Реферат:
«Композиционные материалы на керамической основе »
ОГЛАВЛЕНИЕ:
Введение................................................................................................................3
Силикатные материалы........................................................................................4
Окисная керамика.................................................................................................6
Керамика из кварцевого стекла...........................................................................9
Высокоогнеупорная теплоизоляционная керамика.........................................11
Радио-, пьезо - и ферритокерамика.....................................................................12
Стеклокристаллические материалы...................................................................14
Керамика из волокнистых материалов и армированная керамика.................15
Армирование керамики металлическим волокном..........................................17
Методы изготовления керамических материалов и покрытий.......................25
Системы керамика – металл...............................................................................29
Список используемой литературы.....................................................................38
ВВЕДЕНИЕ
Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т. п.
Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность.
Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.
СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
("1") Силикатные материалы характеризуются сравнительно небольшой стоимостью, они могут быть получены из широко распространенных сырьевых материалов, отличаются высокой огнеупорностью и химической стойкостью. Основным их недостатком является хрупкость и в связи с этим невысокая прочность на растяжение.
Эти материалы обладают рядом ценнейших свойств, некоторые из них имеют температуру плавления выше 2000—3000° С. Их теплопроводность в 10—15 раз ниже теплопроводности металлов.
Области применения новых видов керамики — атомная техника, термопреобразователи, ракетно-космическая техника, режущие инструменты, радиоэлектроника, радиотехника, телевизионная аппаратура, электронно-счетные машины и др.
Развитие производства технической керамики привело к созданию новых процессов керамической технологии, таких, как литье из парафинированных масс, горячее прессование, гидростатическое формование. В последнее время изучаются такие методы, как формование с помощью импульсов высоких энергий (методом взрыва), напылением и т. п.
Отличительными особенностями технической керамики по сравнению с обычной является то, что процесс спекания при производстве изделий зачастую происходит в специальных газовых средах, а также и то, что она имеет во многих случаях бессиликатный химический состав. Иногда примеси SiO2 являются причиной значительного изменения свойств керамических материалов, например ферритов.
Некоторые изделия технической керамики в связи с применением их в ответственных конструкциях подвергаются механической обработке, например шлифованию, при этом точность обработки достигает второго и третьего класса.
В последнее время находят распространение стекло-кристаллические материалы, получаемые путем термической обработки различных составов стекол. Цель процесса — превратить стекло из аморфного состояния в кристаллическое. Свойства стеклокристаллических материалов определяются их составом и структурой. Как правило, этот класс материалов обладает наиболее высокими по сравнению со стеклом механическими, термическими и физико-химическими свойствами.
Большой интерес для новой техники представляют стеклянные и керамические волокна, обладающие высокой термостойкостью, низкой теплопроводностью и хорошей химической стойкостью. Исследованиями, проведенными в США, установлено, что керамическое волокно на основе чистого кварцевого стекла является превосходным материалом для покрытия космических аппаратов.
В последнее время наметилась тенденция к созданию комбинированных материалов, обладающих основными свойствами их составных частей. С этой точки зрения значительный интерес представляют керметы.
Примером «союза» керамики с металлом является также армирование керамических деталей металлической арматурой, что значительно повышает термостойкость и уменьшает хрупкость керамики.
Разработаны методы соединения керамики с металлом с помощью пайки и сварки, что позволяет соединять в некоторых конструкциях совершенно разнородные материалы. Немаловажную роль играют керамические покрытия на металлах. Большой интерес представляют интерметаллические соединения и огнеупоры переменного состава.
Огнеупоры переменного по толщине стенки состава изготавливаются таким образом, что с одной стороны они представляют собой огнеупорный керамический материал, а с другой — тугоплавкий металл. Состав такого материала по толщине стенки непрерывно изменяется от металла к керамике, что улучшает его тепловой градиент и делает его стойким к тепловым ударам. Сочетание высокой прочности и пластичности металлической части с жаропрочностью и окалиностойкостью керамического огнеупора переменного состава позволяет применять его в специальной технике высоких энергий.
ОКИСНАЯ КЕРАМИКА
Для новой техники большое значение приобрели материалы из чистых высокоогнеупорных материалов — окислов алюминия, бериллия, магния, кальция, циркония, церия, ниобия, иттрия, тория, урана и др.
В современной высокотемпературной технике широко используется корундовая керамика (А12О3). Она сочетает в себе ценные физико-химические и механические свойства. По твердости корунд занимает второе место после алмаза. Он обладает высокой теплопроводностью, хорошими диэлектрическими свойствами при высоких температурах, химической устойчивостью ко многим расплавленным металлам, газам и реагентам (включая плавиковую кислоту). Корунд можно кратковременно использовать в окислительной и восстановительной среде при температуре до 1900° С. Корунд отличается малым сечением захвата тепловых нейтронов, и его применяют в атомной энергетике в качестве конструкционного материала и носителя окиси урана в тепловыделяющих элементах. Окись алюминия используется для изготовления радиолокационных антенн, металлизированных цилиндров для футеровки камер сгорания и защитных покрытий на металлах. Широко используют А1203 при изготовлении электроизоляторов, свечей зажигания в двигателях внутреннего сгорания и в электронных лампах, действующих в условиях высоких температур.
Корунд высокой твердости используют в качестве конструкционного материала. Фильеры из окиси алюминия применяют для протяжки стальной проволоки, резцы из А12О3 используют в качестве металлорежущего инструмента при больших скоростях. Прочность, износостойкость и режущие свойства инструментальной керамики на основе корунда улучшаются с увеличением дисперсности частиц и степени их однородности. Оптимальными для инструментальной керамики являются зерна корунда 1—2 мк, пористостью не выше 1%.
Для получения плотной, мелкокристаллической керамики на основе окиси алюминия применяют различную технологию производства: обжиг в вакууме, горячее прессование, небольшие добавки других соединений и элементов для улучшения спекания и увеличения плотности и структуры материала.
Замечательные свойства окиси бериллия (ВеО) также обусловливают ее широкое применение в новой технике. Она имеет температуру плавления 2530±30°С.
Огнеупорная керамика на основе окиси бериллия устойчива на воздухе, в среде углекислого газа, аргона, азота, в вакууме до 1800° С. Химическая устойчивость ВеО превосходит химическую устойчивость большинства окислов металлов. Однако окись бериллия неустойчива в среде галогенов и сернистых газов.
Изделия из ВеО отличаются хорошими диэлектрическими свойствами. Удельное сопротивление их выше, чем у большинства изоляторов из чистых окислов. Окись бериллия обладает исключительно высокой теплопроводностью (при нормальной температуре в 7 раз превышает теплопроводность плотных изделий из Аl2Оз). По теплопроводности ВеО занимает следующее место после таких металлов, как золото, серебро и медь. Окись бериллия обладает исключительно высокой удельной теплоемкостью из всех огнеупорных окислов. Это свойство приобретает особое значение там, где необходимы хорошие теплорассеяние и теплопроводность, например в ядерной технике. Окись бериллия находит широкое применение в электронной технике, в металлургии редких и чистых металлов.
("2") Окись бериллия благодаря высокому коэффициенту замедления тепловых нейтронов представляет значительный интерес для атомной энергетики.
Из ВеО получают нитевидные монокристаллы с сопротивлением на изгиб около 150000 кГ/см2. Для окиси бериллия, применяемой в электронике, основное значение имеют теплопроводность, прочность, электрическое сопротивление, диэлектрические свойства и постоянство этих свойств.
Большой теоретический и практический интерес для новой техники приобрела двуокись циркония, температура плавления которой 2715° С. Двуокись циркония существует в двух модификациях. Полиморфное превращение моноклинной формы ZrO2 в тетрагональную протекает с изменением объема. Объемные изменения достигают 7%. Поэтому нельзя получать изделия из чистой двуокиси циркония. Ее стабилизируют такими окислами, как CaO, MgO, переводя Zr02 в устойчивую кубическую модификацию.
Двуокись циркония, стабилизированная окисью кальция при высокой температуре, является хорошим проводником электричества при повышенных температурах и неплохим теплоизоляционным материалом. Двуокись циркония при стабилизации окисью иттрия обладает большей электропроводностью (в пределах 750—1350°С), чем стабилизированная окисью кальция.
Двуокись циркония широко используется при изготовлении огнеупоров для тепловой изоляции печей, аппаратов и реакторов, работающих при высоких температурах, топливных элементов в системе Zr02—U02, огнеупорных тиглей, в качестве покрытия на металлах. Сравнительно невысокая плотность Zr02 (5,8 г/см3) наряду с малой теплопроводностью позволяет использовать ее в качестве тепловой изоляции в ракетной технике. Чистая двуокись циркония обладает значительной адсорбционной способностью в отношении тепловых нейтронов и высоким поперечным сечением захвата.
Из семейства лантанидов все большее внимание стала привлекать двуокись церия (Се02), температура плавления которой 2725±20°С. Стекла, содержащие СеО2 приобретают повышенную устойчивость к гамма-излучению. Двуокись церия применяют также для обесцвечивания, окрашивания и производства стекол, устойчивых к действию ультрафиолетовых лучей.
Для ряда областей новой техники представляет интерес двуокись урана (UO2), имеющая температуру плавления 2760±30°С. По электрическим свойствам она является полупроводником. При работе с UO2 необходимо соблюдать определенные меры предосторожности вследствие ее радиоактивности. Изделия из UO2 — это чаще всего тигли для плавки урана, тория и других металлов. Широко применяется двуокись урана в качестве тепловыделяющего элемента в реакторах различных типов.
Двуокись тория (Th02) является самым тугоплавким окислом, его температура плавления 3050 + 200° С. Двуокись тория радиоактивна. Ввиду очень высокой стоимости применение ее в качестве огнеупорного материала ограничено. Она применяется только в тех случаях, когда ни А12О3 ни Zr02 не могут быть использованы.
В последнее время двуокись тория получила широкое применение в области атомной энергии как в составе теплопроводящих ядерных элементов, так и в виде конструкционного материала. Тигли из спеченной двуокиси тория применяют при температурах до 2700° С.
Изделия из двуокиси тория обладают сравнительно высокой механической прочностью, что позволяет применять их в качестве конструкционных деталей.
В США разработан новый тип керамики — иттрийлокс. Иттрийлокс состоит из 90% окиси иттрия и 10% двуокиси тория и представляет собой однофазный поликристаллический материал с размером зерен 10—50 мк. Он обладает прозрачностью стекла, но выдерживает более высокие температуры.
Иттрийлокс характеризуется комплексом свойств, которым не обладает никакой другой керамический материал. Он может повысить характеристики высокоинтенсивных ламп накаливания и разрядных ламп. Иттрийлокс прозрачен как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной области (А,—0,24 и 9,0 мк соответственно), показатель преломления этого материала равен 1,91, поглощение света в видимой области при толщине образца 2 мм не превышает 3%.
Многие свойства керамических материалов в большой степени зависят не только от химического и фазового состава, но и от микроструктуры материала, которая определяется химическим составом исходного сырья и технологией изготовления материала.
Важной проблемой является разработка способов получения поликристаллической керамики с повышенной пластичностью. Можно предположить, что если монокристаллы окислов обладают пластичностью, то она будет в известной степени сохраняться и у поликристаллической керамики. Материал в этом случае должен состоять из очень чистых окислов, быть мелкозернистым,
не включать другие фазы и не содержать пор. Получение керамики с повышенной пластичностью позволило бы решить очень важную техническую проблему высокотемпературных конструкционных материалов.
КЕРАМИКА ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Особый интерес для целого ряда областей новой техники представляют материалы, получаемые на основе кварцевого стекла.
Кварцевое стекло представляет собой двуокись кремния в стеклообразном состоянии. Его получают плавлением при температурах выше 1700°С чистых природных разновидностей кристаллического кварца (горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков). Выпускаемое промышленностью кварцевое стекло имеет следующий состав: SiO2 — 99,95%, А1203 — 0,01%, Fe2O3 —0,004%, СаО —0,028%, MgO — 0,012%, Na20 — остальное.
В зависимости от исходного сырья и технологии производства получают прозрачное и непрозрачное кварцевое стекло. Последнее является более дешевым. Его непрозрачность обусловлена наличием мелких газовых пузырей (0,003—0,3 мм).
Особенностью кварцевого стекла являются его высокие прочностные свойства, сравнительно мало уменьшающиеся при высоких температурах.
("3") Кварцевое стекло обладает рядом ценных свойств - термических, оптических и других, но вследствие большой вязкости практически невозможно получать из него крупные и сложные изделия. В связи с этим для получения сложных изделий из кварцевого стекла в последнее время применяется керамическая технология. Чаще всего для формования изделий из кварцевого стекла используют шликерное литье в гипсовые формы и горячее литье под давлением.
Керамика из кварцевого стекла обладает многими ценными свойствами исходного материала: низким коэффициентом температурного расширения, хорошими электротехническими параметрами, высокой химической стойкостью.
В отличие от кварцевого стекла, теплопроводность которого увеличивается с ростом температуры, кварцевая керамика имеет довольно низкую теплопроводность, мало изменяющуюся вплоть до 1100° С.
С нагревом до 1200°С механическая прочность кварцевого стекла плавно возрастает на 50—60%.
Физико-химические свойства кварцевых стёкол
Свойства | Вид стекла | |
непрозрачное | прозрачное | |
Удельный вес, г/см3 | 2,02 – 2,15 | - |
Пористость, % | 3,0 – 7,5 | 0 |
Модуль упругости, кГ/мм2 | 6000 | 6500 – 7000 |
Коэффициент Пуассона | - | 0,26 |
Предел прочности, кГ/см2 (20о С) при: | 3500 | 6500 |
("4") Нейтронное облучение практически не влияет на механические свойства кварцевой керамики, что позволяет использовать ее в качестве топливных элементов. В поры керамики вводят раствор и заплавляют их струей плазменной горелки.
Примером использования кварцевой керамики в космической технике является носовой обтекатель в межконтинентальной баллистической ракете США «Титан». Температура при входе ракеты в плотные слои атмосферы значительно выше температуры плавления кварцевого стекла и доходит до 2500°С. Но так как время пребывания ракеты в плотных слоях атмосферы весьма мало, а кварцевая керамика обладает высокой вязкостью, обтекатель из стеклокерамики вполне справляется с нагрузкой.
Кварцевая керамика применяется в качестве штампов для горячего прессования и для других целей.
ВЫСОКООГНЕУПОРНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ КЕРАМИКА
В последнее время разработаны теплоизоляционные керамические материалы, которые благодаря наличию в них большого числа мельчайших пор имеют малый объемный вес и низкую теплопроводность. Теплоизоляционную керамику получают из многих огнеупорных окислов. Предельная температура службы пористого корунда 1800—1850° С. Корундовая пенокерамика применяется в высокотемпературных печах, газогенераторах, в вакуумной технике в качестве электроизоляторов, фильтров и носителей катализаторов.
Более высокую температуру службы имеет циркониевая пористая керамика. В среде воздуха, азота, водорода и в вакууме она может использоваться вплоть до 2300°С, в присутствии углерода — до 1650° С.
Пористая керамика на основе MgO находит применение в качестве высокотемпературной теплоизоляции, фильтров в щелочных средах и в ядерных топливных агрегатах.
Большое значение пенокерамика имеет для космической техники. Температура вблизи поверхности космического корабля при входе в плотные слои атмосферы достигает 7000° С.
Для решения задачи теплозащиты космических аппаратов идут по пути выбора и создания материалов, которые бы в процессе эксплуатации поглощали большое количество энергии. В то же время эти материалы должны обладать низкой теплопроводностью. Весьма перспективным с этой точки зрения является пенокварц. Его предварительно пропитывают смолами, которые разлагаются при высоких температурах.
Пенокерамика из кварцевого стекла имеет преимущества перед такими материалами, как А1203, ZrO2. По теплоизоляционным свойствам, отнесенным к соответствующему весовому показателю, названные материалы в порядке улучшения своих теплоизоляционных свойств располагаются в следующий ряд:
, чему соответствуют уменьшающиеся значения произведения (
— коэффициент теплопроводности, р — объемный вес пенокерамики) — 10,5—3,4—1,8.
Разработан метод получения комбинированного теплоизоляционного материала, представляющего собой сочетание керамического пенолегковеса с металлической сотовой структурой. Такой материал устойчив в условиях сильной вибрации и больших ускорении.
Свойства огнеупоров на основе хрома
Доля усов муллита, % | Пористость, % | Предел прочности, кгс/см2, при | Ударная вязкость, кгс | Коэффициент термического расширения, | Термостойкость, | ||
сжатии | изгибе | воздушн. | водяных | ||||
0 | 1,1 | 2800 | 920 | 1,9 | 40 | 2 | 510 |
см/см2
10-6 1/оС("5") РАДИО-, ПЬЕЗО - И ФЕРРИТОКЕРАМИКА
Керамика является одним из наиболее универсальных по своим техническим возможностям электроизоляционным материалом и находит применение в самых различных областях электро - и радиотехники. Наиболее высококачественные виды электротехнической керамики применяются в высокочастотной технике. Основными типами радиотехнической керамики являются: электроизоляционная, полупроводниковая и магнитная.
К электроизоляционной относятся:
керамика для конструкционных установочных изделий и конденсаторов малой емкости, отличающихся небольшой диэлектрической проницаемостью (стеатит, ультрафарфор, цельзиановая и корундомуллитовая керамика); конденсаторная керамика (для высокочастотных термокомпенсирующих, высокочастотных термостабильных и низкочастотных конденсаторов); пористая керамика для изоляторов электронных ламп, оснований проволочных сопротивлений, которая должна отличаться низким значением тангенса утла диэлектрических потерь и высокой термостойкостью (пористая корундовая и стеатитовая керамика, шамот, алунд,кордиеритовая керамика); сегнето - и пьезокерамика для низкочастотных конденсаторов, пьезоэлементов, нелинейных элементов (титанаты, цирконаты, станнаты).
Широкое применение в радиотехнике находит корундовая керамика. По сравнению с другими радиокерамическими материалами корундовые отличаются самой высокой механической прочностью. Они обладают также высокой термостойкостью, малыми диэлектрическими потерями, высокими твердостью, плотностью и химической стойкостью. Сочетание этих ценных свойств позволяет применять корундовые материалы в качестве изоляторов для автосвечей, оснований печатных схем, в магнетронных трубках, для конденсаторов, вакуумплотных спаев с металлами и др. Отрицательным свойством глиноземистых материалов в технологическом отношении является их высокая абразивность, затрудняющая механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей.
Большой интерес представляет вакуумплотная корундовая керамика из очень чистой окиси алюминия для использования в термоионных приборах, в которых электроды находятся друг от друга на очень малом расстоянии.
Просвечивающаяся керамика из А12О3 используется для изготовления корпусов ламп, работающих по принципу разряда в парах металла. Керамические корпуса ламп могут эксплуатироваться при очень высокой температуре (до 1500° С). В США разработаны керамические лампы на основе материала «лукалокс» со светоотдачей, в четыре раза превышающей светоотдачу обычных ламп накаливания.
Детали из корундовой керамики часто используют в составных металлокерамических конструкциях, где требуется хорошая прочность сцепления, вакуумплотность.
В настоящее время помимо названных новых видов керамики находят применение ранее разработанные керамические составы, такие, как корундо-муллитовая, цельзиановая керамика, стеатит, форстерит, шпинелевая, волластонитовая керамика.
Пьезокерамические материалы получают из окислов металлов. Этому виду керамики присуще особое свойство — пьезоэлектрический эффект, т. е. способность поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, упруго деформироваться под действием электрического поля.
Пьезокерамические материалы представляют собой неорганические диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от напряженности электрического поля. Для них характерно также наличие резко выраженного максимума на кривой зависимости диэлектрической проницаемости от температуры. Такие диэлектрики обладают спонтанной поляризацией и относятся к сегнетодиэлектрикам.
Основными видами пьезокерамики являются: керамика на основе титанита бария (ВаTiO3) и его производных, ниобата бария-свинца PbBa(Nb2O6) и цирконат-титанат свинца Pb(ZrTi)03.
Свойства пьезокерамики во многом зависят от полноты реакций, обеспечивающих получение компонентов заданного стехиометрического состава.
Широкое применение нашли пьезокерамические, электромеханические и электроакустические преобразователи. Пьезокерамические преобразователи используют в радиотехнических фильтрах, в толщиномерах и дефектоскопах, звукоснимателях и микрофонах. Ультразвуковые сверла с керамическими преобразователями используют в металлообрабатывающей промышленности, медицинской и стоматологической практике и для других целей.
Одной из главных областей применения пьезокерамики является изготовление малогабаритных радиоконденсаторов, что особенно важно при производстве транзисторов и некоторой радиоаппаратуры. Способность пьезокерамики к поляризации используют при получении диэлектрических запоминающих устройств электронно-счетных машин.
Широкие области применения пьезокерамики приводят к разнообразию требований, предъявляемых к ней: температурная и временная стабильность, широкий диапазон рабочих температур (от 250 до 500°С и выше), способность к работе в сильных электрических полях и под большим давлением.
("6") Ряду этих требований удовлетворяют керамические ферриты. Керамические ферриты не уступают обычным металлическим магнитным материалам в способности намагничиваться, но обладают низкой электропроводностью. Они служат для изготовления постоянных магнитов, сердечников высокочастотных и импульсных трансформаторов, малогабаритных антенн, магнитных усилителей.
Ферромагнитными свойствами обладают не только окислы железа, но и многие другие окисные соединения—окислы хрома, марганца, кобальта, никеля, вольфрама. Ферриты, относящиеся к классу магнитномягких, широко используются в радио и телевидении. Магнитномягкие ферриты обладают постоянством магнитной проницаемости.
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Стеклокристаллические материалы — ситаллы представляют собой стекло в кристаллическом состоянии. При получении стеклокристаллических материалов учитываются следующие факторы: состав исходного стекла, каталитические добавки и режим термообработки стекла при кристаллизации. В стеклокерамике решающая роль должна быть отведена не столько химическому, сколько фазовому составу материала. Фазовый состав и кристаллическая структура определяют основные свойства стеклокерамики — прочность, плотность, коэффициент термического расширения, электрические и другие свойства.
Для получения ситалла стекломасса с содержащимися в ней катализаторами (фториды, фосфаты щелочных или щелочноземельных металлов, FeS, TiO2 и др.) формуется и охлаждается. Для образования кристаллов материал нагревается повторно. Его термическую обработку проводят на низшей (образование зародышей — 500—700° С) и высшей (развитие кристаллических фаз — 900—1100°С) температурных стадиях в один или несколько циклов. При соответствующем режиме термической обработки достигают 95%-ной кристаллизации материала.
Некоторые свойства ситаллов
Свойство ситалла | Фотокерам 8603 | Пирокерам 9605 | Пирокерам 9606 | Пирокерам 9608 |
Плотность, г/см3 | 2,39 | 2,62 | 2,60 | 2,50 |
Модуль упругости, кГ/см3 | - | 13860 | 12460 | 8780 |
Коэффициент Пуассона | - | - | 0,245 | 0,25 |
Температура размягчения, оС | 1000 | 1350 | 1250 | 1250 |
Предел прочности при изгибе, кГ/мм2 | 25,2 | 25,9 | 22,4 | 16,1 |
Коэффициент линейного расширения | 100 | 14 | 57 | 2,20 |
107, 1/оС("7") Стеклокристаллические материалы могут быть использованы в вакуумной технике (электронные приборы), машиностроении (подшипники), как покрытия для металлов и в специальных областях техники.
КЕРАМИКА ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И АРМИРОВАННАЯ КЕРАМИКА
Керамика обладает сравнительно низкой прочностью при растяжении, недостаточными ударной вязкостью и термостойкостью. Использование положительных свойств керамики в современных устройствах, работающих при высоких температурах, предполагает предварительное устранение этих недостатков. На это и направлены широко проводимые в настоящее время работы по армированию керамики металлическими волокнами.
Армирование конструкционного материала волокнами, имеющими большую, чем сам материал, прочность при растяжении, обычно производится в целях усиления способности матрицы нести нагрузку. В таком случае прикладываемая к системе нагрузка воспринимается в основном высокопрочными волокнами. При этом необходимо, чтобы между керамикой и волокнами существовала достаточно прочная связь. Большое значение в данном случае имеют коэффициенты термического расширения керамики и металла.
Наряду с правильно подобранной комбинацией материалов большое значение имеет геометрия волокон и их ориентация в основном материале. Расположение волокон в материале может быть беспорядочным или ориентированным, что и определяет прочность композиции.
Муллитовую, циркониевую и глиноземистую керамику армируют, например, молибденовыми и вольфрамовыми волокнами.
Большой интерес представляет также армирование керамических покрытий. Армированные тугоплавкие керамические покрытия благодаря своей большой толщине защищают подложку из конструкционного металла гораздо лучше, чем керамические покрытия без арматуры. В качестве армирующих элементов с успехом применяют проволочные сетки, гофрированные полоски или проволоку.
Армированные керамические покрытия успешно используются в качестве внутренней облицовки камер сгорания, плазменных камер, нагревательных печей.
Особый интерес для многих областей техники представляют температуроустойчивые волокна. Так, находят применение следующие устойчивые неорганические волокна с температурой плавления 1750—1800°С: кварцевые—99,9% SiO2, кремнеземные—96—98% Si02, керамические каолинового состава 50% SiO2 и 50% А12Оз. Они обеспечивают теплоизоляцию агрегатов при температурах до 1200°С (длительная эксплуатация) и даже до 2000° С (кратковременные испытания), сохраняют стабильными электрические свойства вплоть до температуры 700° С, обладают низкой теплопроводностью как при комнатной температуре, так и при 1000—1500° С.
В последние годы ведутся работы по получению волокон на основе окиси алюминия.
Разработан материал на основе кварцевого волокна, названный «дайнакварц» и состоящий из 99% кварцевых волокон, спрессованных и обожженных в легковесные полужесткие пластины или блоки. Этот материал сохраняет стабильность своих размеров во время длительной выдержки при 1500°С и кратковременной — при 1650° С.
Замечательным материалом для ракетно-космической техники является другой материал на основе кварцевого волокна — «астрокварц», состоящий на 99,95% из SiO2. Кварцевые волокна пропитываются фенольной смолой, затвердевающей в течение часа при 140°С и давлении 7 кГ/см2. Материал обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, высокими прочностью, пластичностью, не плавится при температурах выше 1650°С и испаряется только при 1980° С.
Большой теоретический и практический интерес представляют нитевидные монокристаллы, имеющие минимум дефектов кристаллической решетки и обладающие прочностью на растяжение порядка 100000 кГ/см2. Пока удается получать нитевидные монокристаллы длиной от 2—3 до 25 мм и толщиной от 0,05 до 2 мк. Такие кристаллы получены из железа, олова, золота и других металлов, из некоторых соединений германия, карбида кремния, графита, сульфидов. Особый практический интерес представляет проблема получения монокристаллов из огнеупорных окислов: А12О3, MgO, BeO, ZrO2, MoO3, Nb2O3, TiOo, SiO2 и др.
Существуют различные способы получения нитевидных кристаллов: кристаллизация из газовой фазы и расплавов, пластическое течение, раскалывание кристаллов по плоскости спайности.
Нитевидные кристаллы карбида кремния имеют прочность 210000 кГ/см2, окиси магния — кГ/см2. Прочность на изгиб нитевидных кристаллов окиси бериллия составляет 150000 кГ/см2.
Дальнейшее усовершенствование технологии изготовления монокристаллических волокон из тугоплавких материалов с высоким модулем упругости откроет широкие перспективы для получения сверхпрочных материалов.
Нитевидные кристаллы могут быть использованы в качестве армирующих материалов подобно стекловолокну при производстве стеклопластиков.
АРМИРОВАНИЕ КЕРАМИКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ВОЛОКНОМ
Характерные особенности керамических материалов — их жаропрочность, большая тугоплавкость, высокая прочность при сжатии и хорошая коррозионная стойкость. Эти свойства весьма желательны при выборе конструкционного материала, способного выдерживать рабочую температуру до 1650°С и даже несколько выше. Благодаря этим свойствам керамические материалы уже веками применяются в металлургических и обжиговых печах, а также в других устройствах, где требуются огнеупорные материалы. В наше время, предъявляют к керамике новые требования — высокий предел прочности при растяжении и должное сопротивление вибрациям, механическим и тепловым ударам. Но керамика как раз обладает сравнительно малой прочностью при растяжении, недостаточной ударной вязкостью и термостойкостью, в чем состоит крупный недостаток этого материала. Поэтому использование положительных свойств керамики в современных устройствах, работающих при высоких температурах, предполагает предварительное устранение этих ее недостатков. На это и нацелены исследования по армированию керамики металлическим волокном.
("8") Из анализа недостатков керамики непосредственно вытекает, что понятие «армирование» надо трактовать как упрочнение керамики в самом широком смысле этого слова, а не только как повышение способности материала нести нагрузку. Хотя в настоящей главе рассматривается главным образом армирование металлическим волокном, здесь же охватываются металлические ленты и соты, поскольку их тоже применяют для армирования керамики.
Армирование конструкционного материала волокнами или нитями из другого материала, более прочного при растяжении, обычно проводится в целях усиления способности матрицы нести нагрузку. Поскольку в этом случае прикладываемая к системе нагрузка распределяется в основном на высокопрочные волокна, относительно «слабая» матрица ставится в облегченные условия. Подобное перераспределение нагрузки достигается в пневматических шинах, пластиках, армированных стекловолокном, и металлах, содержащих высокопрочные усы, что положительно сказывается на эксплуатационных качествах таких материалов. Однако введение высокопрочных волокон в относительно непрочную керамику не всегда приводит к созданию композиции с более высоким пределом прочности при растяжении, чем у самой керамики. В ряде случаев это ведет фактически к ослаблению композиции.
Основная причина неудач при попытках добиться повышения прочности керамических материалов путем армирования скрывается в сочетании малой прочности при растяжении с высоким модулем упругости, присущем большинству таких материалов. И действительно в этом случае при напряжении разрушения керамики удлинение матрицы будет недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим элементам, так что композиция разрушится, если только объемное содержание волокна не сделать исключительно высоким. Эту трудность можно в известной мере преодолеть путем выбора армирующего материала с очень высоким модулем упругости. Другое и, возможно, более удовлетворительное решение этой задачи сводится к созданию предварительной напряженности волокон в керамической матрице. Его можно осуществить при условии, если армирующий материал расширяется при нагревании сильнее матрицы. Если такую систему перевести в «ненапряженное» состояние при высокой температуре, то в процессе остывания в волокнах возникнут напряжения. Оба варианта решения требуют, конечно, чтобы между керамикой и волокнами существовала достаточно прочная связь, необходимая для должного перераспределения нагрузки.
Если керамика расширяется при нагревании сильнее армирующего материала, то попытка сделать прочность композиции больше, чем у неармированной керамики, может закончиться неудачей. В такой композиции растягивающие напряжения в керамике при охлаждении возрастают. Это обычно приводит к образованию микротрещин, распространяющихся в матрице от волокна к волокну. И хотя такие микротрещины не нарушают целостности композиции, они могут привести к тому, что предел прочности при растяжении композиции станет ниже, чем у неармированной керамики.
Ударная вязкость керамики, армированной металлическими нитями, обычно намного выше, чем у неармированной керамики. Это обусловлено совокупным действием двух механизмов. Во-первых, волокна воздействуют на распределение механического напряжения, уменьшая концентрацию напряжений в керамике. Во-вторых, даже если волокна не могут предохранить керамику от растрескивания под действием сильного удара, они тем не менее ограничивают распространение трещин и предотвращают катастрофическое разрушение конструкции, которая часто еще способна работать, несмотря на растрескивание.
Подобным же образом термостойкость керамики, армированной металлическими нитями, намного выше, чем у неармированной керамики, даже для композиции, в которых возникли микро-трещины. Металлические нити, по-видимому, обеспечивают распределение термических напряжений и ограничивают распространение трещин в основном таким же образом, как и в случае механического удара. Интересно отметить, что для достижения одинаковой термостойкости в керамику необходимо ввести в три раза больше металлического порошка, чем волокон с отношением длины к диаметру не ниже 20:1.
Армирование керамических изделий. Предметом исследований явились металлические армирующие элементы трех основных видов для керамики: нарезанные волокна, металлический войлок и сплошные сетки или металлические нити.
Нарезанные волокна получают мерной резкой связок проволоки или сплошных нитей обычно диаметром от 25 до 150—200 мк. Например, промышленная стальная проволока имеет диаметр до 150 мк и предел прочности при растяжении 315 кг/мм2. Проволоки из других интересующих нас металлов и сплавов, например из хастеллоя-С, Рене-41, молибдена и вольфрама, выпускаются такой же толщины и с такой же прочностью. К сожалению, неравномерность трения, обусловленная несовершенствами фильер и загрязнениями, весьма затрудняет выпуск проволоки диаметром менее 25 мк обычными методами. Короткие металлические нити, или усы, очень малых диаметров получались, по крайней мере в экспериментальных количествах, различными химическими или электролитическими методами. Однако в литературе нет сведений о применении усов для армирования керамических композиций.
Металлический войлок, как правило, состоит из твердой упругой стружки из стали или другого металла длиной до 1 м. Такая стружка, обычно многогранного сечения, по большей части в форме трапеции, имеет острые кромки. Промышленные предприятия выпускают металлический войлок из стружки в поперечнике от 50—75 мк до 2 мм.
Исследовались и различные армирующие элементы из непрерывных нитей, начиная от проволочной сетки и кончая металлическими сотами.
В виде нарезанных волокон использовались такие металлы, как сталь, молибден, вольфрам, тантал, нихром, ниобий, Рене-41, цирконий, циркалой-2 и платина. Длина применяющегося волокна находилась в пределах от 76,2 до 1,6 мм, но в большинстве случаев составляла менее 25 мм.
Изучались различные концентрации металлических волокон; в некоторых композициях концентрация волокна доводилась до 50% по объему. Улучшение свойств при растяжении с ростом концентрации волокна иллюстрируется данными, полученными при армировании электрических изоляторов вольфрамовой проволокой диаметром 50 мк, нарезанной па куски длиной по 3,2 мм. Весовой состав керамики был следующим: 50% каолина, 30% кремнезема и 20% полевого шпата F-4. Керамику подвергли обжигу для защиты вольфрамовых волокон от окисления в процессе изготовления. Кривые напряжение-деформация для таких композиций:
Если концентрация волокна превышает 40%, то сопротивление растяжению заметно ухудшается. Снижение прочности композиции объясняется, по-видимому, тем, что с ростом концентрации волокна плотность композиции становится гораздо меньше теоретической.
Рассматриваемые композиции являют собой хороший пример использования металлических волокон с высоким модулем для придания прочности при растяжении, превосходящей прочность неармированной керамики. Хотя коэффициенты теплового расширения волокна и матрицы в этом случае достаточно близки друг к другу, чтобы предотвратить сколь-либо заметное предварительное напряжение волокна, модуль волокна относится к модулю керамики приблизительно как 5:1. Поэтому волокно оказывается в состоянии воспринять на себя значительную часть общего напряжения даже при малых удлинениях, которые допускает керамика до своего разрушения. Конечно, эффективность волокна, даже обладающего высоким модулем, можно повысить, если его подвергнуть предварительному напряжению в матрице. Это делает долю общего напряжения, воспринимаемую волокном, еще больше, повышая тем самым предельное растягивающее напряжение композиции.
По-видимому, существует также определенная взаимосвязь между концентрацией волокна и прочностью после испытания на термостойкость.
Данные о прочности керамики окись алюминия – муллит при армировании волокнами вольфрама
Размеры волокна, мм | Объёмное содержание | Предел прочности до | Предел прочности после четырёх циклов нагрева(1200оС), кг/мм2 |
0,05 | 0 | 15,1 | 0 |
0,05 | 10 | 10,2 | 8,3 |
0,25 | 10 | 14,3 | 8,0 |
0,25 | 10 | 15,0 | 6,2 |
3,2
12,7
3,2
12,7("9") Из этих данных, отражающих па сегодняшний день результаты наиболее систематических исследовании по этому вопросу, следует, что повышение концентрации молибденового волокна не дает большого прироста прочности, но значительно повышает сопротивление тепловым ударам. Всякие попытки установить взаимосвязь между концентрацией волокна, его диаметром и длиной выявляют те или иные аномалии. Но если исходить из определенной концентрации волокна, то чем длиннее волокно и чем меньше его диаметр, тем выше термостойкость композиции. То обстоятельство, что молибденовые волокна не повышают уровня исходной прочности керамики, состоящей из окиси алюминия и муллита, объясняется, вероятно, тем, что коэффициенты теплового расширения у керамики и металла почти одинаковы, вследствие чего волокна нельзя перевести в предварительно напряженное состояние.
Как уже отмечалось, если керамика расширяется при нагревании сильнее металла, то в ней образуются микротрещины, в результате чего механическая прочность композиции становится меньше, чем у неармированной керамики. С другой стороны, когда имеется обратная картина, можно добиться заметного повышения механической прочности. Это весьма хорошо иллюстрируют результаты, достигнутые при армировании ряда керамик произвольно распределенным молибденовым волокном в количестве 10 % по объему.
Модули упругости некоторых тугоплавких окислов и композиций на их основе при армировании молибденовым волокном.
Основные | Модуль упругости, кг/мм2 |
6ZrO2.CeO2 | 5740 |
ZrSiO4 | 9800 |
3Al2O3.2SiO2 | 13160 |
ThO2 | 25480 |
MgO | 24290 |
("10") Особый интерес представляет муллит (ЗА12О3•2SiO2), который по величине коэффициента теплового расширения очень близок к молибдену. Двуокись тория с более высоким коэффициентом теплового расширения, чем у молибдена, от введения металла заметно ослабляется, а в окиси магния это ослабление выражено еще сильнее.
Две последние композиции, указанные в таблице, называют композициями с «отрицательным предварительным напряжением» (так как в этих случаях в волокнах с более низким коэффициентом теплового расширения, чем у матрицы, возникают сжимающие напряжения). В двуокиси тория между металлическими волокнами образуются заметные трещины, но целостность образца сохраняется. Расчеты показали, что трещины образуются в процессе охлаждения композиции в области температур 700—900° С. Испытания на термостойкость, проводившиеся путем нагревания образцов до 1000°С с последующим охлаждением в ртути, показали, что по термостойкости армированные образцы превосходят неармированную двуокись тория. Как установлено, модуль Юнга и предел прочности композиции повышаются с температурой до максимального значения при 650°С. Такое поведение, очевидно, обусловлено «самозалечиванием» микротрещин и снятием остаточных напряжений в матрице. В прессованных порошках, содержащих более толстые или более длинные волокна, модуль Юнга с повышением температуры возрастает больше, чем в таких же порошках с короткими тонкими волокнами.
Композиция на основе окиси алюминия с фосфатом в качестве связующей добавки, армированная волокнами диаметром 50 мк и длиной 6,2 мм, обладала такой термостойкостью, что выдерживала три цикла нагревания до 1430°С с последующим охлаждением в воде.
Армирующие элементы из непрерывной нити, успешно использующиеся для армирования керамических изделий, можно в большинстве случаев рассматривать как сетки. Сюда входят проволочные ткани, структуры из непрерывных нитей и соты. В настоящее время, по-видимому, к обмотке керамических изделий снаружи металлическими нитями не прибегают. Армирование композиций непрерывными нитями или сеткой является по существу просто расширением понятия армирования нарезанным волокном, а принципы армирования этими двумя типами материалов уже изложены в литературе. Главным различием между керамикой, армированной нарезанными волокнами, и керамикой, армированной сеткой, являются размеры и форма армирующих элементов и типы керамических смесей.
Основные принципы армирования керамических изделий металлической сеткой можно сформулировать следующим образом:
1. Коэффициенты теплового расширения металла и керамики должны соответствовать друг другу. Однако оптимальное соотношение в этом случае не так ясно, как для системы с нарезанными волокнами, поскольку для системы, армированной сеткой, важным фактором является конечная форма композиции.
Расстояния между металлическими армирующими элементами в матрице должны быть такими, чтобы свободные промежутки образовывали неармированные керамические столбики, прочность которых достаточна для выдерживания термических и механических нагрузок. В то же время эти расстояния должны быть не настолько большими, чтобы возникал температурный градиент, приводящий к растрескиванию. Установлено, что оптимальная величина свободного промежутка должна лежать впределах от 3,17 до 6,35 мм. Форма армирующих металлических элементов и их размещение в матрице не должны создавать в ней ослабленных мест, расположенных по одной линии, вдоль которой могут распространяться трещины. Толщина армирующего металла не должна превышать величину, с переходом которой металл перестает быть гибким, когда керамика находится под действием термических и механических напряжений. В настоящее время в качестве армирующих элементов успешнее всего применяются сотовые ячейки высотой 12,7 мм и с толщиной стенки 0,25 мм и проволочная
сетка с диаметром проволоки 0,5 мм. Керамика должна иметь такой уровень пористости, который позволяет ей действовать подобно мозаике при изгибах, вызванных термическими или механическими напряжениями. Показано, что оптимальной величиной пористости надо считать 20—40%.
Опубликовано очень мало данных о композициях, армированных сеткой. Они оценены только с точки зрения термостойкости. В тех случаях, когда при разработке композиции соблюдались указанные выше критерии, термостойкость обычно была очень высокой.
Армирование керамических покрытий. Армированные тугоплавкие керамические покрытия благодаря своей большой толщине защищают подложку из конструкционного металла гораздо лучше, чем керамические покрытия подобного же состава, наносимые пламенным напылением. Армированные покрытия обладают малой плотностью и относятся к огнеупорным покрытиям, так как способны выдерживать рабочие температуры свыше 1100оС. Они состоят из подходящей тугоплавкой керамической матрицы и армирующего металла, который скрепляется с металлической основой.
Типичными матричными материалами служат неорганические окислы металлов, например окиси алюминия, хрома или циркония. Столь же успешно в качестве керамических наполнителей могут применяться и такие достаточно тугоплавкие материалы, как сложные окислы, нитриды, карбиды, силициды и интерметаллиды. В качестве армирующих элементов с успехом применяют проволочные сетки, гофрированные полоски или различные тянутые металлы.
Типичные армирующие элементы
Металлические армирующие элементы выполняют ряд следующих важных функций:
соединяют керамическое покрытие с металлической основой (армирующие элементы связываются с основой механическим путем); в значительной мере воспринимают на себя термические напряжения, возникающие вследствие неодинакового теплового расширения основы и покрытия; распределяют термические и механические напряжения параллельно и перпендикулярно поверхности, предохраняя тем самым покрытие от катастрофического разрушения; ограничивают и направляют распространение трещин в керамике; ("11") связывают между собой растрескавшиеся участки и препятствуют разрушению покрытия.Толщина покрытий, армированных гофрированными полоска ми, доходит до 76.2 мм. Обычно металлические полосы получаются прокаткой проволоки или нарезаются из фольги. Этим полосам придают почти полусинусоидальную форму. Гофрированная полоса имеет короткие плоские участки между гребнями для упрощения ее крепления с металлической основой посредством точечной сварки. Применяются полосы толщиной 0,25—0,5 мм, шириной около 3 мм и различной длины. Высота гребня изменяется в соответствии с толщиной покрытия, необходимой в каждом конкретном случае, а расстояние между ними составляет 4,0, 7,9 и 12,7 мм. Гофрированные полоски можно делать из всякого сваривающегося металла. Кроме малоуглеродистой и нержавеющей стали в этих целях исследовались тугоплавкие металлы (молибден, тантал, ниобий и вольфрам).
Были проведены испытания покрытия из двуокиси циркония, стабилизированной окисью кальция. В качестве связующего пользовались кремнефтористоводородной кислотой. Покрытие было армировано гофрированной танталовой полосой шириной 3,2 мм и толщиной 0,25 мм. Общая толщина покрытия составляла 6,35 мм. Испытания проводились при температурах свыше 2600°С, причем покрытие выдерживало многократные циклы нагрева и охлаждения общей продолжительностью свыше 1 часа. Температурный градиент составлял около 6 град на 0,1% толщины при температуре на поверхности свыше 2600°С.
Покрытие толщиной 6,35 мм из двуокиси циркония с добавкой фосфата в качестве связующего, армированное гофрированной полоской из молибденового сплава шириной 3,2 мм и толщиной 0,25 мм, показало в струе плазмы, обтекающей поверхность, перепад температуры 1260°С. Если наружная сторона при установившемся режиме нагревалась до 2300°С, то внутренняя поверхность покрытия имела температуру лишь 1040°С. Это покрытие было испытано на термостойкость при охлаждении от температуры 2300 до 538°С со скоростью 343 град/сек и от 538°С до комнатной температуры с несколько меньшей скоростью. Покрытие выдержало семь таких циклов.
Успешно применялись для армирования керамических покрытий и металлические соты. В качестве матрицы с сотами из инконеля и платины брали двуокиси циркония и тория и окись алюминия. Очень хорошим покрытием при температуре около 430°С оказалась композиция из окиси алюминия с добавкой связующего, частично наполненная волокнистым изоляционным материалом и армированная сотами из инконеля, скрепленными с металлической основой. Такая композиция толщиной 12,7 мм имела температурный градиент 760°С, когда температура нагретой поверхности составляла 1650° С. Химически связанная двуокись циркония, армированная платиновыми сотами с соответствующими размерами ячеек, обнаружила отличную термостойкость при работе в области температур около 2300°С.
МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Керамические изделия. Существует два основных способа изготовления керамических изделий, армированных металлическими волокнами,— горячее прессование и шликерное литье. Попытки изготовить эти композиции холодным прессованием и спеканием успехом не увенчались. Металлические волокна, будучи относительно жесткими, не позволяют керамической пудре уплотняться равномерно. К тому же волокна, деформируемые при холодном прессовании, имеют тенденцию к упругому последействию после снятия давления, что в дальнейшем приводит к образованию дефектов уплотнения.
Горячее прессование обеспечивает «ненапряженное» состояние композиции при температуре спекания. Этот способ сводится к прессованию смеси керамического порошка с металлическими волокнами под давлением от 140 до 350 кг/см2 и последующей выдержке при температуре спекания до максимального уплотнения керамики. В процессе горячего прессования волокна располагаются в плоскостях, перпендикулярных направлению усилия прессования, но в самих этих плоскостях они ориентируются произвольно.
Серьезная трудность, связанная со способом горячего прессования, заключается в необходимости обеспечения хорошего перемешивания керамического порошка с металлическими волокнами. Самое хорошее перемешивание достигается, по-видимому, при некотором своеобразном способе утряски, которая получается в смесителе типа двойного конуса или в смесителе со сдвоенным барабаном. В смесителях скользящего действия, например в шаровых мельницах или барабанных смесителях, происходит расслоение смеси и перепутывание волокон. Длина волокна, по-видимому, оказывает заметное влияние на степень агломерирования волокон: чем короче волокна, тем меньше степень агломерации. Однако при выборе длины волокна необходимо иметь в виду, что отношение длины волокна к его диаметру должно составлять не менее 20:1, поскольку именно такая величина, как установлено, является оптимальной при армировании волокнами.
Шликерной отливкой керамической матрицы пользуются в настоящее время в меньшей степени, чем горячим прессованием.
Однако этот способ весьма перспективен при изготовлении композиций с большей концентрацией армирующего металлического волокна и крупных изделий сложной формы, когда необходимо удешевить их производство.
Существуют две выгодные разновидности шликерного литья. Первая из них заключается в смешивании нарезанных таллических волокон с керамической суспензией и заливке этой смеси в гипсовую форму с последующими операциями сушки и обжига композиций. Однако применимость этого способа ограничивается тем, что ввести нарезанные волокна в суспензию без образования комков удается только до 5% по объему. Так, при достаточном содержании твердого вещества в суспензии (около 80% по весу) концентрация волокна в обожженной композиции ограничивается приблизительно 20% по объему. Кроме того, этот способ, подобно горячему прессованию, предусматривает применение только нарезанных волокон. Надо отметить, что па долю нарезанных волокон падает большая часть общих расходов по изготовлению композиции, армированной металлическим волокном. Обычная стоимость молибденовых волокон длиной от 3,2 до 12,7 мм составляет около 3,3 долл. за 1 кг проволоки диаметром 250 мк и до 330 долл. для проволоки диаметром 25 мк.
Второй разновидности шликерного литья для изготовления керамики, армированной металлическим волокном, присуще то преимущество, что она допускает применение не только нарезанного волокна, но и металлического войлока, позволяя вместе с тем ввести в композицию больше металлического волокна. Сущность этого способа состоит в том, что металлический войлок помещают в соответствующую форму и пропитывают керамической суспензией. Войлок можно сделать как из металлической ваты, так и из нарезанных волокон, которые сбиваются в войлок с помощью усовершенствованной технологии, применяемой при производстве бумаги. До пропитки керамической суспензией этот войлок можно спрессовать и спечь. По этому методу изготовляли, например, композиции из эпоксидных смол, армированные металлическим волокном. Он позволяет доводить концентрацию волокна до 83% по объему, хотя в литературе и не приводятся данные о максимальной концентрации волокна, достижимой в таких композициях.
Способы получения керамики, армированной металлическими волокнами
Волокно | Матрица | Способ изготовления |
Mo | Li2O. Al2O3 8SiO2 | Горячее прессование |
Mo, сталь | Al2O3.ZrO2 | Горячее прессование |
Nb | Al2O3 + 30% Cr | Шликерное литьё |
W, Mo, Th | Al2O3 | Шликерное литьё |
W, Mo | Каолин, кремний, полевой шпат, | Горячее прессование |
W, Mo | муллит + 20% Cr | Горячее прессование |
Mo | MgO, SiO2 | Горячее прессование |
("12") Изготовление керамических конструкций, армированных непрерывными нитями, например металлической сеткой, требует разработки технологии, несколько отличной от той, которая при меняется при армировании короткими волокнами, что объясняется главным образом различной величиной межволоконного промежутка. Подобным армирующим элементам обычно предварительно придают форму изготовляемой детали (например, передней кромки крыла), а керамическую матрицу в виде густой пластичной тестообразной массы вводят затем путем заливки и подтрамбовки. Фактически керамику, армированную сеткой, изготовляют в основных чертах так же, как и армированные тугоплавкие керамические покрытия, которые благодаря более широкому их применению рассматриваются ниже несколько подробнее. Изложенные ниже принципы применимы в большинстве случаев при изготовлении обеих систем.
Керамические покрытия. При выборе металла для армирования керамических покрытий важно учитывать следующие обстоятельства:
сравнительную величину коэффициентов теплового расширения армирующего металла, керамической матрицы и металлической основы, к которой должны крепиться армирующие элементы; максимальную температуру, при которой работают армирующие элементы (она зависит от температуры среды, с которой соприкасается поверхность покрытия, температурного градиента, допустимого для тугоплавкой керамики, и глубины, на которой армирующие элементы находятся в покрытии); способность армирующего металла и металлической основы свариваться точечной сваркой или другим способом; сопротивление армирующего металла коррозии в условиях эксплуатации.Сравнительная величина коэффициентов теплового расширения армирующего металла, керамики и металлической основы должна рассматриваться с учетом назначения покрытия, а именно с учетом того, подвергается ли поверхность керамики при нагреве растяжению или же сжатию и каковы скорость и направление охлаждения. Так, покрытие, пригодное для вогнутой внутренней поверхности камеры сгорания реактивного двигателя, подвергающейся при нагревании сжатию, не годится для передней кромки крыла с выпуклой поверхностью, подвергающейся при тепловом расширении керамики растяжению. Кроме того, камера сгорания реактивного двигателя охлаждается преимущественно с внутренней стороны покрытия (со стороны металлической основы), в то время как передняя кромка крыла охлаждается со стороны поверхности керамики в условиях, когда в композиции существует совершенно другая система напряжений.
Обычно металлические армирующие элементы располагаются в керамике таким образом, что наиболее выступающие точки находятся на расстоянии 0,75—1,00 мм от поверхности керамики. Однако для расширения возможностей применения менее тугоплавких металлов в качестве армирующих элементов для покрытий, работающих при температурах около 2200°С, необходимо армирующие элементы располагать на большей глубине.
В тех случаях, когда армирующий металл особенно чувствителен к коррозии, как это бывает, например, в случае тугоплавких металлов, часто возникает необходимость изолировать эти металлы непористым защитным покрытием, вторичным по отношению к жаростойкому керамическому покрытию. Хотя последнее и уменьшает скорость коррозии, тем не менее без вторичного покрытия оно еще не обеспечивает достаточной защиты от коррозии.
Форма армирующего элемента (проволочная сетка, соты или гофрированная полоска) определяется формой покрываемой детали, а также наличием выбранного для армирования металла. Металлические соты, которые легче всего скрепляются с металлической основой, почти не пригодны для изделий сложных форм, например деталей сложной кривизны или конических сопел. С другой стороны, сам процесс крепления с металлической основой гофрированной полоски, которая больше всего подходит для изделий сложных форм, требует много времени и труда. Так, для крепления армирующих гофрированных полосок в камере сгорания реактивного двигателя или в трубе большого теплообменника требуется до—30 000 точек сварки.
Керамические матрицы, обычно изготовляемые в виде плотной тиксотропной тестообразной массы, можно вводить в композицию путем вмазывания, трамбовки или заливки. Вмазывание покрытия — длительная операция, требующая высококвалифицированного труда. Хотя на трамбовку требуется времени меньше, чем на вмазывание, она тем не менее не годится для изделий сложной формы или очень больших размеров. Разработан метод вибрационной заливки, который, по-видимому, весьма подходящ для изготовления армированных покрытий. Он заключается в том, что покрываемую деталь с прикрепленными к ней армирующими элементами помещают в литейную форму, которая имеет ту же конфигурацию, что и отливаемое покрытие. Эту форму с деталью устанавливают на вибрационную платформу, и керамическая смесь под действием вибрации заполняет пустоты. После заполнения пространства между деталью и стенкой формы вибрация прекращается и отливка выдерживается в течение нескольких часов до ее выемки из формы. Спекание обычно проводят ступенчато по несколько часов. В зависимости от природы материала покрытия и применяющегося связующего максимальную температуру спекания можно изменять от 175 до 430°С.
Большое значение имеет должное уплотнение на каждой ступени процесса спекания, так как в противном случае покрытие может растрескаться и разрушиться при эксплуатации из-за чрезмерной усадки керамики. Частично этого достигают контролем за распределением частиц по их величине. Обычно отсев мелких фракций ведет к уменьшению объемной усадки керамики при обжиге.
Некоторая пористость керамической матрицы приносит пользу. Если покрытие имеет очень малую пористость, то это ведет к понижению его термостойкости. Приемлемым уровнем пористости надо, по-видимому, считать 15—20%. Кроме того, пористость дает дополнительное преимущество, когда покрытия используются в летательных аппаратах, где большое значение имеет вес.
Попытка введения керамической матрицы в композицию с помощью пламенного напыления не увенчалась успехом из-за отражающего действия армирующей среды. Однако должным образом спроектированное оборудование, возможно, позволит осуществить такой процесс.
СИСТЕМЫ КЕРАМИКА — МЕТАЛЛ
Благодаря своим превосходным прочностным свойствам керамические волокна представляют большой интерес в качестве армирующего материала в композициях. Они тугоплавки, обладают большой удельной прочностью и высоким удельным модулем (по отношению к удельному весу) и хорошо сохраняют свои свойства при повышенных температурах. Керамические волокна, которые пригодны для армирования композиций, можно подразделить на следующие три основные категории: почти совершенные монокристаллы, или «усы», поликристаллические волокна из непластичной керамики и аморфное стекло, или кремнезем.
Выпускаемые поликристаллические керамические волокна чаще всего не обладают таким сочетанием прочности и пластичности, которое необходимо для армирования металлов. Такие керамические волокна при обычных способах изготовления композиций оказывались в большинстве случаев хрупкими. Малодоступность волокон имела своим следствием ограниченность сведений о композициях, армированных хрупкими поликристаллическими волокнами из керамики. Отдельные исследования были проведены со смесью порошка керамики в металлической матрице, которая после экструзии имела волокнистую структуру. Исследования таких композиций показали ориентирование крупинок керамики и повышение прочности по сравнению с неармированной матрицей. Образование свежих поверхностей при ориентировании керамики в контакте с выбранным металлическим связующим создает определенные преимущества в отношении улучшения сцепления и повышения прочности.
Прочность сцепления керамики с металлом, которая способна лимитировать свойства композиций керамическое волокно— металл, зависит от множества взаимосвязанных явлений и параметров. Разработано много полезных теорий, раскрывающих природу сил сцепления стекла с металлами. Однако, как это отмечается в обзоре по этому вопросу, приемлемой атомарной теории связи керамики с металлом пока не существует. Составители этого обзора подчеркивают, что этому не следует удивляться, так как рассмотрены лишь отдельные из многих параметров, от которых существенным образом зависит прочность сцепления. Поскольку фундаментальные основы сцепления разработаны недостаточно, приходится тратить много усилий на создание прочного сцепления между керамическими волокнами и металлической матрицей. Решение задачи обеспечения такого сцепления усугубляется дополнительно еще и тем, что некоторые свойства, от которых зависит прочность керамических волокон, легко ухудшаются в процессе создания сцепления. Прочность усов является, по крайней мере отчасти, следствием почти полного совершенства их кристаллического строения, а прочность волокон из стекла или кварца зависит от гладкости и бездефектности их поверхности. Процесс же создания сцепления способен ухудшить свойства путем вредного воздействия на эти самые характеристики.
Армирование усами. Для изучения прочности сцепления между различными металлами и керамическими усами было исследовано несколько конкретных систем. В большей степени были исследованы усы окиси алюминия благодаря их замечательным свойствам и сравнительной простоте их производства. Композиции серебро — окись алюминия продемонстрировали свои достоинства не менее наглядно, чем это раньше показала медь с вольфрамовой проволокой. Хорошая пластичность, легкоплавкость и химическая инертность серебра делают его хорошим матричным материалом.
Однако для улучшения смачивания серебром на усы необходимо наносить металлические покрытия: усы без покрытий вытягиваются из матрицы при малом напряжении.
("13") Хорошие характеристики модельных систем стимулировали работы по созданию композиций с улучшенными свойствами при повышенных температурах. В качестве матричных материалов были выбраны никель и нихром. В обоих случаях осознавалась необходимость экспериментального изучения особенностей сцепления керамических усов с матрицей.
Смачивание керамики расплавленным металлом — главный фактор обеспечения надежного сцепления. Было исследовано влияние различных легирующих добавок к металлу на прочность сцепления, так как избирательная адсорбция добавок пли примесей на поверхностях раздела металл—керамика усиливает смачивание вследствие понижения поверхностного натяжения между двумя фазами. В подобного пода исследованиях многие авторы измеряли контактный угол смачивания для сидячей капли, что дает очень удобный способ определения величины поверхностного натяжения. Обзор некоторых последних работ такого рода доказывает важность проблемы обеспечения сцепления между металлом и керамикой и необходимость контролирования реакций на поверхностях раздела фаз для повышения прочности композиции.
Также изучали реакции взаимодействия на поверхности, раздела между двумя никелевыми сплавами и монокристаллами окиси алюминия (сапфира). По методу сидячей капли была определена величина энергии поверхности раздела между сплавами никеля с титаном или хромом при расплавлении на сапфировой подложке. Эта межфазовая энергия значительно уменьшалась с ростом содержания обоих легирующих элементов в никеле. Было установлено, что прочность сцепления зависит как от избыточной концентрации легирующего элемента на поверхности раздела металл—керамика, так и от взаимодействия атомов избыточного элемента с окисью алюминия. Признаком повышенной концентрации растворенных атомов на поверхности раздела служило быстрое уменьшение величины поверхностной энергии, которое определяли по уменьшению угла смачивания для сидячей капли. Рентгеновский флуоресцентный анализ также свидетельствовал о сегрегации растворенных атомов на поверхности раздела. Рентгеновский дифракционный анализ показал наличие окиси титана на поверхности раздела между керамикой и сплавом никеля с титаном. Исследования по такой же методике системы никель — хром — сапфир признаков какого-либо соединения на поверхности раздела не обнаружили, хотя зеленая окраска вблизи поверхности раздела свидетельствовала о диффузии хрома в окись алюминия.
С учетом возможного влияния примесей на смачивание при последующем исследовании брался никель более высокой степени чистоты и определял контактный угол для сидячей капли в установке с более глубоким вакуумом, чем ранее. Наряду с этим он определял относительную адгезию затвердевших капель сплава к сапфиру путем измерения силы, необходимой для отрыва таких капель. Он исследовал влияние добавок хрома, титана, алюминия, индия, меди и циркония к никелю на прочность сцепления таких сплавов с монокристальной окисью алюминия. Как было установлено, наибольшее влияние на смачивание, величину поверхностной энергии между фазами и прочность сцепления оказывали добавки хрома, титана и циркония. Эти результаты согласуются с данными прежних исследований по изучению влияния хрома и титана па смачивание окиси алюминия бинарными сплавами никеля с этими металлами. При легировании никеля титаном и цирконием, которые улучшали сцепление эффективнее хрома, были обнаружены признаки явного химического взаимодействия с подложкой сапфира. Фактически присадка титана пли циркония в количествах 1 ат.% оказывала воздействие на подложку. Снижение содержания титана примерно до 0,01 ат.% ослабляло химическое взаимодействие и повышало сопротивление сдвигу на 300%.
Продолжение этих исследований с целью уточнения влияния хрома, титана и циркония на смачивание и прочность сцепления между двойными сплавами никеля и кристаллами сапфира. Последовательность событий, ведущих к сцеплению между двойным сплавом никеля и сапфиром:
Легирующий элемент сначала равномерно распределен по всему сплаву. После плавления его атомы сегрегируют у поверхности раздела, взаимодействуют с окисью алюминия, образуя новые фазы, и диффундируют в подложку. Канавки с обоих краев зоны взаимодействия на рисунке свидетельствуют о шероховатости поверхности, создаваемой реакциями взаимодействия у поверхности раздела. По данным рентгеновского дифракционного и флуоресцентного анализов были идентифицированы фазы на поверхности раздела между металлом и керамикой. Идентификация этих фаз позволяет судить о тех реакциях, при которых они образовались и которые способны привести к изменению прочности сцепления. Результаты проведенной идентификации фаз согласуются с данными прежних исследований в том отношении, что хром не образует новых фаз. Но, как и в исследовании, у поверхности раздела была обнаружена зеленая окраска, выявляющая присутствие ионов Сг3+. В связи с этим было высказано предположение, что хром окисляется до трехвалентного Сг3+ кислородом, растворенным в никеле или содержащимся в атмосфере, так как хром не способен восстанавливать окись алюминия. Небольшое количество фазы, представляющей собой окись титана нестехиометрического состава, было обнаружено на поверхности раздела между сплавом никеля с титаном и окисью алюминия. Эта фаза также, вероятно, образовалась благодаря примеси кислорода в системе, поскольку окись алюминия не может быть источником кислорода для образования окиси титана, так как окись алюминия, обладая большей свободной энергией, стабильнее окиси титана и удерживает свой кислород. Однако обнаруженная в больших количествах окись циркония обладает большей свободной энергией, чем окись алюминия, благодаря чему ее образование не зависит от остаточного кислорода в системе. Повышенное содержание алюминия в никелевом сплаве подтвердило, что источником кислорода в этом случае являлась окись алюминия.
Если допустить, что реакция с участием легирующего элемента на поверхности раздела металл—керамика усиливает сцепление, то упоминавшиеся результаты идентификации фаз позволяют разместить элементы по убывающей эффективности их добавок в следующем порядке: цирконий, титан, хром. Если же прочность сцепления оценивать по величине сдвигового напряжения, требующегося для отрыва затвердевшей капли подложки, то эти металлы разместятся в обратном порядке. Хотя взаимодействие между металлом и керамикой на поверхностях раздела, по-видимому, делает силу сцепления между ними больше, тем не менее интенсивное взаимодействие приводит к тому, что керамическая подложка разрушается раньше, чем поверхность раздела.
Результаты упоминавшихся исследований вообще показывают, что разные легирующие элементы усиливают смачивание, сегрегируя на поверхности окиси алюминия и вступая в реакцию с ней. Подобное взаимодействие и диффузия легирующих элементов в окись алюминия упрочняют сцепление. Однако разъедание поверхности или внутренние напряжения, возникающие при взаимодействии, понижают прочность соединения. Таким образом, химическое взаимодействие и диффузия избыточных атомов растворенного вещества, сконцентрированных у поверхности раздела, способны привести к общей утрате прочности соединения. Действие этих двух противоположных процессов:
Прочность подложки понижается с ростом интенсивности взаимодействия, в то время как сила сцепления и протяженность зоны взаимодействия становятся больше. Оптимальной интенсивности взаимодействия на поверхности раздела соответствует максимальная прочность соединения. Если превысить эту оптимальную интенсивность взаимодействия, то хрупкая фаза разрушается при низких уровнях прочности. Таким образом, для обеспечения максимальной прочности сцепления и минимального повреждения подложки необходимо ограничить интенсивность химического взаимодействия на поверхности раздела.
На основе этих результатов авторы предположили, что сцепление усов окиси алюминия с металлом подвержено такому же нарушению, как и в случае вольфрамовой проволоки в композициях металл — металл. Проводя аналогию дальше, можно надеяться на то, что вредное влияние легирующих элементов можно ослабить, заменив жидкофазные методы изготовления композиций спеканием в твердом состоянии. Изменение технологии изготовления имеет целью уменьшение избыточной концентрации растворенного вещества на поверхности раздела металл - керамика, поскольку температура спекания обычно ниже, а скорость диффузии в твердом состоянии меньше, чем при жидкофазных операциях. Можно также полагать, что для улучшения сцепления волокна необходимо покрыть тонким слоем сплава, содержащего присадки легирующих элементов. Поскольку основной матричный сплав не будет содержать присадок, то сегрегация растворенных атомов на поверхности раздела должна быть меньше. Более низкая концентрация растворенного вещества приведет к повышению долговременной высокотемпературной стабильности поверхности раздела, снижая интенсивность взаимодействия в процессе эксплуатации композиции.
В литературе опубликованы результаты лишь отдельных исследований по вопросу о влиянии поверхностных межфазных реакций на прочность металлических композиций, армированных усами боридов, нитридов или карбидов. Более сильная химическая активность карбидов, нитридов и боридов по сравнению с окислами позволит обеспечить их сцепление с металлическими матрицами при использовании менее активных легирующих элементов. Надо полагать, что повреждение керамических подложек, обусловленное их активностью, должно носить такой же характер, как и в случае окислов. Можно также полагать, что с подобным ущербом в таких керамических системах удастся бороться надлежащими технологическими приемами.
Армирование кварцевыми или стеклянными волокнами. Хотя стеклянные или кварцевые волокна не обладают столь высокой прочностью, как усы, они тем не менее привлекли значительное внимание как материал для армирования металлов. Их большая вязкость в широком интервале температур в жидком состоянии позволяет изготовлять непрерывные волокна вытягиванием из расплава. Прочность кварцевых волокон при комнатной температуре составляет около 700 кг/мм2. Принято думать, что высокая прочность этих волокон обусловлена отсутствием поверхностных дефектов.
При использовании кварцевых волокон возникают те же трудности, что и в случае соединения металла с керамикой, например окисью алюминия. Таким образом, реакции взаимодействия, приводящие к повреждению поверхностей раздела и в то же самое время способствующие усилению сцепления, должны, по-видимому, быть столь же вредны, как и для усов. Для создания прочной композиции, армированной кварцевым или стеклянным волокном, необходимо строго следить за тем, чтобы реакции взаимодействия на поверхности раздела не ослабили сцепления между стеклом и металлом. Данному требованию отвечает, например, композиция на основе алюминия, армированная кварцевыми волокнами. Эту композицию изготовляли горячим прессованием волокон кварца, предварительно покрытых алюминием. Производство волокон и их покрытие алюминием осуществляли по способу:
Нанесение покрытия сопряжено с большими трудностями, поскольку при температурах выше точки плавления металла кварц энергично взаимодействует с алюминием. Были выработаны меры, понижающие скорость разъедания и изменяющие его характер, так что вся поверхность поражается равномерно, а не на отдельных участках. Такие меры обеспечивали хорошую адгезию между волокнами и металлической матрицей, позволяя в то же время избежать огрубления поверхности, приводящего к снижению прочности. Предел прочности при растяжении кварцевых волокон, отнесенный к площади нетто-сечения кварца, превосходил 490 кг/мм2.
Как видно из рисунка, прочность композиции алюминий—кварц зависит от способа их изготовления. Снижение температуры процесса приводит к заметному повышению прочности при растяжении в широком температурном интервале. Хотя в процессе производства композиции прочность волокон уменьшалась, тем не менее удалось получить композицию с пределом прочности до 105 кг/мм2 при комнатной температуре. Контроль межфазных реакций, в результате которых обеспечивалось хорошее сцепление при незначительных повреждениях волокон, позволил создать композиции с отличными свойствами при комнатной и повышенных температурах.
Реакции на поверхностях раздела существенно влияют на свойства волокнистых материалов систем металл — керамика. Многие керамики плохо смачиваются металлами, следствием чего является слабое сцепление между компонентами в системах металл — керамика. Это приводит к низкой прочности композиций. Данную проблему решают путем легирования армированной матрицы элементами, улучшающими сцепление благодаря реакциям взаимодействия на поверхностях раздела. Вместе с тем такие элементы способны и понизить прочность композиции вследствие разъедания керамики. Соответствующим выбором технологии изготовления можно затормозить развитие реакций. Контроль реакций на поверхностях раздела с помощью соответствующей технологии позволит создать высокопрочные волокнистые композиции.
("14") Области применения. Армирование керамики короткими (нарезанными) металлическими волокнами первоначально изучалось с целью получения основных теоретических сведений, а не для изыскания новых областей применения. Поэтому главные усилия были направлены на определение физических свойств композиций в зависимости от используемых материалов, размеров металлических волокон, разности коэффициентов теплового расширения матрицы и армирующего металла и т. д.
В настоящее время керамика, армированная нарезанными волокнами, применяется лишь для облицовки сопел экспериментальных ракет. Методика изготовления облицовки в этом случае такова. Вольфрамовые волокна диаметром 0,12 мм сбиваются в войлок с конфигурацией сопла ракеты и помещаются в пористую форму. Затем волокнистая основа путем вакуумной фильтрации пропитывается керамической суспензией из карбида титана. Композиция высушивается и подвергается уплотнению горячим прессованием в графитовой форме под давлением 280 ат. При испытании таких сопел в экспериментальных ракетах видимых признаков эрозии не было обнаружено; сопла показали очень высокую термостойкость.
Область применения армированных тугоплавких керамических покрытий гораздо обширнее, исследования в этой области носят преимущественно прикладной характер. Армированные керамические покрытия успешно используются в качестве внутренней облицовки камер сгорания реактивных двигателей, плазменных камер, сопел ракет, подии нагревательных печей и т. д.
Использование армированного покрытия из двуокиси циркония в теплообменниках крупного воздухоочистителя представляет типичный пример применения армированных тугоплавких керамических покрытий. Этот теплообменник из восьми трубчатых секций диаметром по 203,2 мм имел высоту 4,24 м. Покрытие из двуокиси циркония толщиной 41,27 мм армировали гофрированными полосками из нержавеющей стали 321 шириной 3,2 мм и толщиной 0,25 мм. Для крепления этой арматуры из стальных полосок к внутренней стороне трубы необходимо было произвеститочечных сварок. Потребовалось около 1 т керамической матрицы, которую наносили с помощью вибрационной заливки. Установка работала на загрязненном воздухе при 1700°С для нагрева чистого воздуха от 815 до 1540° С. Нормальное рабочее давление составляло 14 ат.
Армированные тугоплавкие керамические покрытия, подобно керамике, армированной непрерывными нитями (т. е. проволочной сеткой, сотами и т. п.), испытывались на передних кромках крыльев, в головных частях снарядов и носовых капсулах для орбитальных космических кораблей, возвращающихся на землю. Надо отметить, что во всех этих случаях применение армированных покрытий было не столь успешным, как в случаях, когда поверхность керамики была вогнутой и, следовательно, испытывала при нагреве сжатие. Предпринимались попытки преодолеть это путем секционирования выпуклых поверхностей.
Перспективы. Выше были изложены преимущества композиций, армированных металлическим волокном. Однако предстоит выполнить еще много исследований, прежде чем такие композиции найдет применение в технике. Усилия, затраченные на теоретические исследования и прикладные разработки, носили нерегулярны» и бессистемный характер. Чтобы реализовать те действительные перспективы, которые сулят армированные керамические композиции, необходимы более всесторонние и систематические исследования, программы которых не должны быть связаны с какими-либо ограничениями. Например, только из тех соображений, что волокна пли нити, являясь легко доступной формой армирующих элементов, показали очень хорошие результаты при армировании смол или пластиков, еще не следует, что дальнейшие исследования армированных керамик должны автоматически исключать другие формы армирующих элементов. Армирующие элементы слоистых пли пластинчатых форм могут фактически оказаться более пригодными для армирования керамики или хотя бы для улучшения тех или иных ее характеристик. Недостаточно изучать только количественные характеристики, обусловленные различием формы, пропорций, распределения и ориентации, а также совместимости физических и химических свойств. Необходимо еще широко разрабатывать соответствующие модели и теории, чтобы глубже понять взаимосвязь этих параметров и их влияние на свойства композиции. В противном случае, усилия, необходимые для отбора наилучших рецептов композиций из множества возможных, приобретут огромные масштабы.
Попытки применения армированных керамических композиций в конструкциях были также сугубо специальными и эмпирическими. Чаще всего эти композиции использовались лишь как последнее средство в тех случаях, когда монолитные материалы оказывались непригодными для применения. По традиции инженерный подход к разработке заключался в том, чтобы подогнать конструкцию изделия к свойствам материала. В будущем необходимы новые принципы, заключающиеся в том, чтобы при разработке таких материалов, как композиции, учитывать конструкцию изделия, условия эксплуатации и экономические соображения. Кажется сомнительным, чтобы одна или даже несколько керамических композиций дали универсальный материал для решения проблем, связанных с реальными условиями работы в горячей среде. Композиции, вероятно, всегда будут разрабатываться специально, применительно к специфическим условиям их эксплуатации. Об этом свидетельствует весь опыт применения армированных керамических покрытий. Однако при наличии достаточных данных, такие композиции могут дать инженерам возможность воспользоваться лучшими свойствами керамики, не будучи связанными её недостатками.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. , , «Новые материалы в технике». Мн., «Беларусь», 1971.
2. «Волокнистые композиционные материалы». Под ред.
М., «Мир», 1967.
3. «Современные композиционные материалы». Под ред. М, «Мир», 1970.
4. , , «Новые композиционные материалы». Киев, «Вища школа», 1977.
5. «Справочник металлиста». В 5 – и т. Т. 2. Под ред. ,
. М., «Машиностроение», 1976.
preview_end()
