Композиционные материалы на керамической основе

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 непрозрачный	Пирокерам 9605 непрозрачный	Пирокерам 9606 непрозрачный	Пирокерам 9608 прозрачный
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 107, 1/оС	100	14	57	2,20

 

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 — 245 000 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.

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.