ketangguhan patah melalui optimalisasi struktur, sehingga meletakkan dasar untuk promosi lebih lanjut komposit Si-SiC.
SiC-Komposit SiCf
Komposit SiC-SiCf adalah yang terbaik di antara komposit keramik berbasis SiC-, yang menggabungkan ketahanan-suhu tinggi, kekuatan spesifik tinggi, dan modulus spesifik tinggi, sekaligus menunjukkan perilaku pseudoplastik yang mirip dengan logam dan sensitivitas takik yang rendah. Mereka secara bertahap menjadi bahan pilihan untuk komponen-penampang panas utama mesin-pesawat dan komponen struktur termal pesawat supersonik, dan memegang posisi yang tak tergantikan-peralatan kelas atas seperti ruang angkasa. Komposit ini memiliki struktur hierarki multiskala yang kompleks, yang menimbulkan mekanisme rekahan berbeda pada berbagai skala spesifik serta karakteristik kegagalan gabungan lintas skala, yang menghadirkan tantangan dan peluang untuk kontrol kinerja yang tepat.
Melalui-penelitian mendalam, para ilmuwan telah berhasil menetapkan, dari perspektif mekanis makroskopis, hubungan antara sifat penyusun internal (seperti serat, matriks, dan antarmuka) dan perilaku mekanis komposit SiC-SiCf, sehingga memberikan dukungan teoretis untuk pengoptimalan kinerja material. Dalam hal teknik persiapan, metode umum saat ini mencakup infiltrasi prekursor dan pirolisis (PIP), infiltrasi uap kimia (CVI)/deposisi uap kimia (CVD), infiltrasi lelehan reaktif (RMI), pengepresan panas (HP), dll. Di antaranya, CVI dan PIP adalah teknik tradisional dan paling banyak digunakan. CVI mencapai densifikasi melalui dekomposisi, polikondensasi, dan pengendapan senyawa gas prekursor pada suhu tinggi di dalam media berpori, yang melibatkan langkah-langkah penting seperti difusi gas, adsorpsi, reaksi permukaan, dan desorpsi gas; sedangkan PIP lebih mahir mengisi pori-pori besar di dalam material.
Dalam produksi sebenarnya, mengingat keterbatasan proses tunggal, proses gabungan CVI/PIP sering digunakan. Kombinasi ini mengintegrasikan keunggulan deposisi fase gas CVI secara terus-menerus dengan efisiensi tinggi infiltrasi fase cair PIP, memungkinkan pemadatan komposit SiC-SiCf secara cepat, secara efektif meningkatkan efisiensi produksi dan kinerja material, sehingga memberikan dukungan teknis untuk penerapan skala besar-di bidang-kelas atas.
Ringkasan
Singkatnya, keramik silikon karbida dan dua tipe inti kompositnya, masing-masing memiliki keunggulan kinerja yang unik, menunjukkan nilai aplikasi yang luar biasa di banyak bidang utama industri modern. Dengan optimalisasi proses persiapan yang berkelanjutan dan pendalaman penelitian kinerja, materi ini akan memainkan peran penting dalam skenario yang lebih canggih, mendorong peningkatan dan pengembangan teknologi di industri terkait.