CMC kompozity s keramickou matricí
Základní požadavky Zvýšení houževnatosti - hlavně vlákna Zpevnění - vyrovnání pevnosti v tahu a tlaku - vlákna, především whiskery Zvýšení otěruvzdornosti v extremních podmínkách - částice Dosažení obrobitelnosti keramiky částice
Zvyšování houževnatosti keramiky Použitím disperze s větší lomovou houževnatostí - protože pohlcovaná energie je W = Kic / √E a energie pohlcené složkami lze skládat podle směšovacího pravidla, musí být E d ∼ Em ( ∼ Ek ) Vytahováním vláken - nejefektivnější budou vlákna s délkou kolem 2*lk, delší se budou přetrhávat a ne vytrhávat a kratší potřebují na vytržení menší energii
Porovnání průběhu tahového diagramu Keramika
Vláknový kompozit
Keramika s izometrickými částicemi Většinou matrice SiC, částicemi dosahováno extremní otěruvzdornosti Hexoloy KG SiC - disperze částice Si a C, zvýšení otěruvzdornosti za vysokých teplot a odolnosti tepelným šokům, použití na trysky raketoplánů Hexoloy ST SiC - disperze částice TiB2 extrémně tvrdé a otěruvzdorné, použití na trysky otryskávacích strojů
Kompozity s whiskery Matrice Al2O3 nebo ZrO2. Dnes užívané - whiskery SiC Zvýší pevnost za pokojové teploty i vyšších teplot Zvýšená odolnost kreepu a erozi, snížené tření Problémy : cena a toxicita whiskerů Nově zkoušeny whiskery Al2O3 Výroba obvyklým keramickým procesem - whiskery namíchány do břečky
Fiberforce - cement s PP vlákny Vlákna z polypropylenu délky 18 až 50 mm Objemové množství 0,1 až 0,5 % Výrobce např. ARMPRO, Ontario, Kanada Abraze se sníží o 10 % Pevnost v tahu vzroste z 3,1 MPa na 3,4 MPa Pevnost v tlaku vzroste z 22 MPa na 24 MPa Pevnost v ohybu vzroste téměř na dvojnásobek Jiná možnost - vlákna kevlar, sklo, ocel Tažnost a houževnatost se zvýší velmi silně
Pracovní diagram Fiberforce Zkouška ohybem – průhyb je měřítkem tažnosti
Bez vláken
0,3 % vláken – 5x větší průhyb
Rázová houževnatost Fiberforce
Cementový kompozit Skořepinová konstrukce – Kennedyho letiště, USA
Kompozity s dlouhými vlákny Vlákna obvykle C nebo SiC Infiltrace do rohože - C matrice pyrolyzou PAN - kompozit C/C, na rakety, turbiny, implantáty Infiltrace do rohože - technika sol - gel u SiO2 máčení rohože do břečky a normální sušení a vypalování
Kompozit C/C Disperze :
Grafit – částice
Usměrněná vlákna
3 D vlákna
Youngův modul (GPa) :
10 – 15
120 – 150
40 - 100
Pevnost v tahu (MPa) :
40 – 60
600 - 700
200 - 350
Pevnost v tlaku (MPa) :
110 – 200
500 – 800
150 - 200
Houževnatost (kJ/m2) :
0,07 – 0,09
1,4 - 2
5 - 10
Náběžná hrana raketoplánu RCC – vláknový kompozit C/C
Kompozit matrice SiC + vlákna SiC
Časovaná pevnost : Po tepelném zpracování Po přípravě TZ je nutné pro zlepšení adheze
Sklo zpevněné vlákny E (Gpa)
A (%)
7,8
Ru (Mpa) 600
210
10
λ (W/mK) 40
2,2
50
63
0,1
1,1
2,9
450
110
1
3
2,0
500
130
1
1,5
Materiál
S (g/cm3)
Uhlíková ocel Sklo Sklo + vlákna SiC Sklo + vlákna C
Matrice Al2O3 - B2O - SiO2 sklo se 40 % vláken ve směrech 0 a 90 o Stabilní s SiC i C vlákny do 500 oC Je elektricky vodivé Na různé podložky a držáky při výrobě skla a hliníku - nahrazují speciální oceli
Sklokeramické kompozity Rohož z C nebo SiC zalitá do roztaveného skla Pevnost v tahu až 1000 MPa, Youngův modul 150 GPa Lomová houž. 15 až 25 Mpam1/2 Na vzduchu s C vlákny do 600 oC, s SiC vlákny do 1000 oC Velmi levná technologie
Skleněná matrice s částicemi - Je možné také do roztavené skloviny přidat částice výšetavitelné látky a tím získat částicový kompozit. - Kompozit s matricí typu Pyrex a okolo 30 % disperze buď částic yttriem stabilizovaného ZrO2, nebo destiček Al2O3 je používán např v palivových článcích na přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou.
Sklo - slídové kompozity Označení Mykroy, Arclex, Macor Dodavatel FiberOptic Švýcarsko Vysoká odolnost tepelným šokům Vysoká elektrická pevnost a velký izolační odpor Vysoká odolnost elektrickému oblouku Velmi malá teplotní roztažnost Nehořlavý, zdravotně nezávadný Bez pórů, nenasákavý Možnost rovinné orientace destiček
Macor - základní vlastnosti Použití : vysokovakuové díly, medicina, družice, dýzy plynových hořáků (svařovacích)
Matrice borosilikátové sklo disperze 55 % destiček slídy, hustota 2,52 g/cm3 tvrdost 2500 HV pevnost ohyb 94 MPa, tlak 345 MPa Elastické konstanty E = 66,9 GPa, G = 25,5 GPa, Poissonův poměr 0,29 lomová houževnatost 1,53 MPam1/2 použitelný do 1000 oC bez pórů vynikající elektrický izolátor
Mikrostruktura Macor, 5000 x
Pevnost v ohybu, Macor
Kanthal Super Matrice je křemenné sklo (téměř čistý SiO2) s 80 % částic MoSi2 Nejvyšší odolnost oxidaci mezi kovy hned po platině Nad 1500 oC začíná matrice tát, nad 1400 oC se rozkládá MoSi2 na Si3N4 Hustota 5,6 g/cm3, porozita pod 1 % Pevnost při 1500 oC je 100 MPa a tažnost 4 %. Elektricky vodivý a odolný tepelným šokům Ideální elektrický odporový topný materiál
SITALL - mikrokrystalizované sklo Označováno také jako sklokeramika nebo skloporcelán – mnohoznačný název Matrice je hlinitokřemičité sklo nebo fosforokřemičité sklo Při tuhnutí přidány katalyzátory krystalizace Cr2O3, TiO2 ZnS apod. Vykrystalizuje 40 až 50% mikrokrystalků CaSiO3 o průměru 0,5 až 1 μm - nanodisperze Proti sklu větší pevnost v tahu a ohybu Odolnost teplotním šokům Pro nanodisperzi může být průhledné – ohyb světla
Moderní technická sklokeramika Dnes existují tři metody výroby těchto kompozitů : - Tepelné zpracování skla. Sklo je dlouhodobě zahříváno na teplotu nad bod odskelnění, takže dochází ke vzniku drobných krystalků uvnitř skla. Tato metoda je nejstarší. - Řízené ochlazování skloviny. Roztavená sklovina je ochlazována tak pomalu, že během ochlazování částečně zkrystalizuje. - Spékání skleněné frity (skleněného prášku), při němž dochází k částečné krystalizaci této frity. Protože většinou nejde o nanodisperze, je sklokeramika jen průsvitná (rozptyl světla).
Užití technické sklokeramiky - Nejčastější typy těchto kompozitů obsahují vedle běžných kysličníků ve skle také Li 2O, pak dochází k přednostní krystalizaci minerálu Spodumen (LiAlSi2O6), který má záporný koeficient tepelné roztažnosti, takže celý kompozit má tepelnou roztažnost blízkou k nule. - Při obsahu okolo 80 % těchto krystalů vydrží kompozit tepelné šoky až 800 K a přitom propouští nad 80 % infrazáření. - Takovýto typ kompozitu je často používán na sklokeramické desky kuchyňských sporáků.
Ukázky výrobků Výrobky ze Sitallu Speciální optika
Sklokeramická deska sporáku
