Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Керамические композиционные материалы - файл 1.doc


Керамические композиционные материалы
скачать (158 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc158kb.06.12.2011 11:28скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Содержание


  1. Введение…………………………………………………………………3

  2. КМ на основе бескислородных матриц…………………………………..…6

  3. Композиционные материалы на основе нитрида кремния……………..7

  4. Композиционные материалы на основе карбида кремния…………10

  5. КМ на основе тугоплавких оксидов………………………………...……12

  6. КМ на основе оксида алюминия……………………………………….13

  7. «Вязкая» керамика на основе тугоплавких оксидов, армированных тугоплавкими волокнами…………………………………………..…..14

  8. «Вязкая» керамика на основе диоксида циркония………………..15

  9. Композиционные материалы на основе силикатных матриц………….16

  10. Список литературы………………………………………………....19

1. Введение

Керамические композиционные материалы имеют керамическую матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую арматуру. Условно к керамическим композиционным материалам относят также композиты с комбинированной матрицей, содержащей тугоплавкие неметаллические частицы и частицы металла, выполняющего функцию связки.

Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь, свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее высокий уровень рабочих температур композиционных материалов. Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет высокий уровень прочностных свойств на сжатие.

Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику по показателям вязкости к металлическим материалам привели к разработке керметов, т. е. материалов, имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50 % - керамика, а остальное - металл). Более эффективным является введение в керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Одинаковая с керметами термостойкость у композитов с волокнистым упрочнителем достигается в случае, если объемная доля волокна в 3 раза меньше, чем объемная доля частиц металла в керметах.

В керамических композиционных материалах нагрузка посредством матрицы передается на волокно. В том случае если модуль упругости волокна при растяжении меньше, чем модуль матрицы, нагрузку в первую очередь воспринимает матрица. При этом увеличение объемной доли волокна приводит к снижению прочностных свойств керамики.

Для того чтобы волокнистая арматура, вводимая в матрицу, обеспечивала увеличение прочностных свойств керамики, необходимо чтобы волокна представляли собой более жесткий по сравнению с керамической матрицей материал. Другим техническим решением позволяющим повысить прочностные свойства керамики за счет введения армирующих волокон, является предварительное напряжение арматуры. Механизм термического напряжения материала реализуется при использовании волокон, имеющих коэффициент термического расширения больше, чем у матрицы. В этом случае при охлаждении системы, находившейся при повышенных температурах, в керамической матрице возникают сжимающие напряжения. Эти напряжения повышают прочностные свойства керамики, снижают склонность матрицы к растрескиванию.

Основными способами производства керамических композиционных материалов являются прессование со спеканием, горячее прессование и шликерное литье. Первая из этих технологий неприемлема для получения композитов, армированных волокнами (особенно большого диаметра). Это объясняется тем, что волокна препятствуют уплотнению порошка, являются причиной образования дефектов структуры матрицы.

Тип армирующих волокон, используемых в керамических композиционных материалах, определяется условиями работы изделий (температурой, наличием и видом агрессивной среды). В том случае если армирующими элементами служат металлические волокна, эффективность работы композитов при высоких температурах будут определять газопроницаемость керамической матрицы, наличие в ней трещин. Работоспособность таких композитов при высоких температурах зависит от свойств металлических волокон. Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации. Наиболее часто для упрочнения керамики используются волок­на вольфрама, молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны по сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки, сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов. При увеличении объемной доли металлических волокон до 25 % вязкость и термостойкость керамических композитов повышается. При дальнейшем увеличении содержания волокна возрастает по­ристость керамических матриц и свойства композитов снижаются. Основными технологическими процессами получения керамических композиционных материалов с металлическими волокнами являются методы горячего прессования и шликерного литья.

При разработке керамических композиционных материалов в качестве армирующих элементов часто используют керамические волокна. Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем: малое различие модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жаростойкость керамических волокон. В качестве примера композита такого типа можно отметить материал с матрицей из оксида хрома, армированной усами муллита. Керамические матрицы из оксидов Al2O3 и MgO упрочняют монокристаллами ZrO2 и MgO, имеющими игольчатую форму, а также пластинчатыми кристаллами -глинозема и Cr2O3. Оптимальная объемная доля упрочняющих элементов составляет 10...20 %. Для получения композитов с пористостью матрицы менее 3 % применяют технологию горячего прессования. По сравнению с неармированной горячепрессованной керамикой термостойкость отмеченных композиционных материалов в 3...5 раз выше.

Эффективными армирующими элементами керамического типа в композиционных материалах являются волокна карбида кремния. Эти волокна применяются в сочетании с матрицами из боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного стекла. Карбид кремния используется в виде моноволокон диаметром - 10... 12 мкм. Технология получения композитов такого типа основана на горячем прессовании слоев лент волокна и стеклянного порошка. Прессование осуществляют в среде аргона.

Керамические композиционные материалы с армирующими керамическими волокнами перспективны для изготовления конструкций ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипников, лопаток газотурбинных двигателей, носовых обтекателей ракет, антенных обтекателей летательных аппаратов.

В качестве упрочняющих элементов керамических композиционных материалов могут быть использованы углеродные волокна. Для армирования керамики рекомендуется применять высокомодульные волокна. Матрицами в углекерамических материалах могут служить боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла.

Совокупность свойств, достигаемых при изготовлении армированных материалов, определяет их применение в многочисленных отраслях современной техники. Удельная прочность КМ является наиболее важной характеристикой, поскольку тесно увязывается с энергетическими расходами, эксплуатационными характеристиками и коммерческими соображениями, что особенно важно для таких областей техники, как авиация, космонавтика, ядерная энергетика, судо- и автомобилестроение.

В последнее время получены непрерывные монокристаллические -А12О3, поликристаллические -А12О3 и алюмосиликатные волокна. Из алюмосиликатных волокон производит тепловые экраны для возвращаемых космических кораблей типа Шаттл. Из этих волокон изготавливаются ленты шириной около метра. Пряжу из применяют также для оклейки кабелей, термопар, в качестве завесов термических печей, огнезащитных материалов.

Для получения армированных КМ на основе металлических матриц чаще всего используются процессы пропитки под давлением расплавом металла или металлосодержащей органикой с последующим отжигом в соответствующей среде. Эти методы наиболее перспективны, поскольку позволяют вводить волокна без сколько-нибудь заметного их повреждения. Армирование хрупких матриц хрупкими волокнами, модуль упругости которых выше, чем керамики, позволяет получить значительный выигрыш не только в повышении термостойкости и сопротивлении вязкостному разрушению, но и в прочности на изгиб, разрыв и сжатие.
^ 2. КМ на основе бескислородных матриц
Свойства нитрида и карбида кремния во многом зависят от методов их получения. Количество, состав и кристалличность фаз, располагающихся по границам зерен, оказывают большое влияние на свойства материала и определяют их. Материалы на основе безоксидной кремнийсодержащей керамики получают традиционными методами керамической технологии: шликерным литьем термопластичных масс, прессованием с последующим спеканием, горячим или изостатическим прессованием, а также комбинацией этих методов. С целью повышения прочностных характеристик указанных материалов вводят в исходную шихту металлорганические соединения или мелкозернистые химически активные порошки, получаемые при их разложении, используют пропитку пористого керамического каркаса из газовой или жидкой фазы путем разложения соответствующих ионогенных органических или неорганических соединений.

При получении керамики необходимо учитывать склонность нитрида и карбида кремния к окислению при высоких температурах с образованием стеклообразных пленок по границам отдельных кристаллов. Это обеспечивает, с одной стороны, достаточно высокую устойчивость против высокотемпературной ползучести, с другой — придает материалам повышенную хрупкость, особенно, если речь идет о материалах на основе карбида кремния.

Свойства материалов на основе нитрида и карбида кремния очень зависят от предыстории и чистоты исходного сырья, его зернистости, технологии получения и наличия в материале сопутствующих примесей. Поскольку у высокочистых исходных порошков при отжиге не происходит эффективного спекания частиц, то в шихту обязательно вводят активирующие добавки, образующие с основным материалом относительно стабильные аморфные фазы, понижающие поверхностную энергию на границе между контактирующими частицами за счет появления промежуточных прослоек и очагов схватывания. В качестве таких добавок, как правило, используются для карбида кремния 1—2 % углерода и 0,5 % бора, оксиды бериллия, алюминия, а для нитрида кремния — оксиды бериллия, магния, алюминия, кремния, иттрия. Введение указанных добавок приводит к появлению жидкой фазы в процессе формирования материалов, а после его охлаждения — аморфной или кристаллической, располагающихся по границам зерен, которые при температурах выше 1273 К, как правило, размягчаются и значительно ухудшают прочностные характеристики материалов.

Для увеличения жаропрочности рассматриваемых материалов обычно используются следующие приемы: уменьшение толщины межзеренных прослоек и концентрации примесей в них, введение специальных добавок, применение органических соединений с последующим их разложением, обеспечивающим равномерное распределение легирующих добавок на поверхности частиц исходного порошка.

^ 3. Композиционные материалы на основе нитрида кремния
Нитрид кремния существует в двух модификациях, которые имеют гексагональную структуру с несколько отличающимися параметрами решетки. -Si3N4 имеет теоретическую плотность 3,43 г/см3 и при температуре 1823 К переходит в -Si3N4 с плотностью 3,187 г/см3, который при температуре 2073 К возгоняется. Модификации нитрида кремния обычно различаются по величине зерна и форме. Так, прессовки из -Si3N4 не обладают матовой поверхностью, содержат большое количество пор, материал характеризуется мелкоигольчатой структурой, располагающейся по границам равноосных зерен -фазы.

На основании сопоставления данных по измерениям прочности и электронно-микроскопического анализа структуры можно прийти к заключению о том, что увеличение степени кристалличности межзеренных прослоек приводит к росту жаропрочности, на нее также оказывают влияние пористость материала, размер и форма зерен.

Большой разброс в свойствах рассматриваемых материалов определяется характеристиками исходных порошков, наличием микропримесей и легирующих присадок, а также технологией получения этих материалов. В общем случае свойства материалов зависят от химического и гранулометрического составов исходных порошков, микропримесей, микроструктуры, определяемой размером зерен, количеством, размером и характером распределения пор, стабильностью структурных характеристик при температуре эксплуатации в агрессивных средах.

В настоящее время для получения порошков широко используются химические методы, в том числе разложение металлорганических соединений, введение легирующих примесей в виде порошка или покрытий, препятствующих увеличению размеров зерен при изготовлении материала и при последующей его эксплуатации. Эти приемы позволяют в значительной степени уменьшить размер зерен в изделии, что является необходимым условием для получения мелкозернистой структуры материала, обладающего достаточно высокими физико-механическими свойствами.

Все большее применение в качестве исходного сырья находят порошки, получаемые путем термического разложения соответствующих солей, например, карбонатов, оксалатов, гидрооксидов Известны приемы измельчения зерен путем предварительной металлизации исходного порошка карбида кремния, нитрида кремния и алюминия, оксида циркония и диборида титана. Наиболее четко влияние измельчения зерен путем нанесения легирующего покрытия на исходный порошок обнаружено у карбида кремния, размеры зерен которого в готовом изделии составляют 0,05—0,1 мкм. Прочность в процессе четырехточечного изгиба при комнатной температуре и 1683 К достигает соответственно 1360—2070 и 3450— 4140 МПа.

Таким образом, важным преимуществом описанных выше методов получения керамических материалов по сравнению с традиционными, является возможность использования более низких температур формования.

Электронно-микроскопические исследования показали, что горячепрессованный нитрид кремния, полученный из промышленного порошка, содержит большое количество примесей, которые приводят к появлению по границам зерен кристаллических включений. Они определяют свойства материала при высоких температурах. Химический анализ показывает наличие в нем большого количества примесей железа, кальция, алюминия, которые располагаются по границам зерен в виде оксидных включений. Также обнаружены хром, никель и карбид кремния, а между зернами нитрида кремния — кристаллы сиалона. Сопоставление микроструктуры с механическими свойствами показывает, что процесс распространения трещин определяется количеством примесей, группирующихся по границам зерен.

С целью уменьшения примесных фаз переходят на метод получения нитрида кремния горячим прессованием в среде азота, комбинирование методов горячего или изостатического прессования с реакционным спеканием или горячего прессования с последующим отжигом в среде азота.

С увеличением продолжительности спекания растет плотность и, следовательно, прочность материала. Спеченный под низким давлением азота нитрид кремния является более плотным, чем реакционно-связанные материалы. Для активирования спекания используются оксидные добавки, однако их влияние на прочностные свойства немного ниже, чем в случае горячего прессования. Это, в частности, касается оксидов алюминия и магния, которые широко используются для активации спекания. В качестве добавки используют оксид иттрия.

Хорошие результаты достигаются при использовании комбинированных методов получения нитрида кремния. Например, известен метод получения изделий из нитрида кремния, заключающийся в размещении предварительно сформованной заготовки в стеклообразной газопроницаемой оболочке, получаемой методом окунания или напыления с последующим горячим изостатическим прессованием.

Свойства кремниевой керамики в большей степени зависят от пористости материала, чем от технологии его получения. Из сравнения данных по горячепрессованным, спеченным и реакционно-связанным материалам следует, что существует экспоненциальная зависимость прочности при изгибе от пористости материала при комнатной температуре. Таким образом, прочность нитрида кремния находится в прямой зависимости от пористости, поскольку источником разрушения обычно являются поры и их скопления, что особенно проявляется в реакционно-связанном нитриде кремния. Этой же зависимостью описывается прочность и горячепрессованного нитрида кремния, хотя она контролируется не столько пористостью, сколько наличием различных примесей на границах зерен, их размерами, степенью их взаимной ориентации.

Полностью потенциальные возможности этого класса материалов не используются из-за их тенденции к хрупкому разрушению во всем интервале температур до 2270 К. Поэтому проводятся работы по преодолению этого недостатка путем насыщения волокнистого скелета, состоящего из карбидокремниевых нитей, пряжи, препрегов, выполненных из усов на органическом связующем. Уплотнение композитов проводится пропиткой из газовой фазы жидким кремнием или его сплавами, органосиликатными полимерными материалами с последующим превращением в карбиды.

Представляет значительный интерес композиционный материал на основе Si3N4, армированный 40% волокон SiC, легированный оксидами магния или иттрия. Его прочностные характеристики достаточно велики, и он может использоваться в качестве конструкционного высокотемпературного материала, например, при изготовлении деталей керамического двигателя. Кроме волокон карбида кремния, для армирования Si3N4 перспективны алюмосиликатные или углеродные волокна.

Высокие прочностные характеристики КМ на основе нитрида кремния позволяют их использовать в качестве быстрорежущего материала. Например, используют КМ, состоящий из смеси порошков Si3N4 и Y2O3 как матричную фазу и карбидов титана, частиц вольфрама, тантала, гафния и кремния в качестве упрочняющей фазы, средний размер которых составляет 2 мкм, а количество варьируется от 10 до 50 % объемной доли. Все композиции получают горячим прессованием в инертной среде при температуре 1995 К. Испытания показывают, что указанные материалы обладают высокой устойчивостью к окислению, термостойки, устойчивы к химическому и абразивному износу и могут быть использованы не только взамен быстрорежущего вольфрамсодержащего инструмента, но и как конструкционный материал, обладающий высокой износоустойчивостью.

Следует отметить, что материалы, полученные по описанной выше технологии, обладают высокими прочностью при вязкостном разрушении, теплоизоляционными свойствами, что позволило их использовать в качестве конструкционного материала для передней части космического корабля по программе «Шаттл».

Наблюдается значительное повышение ударной вязкости керамики на основе нитрида кремния, армированной металлическими волокнами из вольфрама и тантала. Эти композиты обладают низкой термостойкостью, и их прочность при выдержке в аргоне и водороде при температуре до 1340 °С в течение 5 ч существенно повышается из-за образования по границам раздела зерен стеклофазы.

^ 4. Композиционные материалы на основе карбида кремния
Хотя карбид кремния в течение многих лет рассматривается как материал, применяющийся при высокой температуре, однако его технический потенциал используется неполностью из-за тенденции к хрупкому разрушению во всем интервале температур до 2270 К. Карбид кремния образует две полиморфные модификации: кубическую -SiC со структурой типа алмаза, которая при температуре выше 2273 К монотонно переходит в гексагональную -SiC со структурой слоистого типа. Карбид кремния имеет высокий модуль упругости 417 ГПа, прочность при изгибе 385—483 МПа. Его обычно получают пропиткой углеродного каркаса кремнием либо реакционным спеканием смеси карбида кремния с кремнием в углеродосодержащей среде или горячим прессованием. Высокотемпературное поведение карбида кремния контролируется количеством и характером распределения кремниевой фазы, объемная доля которой обычно составляет 5—15 %. Наличие последней ограничивает верхний температурный предел применения такого материала, который составляет не более 1573 К. Спеченный карбид кремния обнаруживает повышенную плотность и, соответственно, прочность.

При этом температура эксплуатации материала может быть повышена до 723 К, даже при достаточно длительных выдержках eго прочность составляет 416МПа, а зависимость напряжение — деформация линейна. Горячепрессованный карбид кремния обладает высокой прочностью, которая достигает 690 МПа, однако при температуре 1473—1673 К происходит ее резкое падение. Обычно для улучшения уплотнения вводят легирующие добавки оксида алюминия или карбида бора примерно 2 %.

Прочностные характеристики керамических материалов в значительной степени зависят от качества исходных порошков, поэтому в последнее время широко используют химические методы их получения, в частности, метод разложения кремнийсодержащих органических или неорганических соединений.

Форма частиц порошков карбида кремния, полученных разными методами (химическим разложением паров кремнийорганических соединений, высокотемпературным спеканием в среде азота, путем карботермического восстановления полимеров) округлая или ограненная, удельная поверхность колеблется в пределах 10 000—20 000 м2/кг. Порошки обладают высокой формуемостью и спекаемостью.

Показано, что в композитах из карбида кремния, в которых матрицы формируют газофазным осаждением, реакционным связыванием или пропиткой органосиликатным предшественником с последующим отжигом, увеличивается прочность при изгибе и вязкостном разрушении.

Еще белее повысить прочность карбидокремниевых КМ удается при помощи введения в парогазовую смесь небольшого количества боросодержащей кремниевой керамики. При этом материалы„ состоящие из карбида или нитрида кремния, обладают прочностью при изгибе порядка 475 МПа.

В композитах с плотной матрицей образование и распространение начальной трещины происходит, если напряжение при деформации чистой матрицы достаточно велико. Найдено, что эффект упрочнения достигается в том случае, если модуль Юнга и напряжения при деформации в волокнах (усах) выше, чем в матрице SiC в том случае, когда упрочняющие элементы не подвергаются химическому воздействию в технологическом процессе получения композита. В случае полной адгезии между волокном и матрицей, т. е. в КМ, получаемых методами газофазной пропитки пористого каркаса, наблюдается повышение прочности и на разрыв, однако хрупкое поведение этих материалов не может быть преодолено.

Присадки карбидов титана бора и кремния повышают устойчивость композитов в окислительной среде за счет образования стеклофазы, защищающей от диффузионного проникновения кислорода при 1370 °К в течение 700 ч на воздухе. Увеличение трещиностойкости рассматриваемых композитов возможно за счет введения дисперсных фаз оксидов циркония и гафния — до 85%. Керамику получают методом горячего прессования смеси порошков при температуре 2120 и 2270К для образцов, содержащих соответственно ZrO3 и НЮ2.

При получении керамических КМ особое внимание нужно уделять оптимизации адгезионных свойств на границе раздела волокна и матрицы. Необходимо модифицировать поверхность упрочняющего волокна таким образом, чтобы граница раздела волокна и матрицы способна была поглощать трещины за счет релаксации напряжений на субмикронном уровне в широкой области циклических нагрузок и напряжений. В настоящее время по-прежнему уделяется большое внимание применению традиционного метода реакционного спекания и новых усовершенствованных методов, в частности, пропитке из газовой фазы при определенном градиенте температур и давлений.

^ 5. КМ на основе тугоплавких оксидов
Оксиды обладают высокой тугоплавкостью, химической стабильностью в широком диапазоне температур и поэтому являются весьма перспективными для использования в качестве матричных и упрочняющих фаз при конструировании композиционных КМ. Процесс армирования позволяет преодолеть существенные недостатки оксидных материалов, таких как высокая хрупкость, низкая деформируемость и устойчивость к термомеханическим нагрузкам. Оксиды алюминия и циркония являются основными матричными материалами, которые вызывают наибольший интерес благодаря своей высокой тугоплавкости и чрезвычайной химической инертности. В качестве армирующей фазы в КМ на их основе обычно используются ультрадисперсные порошки, волокна и дискретные монокристаллы (усы) муллита, оксидов кремния, иттрия алюминия и циркония, карбида и нитрида кремния, графита.

^ 6. КМ на основе оксида алюминия
Эти КМ перспективны для применения при производстве огнеупоров, в микроэлектронике и т.д. Его высокая механическая прочность, абразивостойкость, огнеупорность, химическая инертность делают его незаменимым во многих отраслях народного хозяйства. Однако низкая термостойкость изделий из оксида алюминия затрудняет его использование при высокой температуре и циклических тепловых нагрузках. Поверхностные термические трещины в А12О3 появляются уже при охлаждении от температуры 470 К, а при охлаждении от температуры 870 К на­блюдается образование трещин по всему объему.

В качестве примера можно привести КМ на основе А12О3 с высокой ударной прочностью, которая достигается упрочнением графитом или карбидом кремния в виде усов волокон. В КМ из оксида алюминия, армированном усами SiC, наблюдаете значительное повышение ударной прочности, что позволяет исполь­зовать этот материал для изготовления режущего инструмента.

Известны попытки получения КМ на основе оксида алюминия и частичек графита, полученных превращением алмаза при термообработке. Эта добавка при объемной доле 5 % значительно улучшает работу материала на сжатие. При армировании оксида алюминия углеродными волокнами с покрытиями из карбида кремния при объемной доле 40 % достигается прочность на изгиб 500 МН/м2 и вязкость разрушения К = 10 МН/м32. Вследствие более низкой температуры горячего прессования и лучшего уплотнения муллитового матричного материала по сравнению с оксидом алюминия удалось получить значение прочности при изгибе, равное 800— 900 МН/м2.

Испытания показали, что на величину вязкости разрушения наличие защитного покрытия не оказывает влияния, что свидетельствует об образовании промежуточного слоя между поверхностью углеволокна и матричным материалом в процессе горячего прессования. Наилучшей химической совместимостью с оксидом алюминия и муллитом обладают волокна оксида алюминия, однако они разупрочняются при температуре выше 1270 К. При таких низких температурах не достигается необходимое уплотнение ксерогелей, следовательно, не может произойти повышение прочности. Однако при армировании муллита при объемной доле углеродного волокна с покрытием SiC 40 % значение К возрастает от 4 до 7 МН/ м32.

Используются композиции с керамической матрицей из оксида алюминия, армированной нитевидными кристаллами А12О3 и SiC. К наиболее часто встречающимся технологическим проблемам относятся прилипание композита к форме и растрескивание при сушке, а также сегрегация армирующих волокон. Поэтому в шихту добавляют определенные флокулянты, форму смазывают специальным веществом, растрескивание исключают введением глицерина. Композиты получают двумя способами — либо заливая золь на предварительно подготовленный мат или ткань, либо многократным погружением ткани в раствор с последующим нагревом до 570 К. Метод многократной пропитки с промежуточным отжигом при 670 К позволяет значительно повысить плотность. Окончательный отжиг производят при 1470 К. Это позволяет избежать операцию горячего прессования.

Из этих материалов изготовляют фасонные изделия, которые могут быть обработаны на станке, в изделие вводятся упрочняющие ребра жесткости, усиливающие конструкцию. Волокна из оксида алюминия находят широкое применение в качестве высокотемпературной теплозащиты в космонавтике и огнеупорной промышленности. Используется нетканый материал из оксида алюминия, армированный пучками из того же оксида алюминия.

^ 7. «Вязкая» керамика на основе тугоплавких оксидов, армированных тугоплавкими волокнами
Большие перспективы открываются при применении «вязкой» керамики на основе оксидов алюминия, муллита, оскидов цинка, магния и нестабилизированных волокон диоксида циркония. Прочность у таких материалов сохраняется на одном и том же уровне после отжигов в течение многих сотен часов при температуре 1270 К, тогда как проч­ность КМ, армированных стабилизированными волокнами ZrO2, очень уменьшается уже при первом увеличении температуры до 1270 К. Аналогичная ситуация наблюдается при использовании в качестве упрочнителя частицы частично стабилизированного диоксида циркония.

Исходный порошок, содержащий 17 % ZrO2, получают методом совместного соосаждения соответствующих сульфатов алюминия и циркония, а образцы КМ — методом изостатического прессования при 600 МПа и спекания заготовок на воздухе при температуре 1270—1570 К. Результаты исследований показали, что в КМ на основе А12О3, содержащих моноклинный диоксид циркония в качестве упрочняющей фазы, при напряжениях стимулируется фазовый переход в тетрагональную модификацию. Этот переход способствует повышению ударной вязкости и прочности керамических материалов из А12О3, армированных моноклинными частицами диоксида циркония.

Композиты изготавливают из рубленых волокон А12О3 (10 %), смешивая их с порошком ZrO2t стабилизированным 3,5 мол. % оксида иттрия, выпускаемым фирмой Zircar. Волокна диспергируют в порошковой матрице методом смешения, полученную смесь изостатически прессуют при давлении 310 МПа и спекают при 1795—1820 К в течение 2 ч. Затем некоторые из деталей подвергают горячему изостатическому прессованию при 1795 К в течение 1 ч. Полученная плотность композита составляет 92—95 % от теоретической. Детали, изготовленные спеканием, имеют плотность на 30 % ниже. Небольшая твердость HV = 1300 получена на деталях после горячего прессования, максимальная вязкость разрушения 12 МПа • м1/2 — на изделиях, не подвергнутых горячему прессованию. Микроструктурные исследования испытанных материалов показали наличие ветвления и отклонения трещин, которые вместе с мартенситным переходом также повышают вязкость разрушения. Дальнейшее увеличение вязкости разрушения можно обеспечить, регулируя свойства границы раздела волокно — матрица и выби­рая оптимальные режимы спекания — прессования.
^ 8. «Вязкая» керамика на основе диоксида циркония
Такая керамика изготавливается из композиционных порошков, волокон в виде теплоизоляционных высокотемпературных материалов на основе оксидов кремния, алюминия, циркония и гафния. Материалы из оксидов циркония и гафния, содержащие 87—92 % ZrO2, обладают плотностью 0,48—1,44 г/см2, пористостью 70—91 %. Они устойчивы при температурах до 1770—2470 °К, из них изготавливают ткань толщиной 0,2—2,5 мм, которая используется в качестве эластичной изоляции. Керамика на основе диоксида циркония, леги­рованного оксидом магния, обладает довольно высоким коэффициентом вязкостного разрушения 3—10. Для сравнения К литого железа равно 26, а стекла 0,5 МН/м3⁄2. Такое повышение К можно объяснить тем, что спонтанно образующаяся и быстро распространяющаяся трещина внезапно наталкивается на области высокотемпературной фазы. Энергия распространения трещины релаксируется мгновенно, переводя эту фазу в низкотемператур­ную, что приводит к рассеиванию напряжений в материале и остановке движущейся трещины. Именно поэтому использование 3— 7 % MgO, CaO, Y2O3 в качестве стабилизатора высокотемпературной фазы ZrO2 в виде волокон или порошка позволяет получать композиции с высокими «вязкостными» характеристиками.

Вызывает интерес применение «вязкой» керамики, изготовленной в виде трубы из новой группы композиционных материалов, называемой «сиконех». Они обладают трехмерной волокнистой структурой «нихтель», покрытой сло­ем SiC, полученным методом газофазного осаждения. Трубы диаметром 12,5—120 мм, изготовленные таким способом, выдерживают до температуры 1530—1670 К, что выше рабочих температур наилучших жаропрочных сплавов. Получаемые трубы достаточно тонки. Благодаря их волокнистой структуре они обладают высокой трещи нестойкостью, имеют низкую плотность. Например, труба диаметром 15 см и длиной 1,8 м весит всего 9 кг.
^ 9. Композиционные материалы на основе силикатных матриц
Из композиционных керамических материалов наиболее широко исследованы материалы на основе силикатных матриц, армированных различными волокнами. В качестве армировки чаще всего используют различного вида углеродные волокна, однако из-за плохого смачивания и интенсивного окисления в процессе формования композиции и последующей эксплуатации при высоких температурах в последнее время отдают предпочтение волокнам из карбида кремния.

Из силикатных КМ достаточно часто применяются композиты с матрицей на основе диоксида кремния (боросиликатное, алюмо-силлкатное, литневосиликатное, 96 %-е кремнеземистое стекло). Используются для армирования волокна, в том числе с барьерными покрытиями, а также волокна карбида кремния. Волокна протягивают через суспензию стеклянного порошка в пропаноле, наматывают на барабан, 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, объемная доля волокон при этом достигает 60 %.

Известно, что стекло характеризуется исключительно низкой вязкостью разрушения при комнатной температуре. Введение углеродного волокна в качестве армировки увеличивает Кси повышает вязкость разрушения до 50 МН/м32. При этом прочность на изгибе до температуры 1270 К несколько растет в инертной среде (от 500 до 550 МПа) и падает уже при 570 К из-за выгорания углеродного волокна на воздухе.

Стойкость к окислению углекерамических материалов ограничивается стойкостью углеродных волокон, для увеличения которой последние покрываются защитными слоями, например, карбидом кремния толщиной 0,2—0,6 мкм. Однако прочность волокон с покрытиями падает при этом в 2—3 раза. В случае непокрытых угольных волокон прочность при изгибе снижается на 36—72 % после окисления в течение 45 мин, а при использовании волокон с покрытием — на 16 % после 50 ч и на 30 % после 150 ч окисления.

Значительного увеличения прочности при растяжении удается достичь при использовании в качестве армирующей фазы волокон углеродного волокна с покрытием SiC. Наивысшее значение прочности при изгибе составляет 600—900 МПа. Эта величина соответствует правилу смесей при объемной доле армировки 50 %. С дальнейшим увеличением содержания волокон прочность понижается из-за неравномерности пропитки. Прочность при растяжении этого материала составляет 1800 МПа.

При циклических испытаниях при комнатной температуре КМ армированный углеродным волокном с покрытием из карбида кремия, выдерживает 105 циклов нагружения с нагрузками, равными 65% от статической прочности при изгибе. Если нагружение составляет 80 % от статической прочности, изделия из КМ разрушаются после 100 циклов.

Преимуществом КМ на основе стеклянных матриц и углеродных волокон является повышенная деформируемость и вязкость разрушения этих КМ, которые позволяют производить механическую обработку, в том числе точение и нарезание резьб, горячую обработку давлением. Недостатком указанных материалов является относительно низкая стойкость в окислительной среде при высоких температурах.

Этот недостаток устраняется, например, при использовании в качестве армирующей фазы непрерывных волокон из оксикарбида кремния диаметром 15 мкм. В описываемой композиции при объемном содержании армировки 35—40 % плотность материала близка к теоретической. В нем наблюдается хрупкое разрушение, при этом трещина проходит через матрицу и волокно. С целью уменьшения последнего ослабляют связи между волокном и матрицей, что достигается во время термообработки при температуре не выше 1070 К. До этой температуры наблюдается выдергивание волокон из матрицы, выше — прочностные характеристики значительно снижаются в окислительной среде в результате окисления поверхностей раздела волокна и матрицы, сопровождающимся повышением прочности их сцепления, и охрупчиванием, КМ в целом.

В последнее время значительный интерес вызывают КМ, получаемые с использованием гель-технологии, наиболее полно применяются материалы на основе кварцевого стекла. Выбор армирующего элемента (волокна А12О3 и PSC—SiC) обусловлен температурой горячего прессования конечного продукта, которая составляет 1870 К. Углеродные волокна реагируют с материалом матрицы при 1770 К, поэтому они используются только с барьерными покрытиями из карбидов кремния, титана, нитрида титана. Во всех случаях оптимальное содержание воло­кон составляет 50 %.

Оптимальным по жаропрочности оказались КМ на основе кварцевого стекла и волокон оксида алюминия, получаемых при температуре 1870 К. При 1970 К происходит деградация волокон за счет поверхностного взаимодействия с матрицей, что сопровождается падением прочности КМ от 250 до 25 МПа.

Наиболее существенное увеличение прочности на изгибе при удовлетворительной трещиностойкости достигается при использовании метода горячего прессования. Так, при смешении нитевидных кристаллов SiC с порошком стекла, состоящим из MgO-25, А12О3-21, SiOa-54 %, после горячего прессования в атмосфере аргона полученные композиции с объемным содержанием волокон до 30 % обладают плотностью 99 % от теоретической. При этом прочность на изгибе и трещиностойкость КМ увеличиваются соответственно от 170 до 490 МПа и от 1,2 до 3,7 МПа • м1/2. При увеличении содержания волокон SiC от 0 до 30 % повышение прочности, по-видимому, связано с превышением трещиностойкости обусловленным процессами торможения трещины.

Керамические композиты на основе диоксида кремния и тугоплавких волокон в настоящее время находят наиболее широкое применение в качестве теплозащитных материалов в огнеупорной промышленности и космонавтике. Синтезирован материал на основе SiO2, армированный волокнами из оксида алюминия и нитрида бора (≈ 3 %). Его прочность на изгибе в 2—3 раза выше, чем у существующих КМ такого же класса, хотя плотность на 10 % ниже. Испытания показали продолжительную работоспособность новых КМ при температуре 1690 К, они выдерживают многократный нагрев до более высоких температур, причем стабильность размеров изделий из новых КМ при высокой температуре на порядок выше, чем у наиболее термостабильных из имеющихся материалов. Этот класс материалов предполагается также использовать для изготовления деталей газотурбинного двигателя, таких как его корпус, корпус камеры сгорания, лопатки, диски, плиты, уплотнения, футеровка камеры сгорания. Например, для этой цели можно использовать КМ на основе алюмосиликатного, магнийалюмосиликатного стекла с добавками металлического титана, однонаправленно армированными волокнами из карбида кремния. Эти материалы обладают прочностью на изгиб в осевом направлении 170 МПа, высокотемпературной прочностью, коррозионной устойчивостью, стойкостью к высоким температурам и хорошими изоляционными свойствами.

Список используемой литературы:
1. Пилиповский Л., Грудкина Г. Композиционные материалы.- М.: Наука, 1990.

2. Композиционные материалы: справочник. ⁄ Под ред. В.В. Васильева, У.М. Тарнопольского.– М.: Машиностроение, 1980.







Скачать файл (158 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации