Whisker

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

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

Whisker (cca. 1 mm dlouhý) mezi bezolovnatými pozinkovanými kolíky

Materiál pro whiskery a jejich použití[editovat | editovat zdroj]

Jako základní materiál se pro whiskery nejčastěji používá grafit a karbid křemíku (SiC). Whiskery se dosud používají výhradně jako výztuž do kompozitů.

Výroba a vlastnosti whiskerů[editovat | editovat zdroj]

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.

Příklady výrobních postupů[editovat | editovat zdroj]

  • 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.

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.

  • 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.[1]

Nežádoucí růst whiskerů[editovat | editovat zdroj]

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 krátkému spojení.[2]

Vlastností a druhy vyráběných whiskerů[editovat | editovat zdroj]

Vlákno Specif.
hmotnost

g/cm³

Tažná
pevnost

GPa

Modul
pružnosti

GPa

Whiskery:
Al2O3(safír)
4,0 15,0 2 250
SiC (karbid křemíku) 3,2 21,0 840
grafit 3,0 19,0 700
Fe 7,8 13,0 210
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
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

• V tabulce vlevo je porovnání vlastností některých whiskerů a vyztužujících vláken: [3]

Whiskery mívají průměr (tloušťku) od 0,1μm a délku do cca. 20 mm.

Poměr délky k průměru tak může dosáhnout až 10 000.[4]

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.[5]

• V tabulce vpravo je příklad komerčně vyráběných whiskerů

(Nabídka čínského výrobce v roce 2010). [6] O způsobu jejich výroby, rozsahu prodeje a užitných vlastnostech není veřejně nic známo.



Škodlivost whiskerů[editovat | editovat zdroj]

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.

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Whiskery z chitinu (anglicky): http://www.iop.org/EJ/abstract/0957-4484/17/17/039
  2. Nežádoucí whiskery (německy): http://www.brenscheidt.com/whisker.html
  3. Mechanické vlastnosti vyztužujících vláken: http://tzs.kmm.zcu.cz/keramika2.pdf
  4. Vlastnosti whiskerů: https://skripta.ft.tul.cz/akreditace/data/2004-12-16/09-21-02.ppt
  5. Matrice s 5 % whiskerů: http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=705155DA2022161CB76AFEE1457C8CE9?purl=/10185016-sFDtky/
  6. Výrobce whiskerů a vláken: http://www.inorganicmaterials.cn/Inorganic%20fibres%20and%20whiskers.html