Whisker (z angl.: knír, šlehač) je monokrystalické vlákno s vysokým poměrem délky k tloušťce. Kießling/Matthes: Textil- Fachwörterbuch, Berlin 1993, , str. 98 náhled|Whisker (cca 1 mm dlouhý) mezi bezolovnatými pozinkovanými kolíky
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.
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.
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.
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.
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.
Vlastností a druhy vyráběných whiskerů Následující tabulka obsahuje porovnání vlastností některých komerčně vyráběných whiskerů a vyztužujících vláken: Vlákno Specif. hmotnost g/cm³Tažná pevnost GPaModulpružnosti GPaWhiskery:Al2O3 (safír)3,320,0310SiC (karbid křemíku)3,217,2690grafit3,019,0700 ß-Si3N4 3,2140,0385Vyztužující vlákna:Al2O34,02,1–2,8172–470SiC3,02,55400–600amorfní uhlík1,62,07688bavlna1,50,351,1PA 661,140,4–1,06–22
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.
Elektrická vodivost u grafitových whiskerů je 1,5 x 106 S/m oproti 1,4 x 105 S/m u uhlíkových vláken.
MateriálChemickésloženíPrůměrµmDélkaµmkarbid křemíkuSiC 0,3–1,45–30nitrid křemíkuSi3N40,1–1 1–200boritan hlinitý (safír)Al2O3.B2O30,5–110–30sádraCaSO41–4200–300oxid měďnatýCuO0,1–0,5 10–30mullit 3Al2O3. 2SiO20,5–17,5–20titaničan draselnýK2Ti6O130,2–120–80oxid hořečnatýMgO0,5–5 200–20 000hydroxid hořečnatý Mg(OH)20,01–5–10 000
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. BINNER, Jon; HOGG, Paul; MURPHY, John: Advanced Materials Source Book, Elsevier 2013, , str. 97
Odkazy
Reference
Literatura S. M. Lee: Handbook of Composite Reinforcements'', Wiley and Sons 1992,
Související články Krystalizace
Kategorie:Textilní vlákna Kategorie:Umělá textilní vlákna Kategorie:Vysoce výkonná textilní vlákna