ККМ упрочненные волокнами
ККМ, упрочненные частицами
Структура и свойства ККМ
Высокопрочные композиты на основе керамики получают путем армирования ее волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами.
В основе получения композитов с керамической матрицей, упрочненной частицами, лежат процессы изменения фазового состояния в результате образования центров кристаллизации, роста зерен, твердо- и жидкофазового спекания порошков. Для создания нанодисперсных гибридных материалов (CERAMER), таких как металл-керамические, полимер-керамические нанокомпозиты применяют современные химические золь-гель-методы.
Гибридные нанокомпозиты на основе керамики являются чрезвычайно перспективными материалами. Исходная пористость керамики даже полезна для создания таких композитов. Подобно дисперсным полимер-неорганическим композитам в качестве своеобразных «ловушек» для частиц армирующих элементов выступают оксидные сетки керамики с определенными размерами ячеек (пор). Применяют оксиды кремния и алюминия, стекла, слоистых силикатов и цеолиты – основные составляющие керамики. Особенно интересны цеолиты, для которых хорошо известны методы регулирования размеров пор. Композиты цеолит-металл повышают прочность и твердость мягких металлов, таких как алюминий, улучшают их электрические и оптические свойства].
Большое распространение получила пьезокерамика, способная поляризоваться при деформации и деформироваться под действием электрического поля, известные из которых изготавливаются на основе системы PbZrO3, PbTiO3. Нашли применение твердые электролиты с высокой полной проводимостью. Важнейший керамический диэлектрик – это оксид алюминия, а магнитные материалы, чаще всего ферриты, основной компонент которых – оксид железа. Нашла применение оптическая, прозрачная керамика на основе индивидуальных оксидов, например, оксида иттрия, а также бескислородных соединений. В атомной энергетике нашли применение теплоизоляционные материалы (А12О3, SiO2), ядерное топливо (UO2, PuO2 ), материалы регулирующих узлов (В4С, Sm2О3), замедляющих и отражающих материалов ( BeO, ZrO2, Вe2С), материалы нейтронной защиты (В4С, HγO3, Sm2О3), электроизоляции в активной зоне (А12О3, MgO), оболочек тепловыделяющих элементов (SiC, Sі3Nu), окон радиочастотного нагрева плазмы (А12О3, ВеО) и т.д.[14].
Керамико-металлические материалы сокращенно называют керметы, т.е. ККМ с металлическими волокнами, например, из вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику металлических волокон заключается в образовании пластичной сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность катастрофического разрушения. Металлические волокна не взаимодействуют с оксидной керамикой вплоть до температур 2073 – 2773 К. Изготавливают такие ККМ методом горячего прессования.
ККМ с углеродными волокнами. Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому использование керамики в качестве матриц высокотемпературных композитов с углеродными волокнами весьма перспективно.
Из углекерамических композитов наиболее широко используются композиции со стеклянной матрицей (боросиликатное, алюмосиликатное, литиевосиликатное и другие стекла). Углеродные волокна протягивают через суспензию стеклянного порошка в пропаноле, режут на слои, которые сушат, укладывают в форму и прессуют в вакууме или аргоне при температуре 1473 - 1573 К и давлении 3,5 – 14 МПа.
ККМ с волокнами карбида кремния. При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами – повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения. В качестве матрицы используют порошки боросикатного, алюмосиликатного, литиевосиликатного стекла или смеси стекол. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10- 12 мкм. ККМ, армированные моноволокном, получают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона при температуре 1423 К и давлении 6,9 МПа. Керамический композит Si-SiC, получаемый путем пропитки углеродного волокна ( в состоянии свободной насыпки или даже в виде войлока) расплавом кремния, может содержать карбидную фазу в пределах 25 - 90%. Механические характеристики ККМ увеличиваются с ростом содержания SiC. ККМ с волокнами углерода и карбида кремния обладают повышенной вязкостью разрушения, высокой удельной прочностью и жесткостью, малым коэффициентом теплового расширения .
Подбором соответствующих условий термообработки можно регулировать изменения структуры и свойств ККМ в широких пределах. Основные преимущества ККМ связаны с высокими температурами эксплуатации при одновременном значительном повышении прочностных свойств по сравнению с матрицей. Материалы на основе керамических матриц готовят смешиванием компонентов в различных установках с последующим формованием заготовок путем уплотнения, литья и др. Однако важнейшим этапом формирования структуры таких материалов является термическая обработка, часто весьма продолжительная.
Создание новых композиций на основе керамических составляющих постоянно расширяется. Применения ККМ чрезвычайно обширны и охватывают практически все области современной техники. Можно провести лишь два примера, показывающих большое значение керамических композитов: без создания ККМ на основе ферритовых магнитных сердечников было бы невозможно появление современных быстродействующих компьютеров, а получение ККМ на основе кремниевых оптических волокон позволило разработать экономически выгодные системы телекоммуникаций [11].
Традиционный выбор материала и проектирование компонентов конструкции были отдельными задачами. Когда композиты стали вытеснять металлы и сплавы из таких областей, как самолето-, судо- и автомобилестроение, промышленный дизайн и выбор материала соединились и стали просто различными аспектами одного процесса.
Контроль микроструктуры композита позволяет наилучшим образом учесть распределение нагрузок, которым будет подвергаться изделие. В то же время в конструкции изделия отразятся и отличительные свойства композита: зависимость от ориентации и сложности формы, которую им можно придать в процессах формования – при прессовании, прокатке, намотке, армировании и др.
Трудности, возникающие при одновременном конструировании изделия и его материала, предполагают, что промышленный дизайн будет все более зависеть от совместных разработок специалистов разных областей, а также от компьютерного моделирования этих работ. Только такой подход обеспечит полное использование потенциальных возможностей композитов в технологиях будущего.
Следует отметить, что наряду с конструкционной анизотропией композита существует технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации анизотропных материалов, присущая, например, кристаллам и связанная с особенностями строения кристаллической решетки.
Композиты, которые содержат два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называются полиармированными или гибридными. Гибридные композиты могут быть простыми, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковую геометрию, и комбинированными, если армирующие элементы имеют и различную природу, и различную геометрию. К искусственным относятся все композиты, полученные в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, к естественным – сплавы эвтектического и близкого к ним состава.
В эвтектических композитах армирующей фазой являются ориентированные волокнистые или пластичные кристаллы, образованные естественным путем в процессе направленной кристаллизации
Контрольные вопросы №15
1. Каковы области применения композиционных материалов с полимерными матрицами?
2. Перечислите основные виды ПКМ?
3. Какова удельная прочность ПКМ?
4. Каковы структурные особенности наногибридных полимер-неорганических композитов?
5. Каковы методы получения и свойства керамических композиционных материалов?