Green Silicon Carbide for SiC-Reinforced Advanced Composite Materials

1. Core Properties for Reinforcement

2. Functions in SiC-Reinforced Composites

2.1 Mechanical Reinforcement & Toughening

• Capacidade de carga: As partículas rígidas distribuídas uniformemente partilham a tensão externa, aumentando a resistência à flexão e à tração em mais de 30%.
• Desvio de fissuras: obriga as fissuras a propagarem-se em torno das partículas e prolonga os percursos das fissuras, com tenacidade à fratura até 8 MPa·m¹ᐟ².
• Refinamento dos grãos: Restringe o crescimento dos grãos da matriz, obtendo-se uma melhoria simultânea da resistência e da tenacidade.

2.2 Melhoria da Gestão Térmica

• Estabelece percursos contínuos de condução térmica e reduz a resistência térmica interfacial. A condutividade térmica da matriz polimérica aumenta de 0,2 para 3,5 W/(m·K); a adição de 20% de SiC verde à cerâmica de alumina aumenta a condutividade térmica de 30 para 60 W/(m·K).
• O baixo coeficiente de expansão térmica é compatível com as matrizes, eliminando a tensão interna sob ciclos de temperatura de -50 °C a 200 °C e triplicando a vida útil da resistência ao choque térmico.

2.3 Melhoria Funcional

• Resistência ao desgaste: As partículas suportam a carga de fricção, aumentando em 3 vezes a resistência ao desgaste dos compósitos nos travões, rolamentos e outros componentes.
• Isolamento elétrico: O SiC verde de alta pureza apresenta um excelente isolamento para embalagens eletrónicas e módulos de alta tensão.
• Resistência à corrosão: Resiste a ácidos, álcalis e oxidação, mantendo um desempenho estável em ambientes húmidos e corrosivos.

3. Aplicações em Sistemas Compósitos Convencionais

3.1 Compósitos de matriz cerâmica (SiCₚ/SiC, Al₂O₃/SiC)

• Fórmula: 15–25% de micropó de SiC verde + matriz de SiC/Al₂O₃; temperatura de sinterização: 1600–1800 °C.
• Desempenho: Resistência ao calor acima de 1600 °C, resistência à flexão ≥500 MPa, condutividade térmica ≥60 W/(m·K).
• Aplicações: Componentes da extremidade quente de motores aeronáuticos, bocais de foguetes, substratos de dissipação de calor de semicondutores.

3.2 Compósitos de matriz metálica (Al/SiC, Mg/SiC)

• Fórmula: 10–20% de micropó de SiC verde + liga de alumínio/magnésio; fabricado por metalurgia do pó ou fundição injectada.
• Desempenho: Resistência específica 8 vezes superior à do aço, condutividade térmica ≥180 W/(m·K), coeficiente de dilatação térmica ≤5×10⁻⁶/°C.
• Aplicações: Suportes de baterias para veículos de novas energias, dissipadores de calor para estações base 5G, peças estruturais leves para o setor aeroespacial.

3.3 Compósitos de matriz polimérica (epóxi/borracha de silicone/SiC)

• Fórmula: 15–30% de micropó de SiC verde + resina epóxi/borracha de silicone; curado à temperatura ambiente ou média.
• Desempenho: Condutividade térmica ≥2 W/(m·K), tensão de rutura ≥15 kV/mm, vida útil contra desgaste duplicada.
• Aplicações: Encapsulante eletrónico, substratos para dissipação de calor de LEDs, juntas de interface térmica para dispositivos de alta potência.

4. Critérios de Seleção e Controlo de Qualidade Principais

1. Pureza : Escolha um grau de pureza ≥99,5% para eletrónica de ponta e aeroespacial; 98,5–99,0% para produtos industriais gerais resistentes ao desgaste. O excesso de Fe, Ca e outras impurezas irá deteriorar o desempenho da interface.
2. Tamanho das partículas : D50 1–3 μm para matriz cerâmica (elevada densidade de sinterização); D50 5–10 μm para matriz metálica (boa dispersibilidade); nanopartículas de 0,5–1 μm para matriz polimérica (elevada condutividade térmica).
3. Modificação da superfície : Tratamento com agentes de acoplamento de silano ou titanato para melhorar a adesão interfacial e reduzir a porosidade.
4. Controlo de impurezas : Carbono livre ≤0,2%, teor de oxigénio ≤0,5% para evitar a oxidação a altas temperaturas e reações interfaciais adversas.

5. Tendências de Mercado e Desenvolvimento