3.4.2. Керамические композиционные материалы

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

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

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

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

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

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

Тип армирующих волокон, используемых в керамических композиционных материалах, определяется условиями работы изделии (температурой, наличием и видом агрессивной среды). В том случае, если армирующими элементами служат метал­лические волокна, эффективность работы композитов при вы­соких температурах будут определять газопроницаемость кера­мической матрицы, наличие в ней трещин. Работоспособность таких композитов при высоких температурах зависит от свойств металлических волокон. Основным фактором, ограни­чивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации.

Наиболее часто для упрочнения керамики используются волокна вольфрама, молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны но сравнению с керамикой. Они вос­принимают значительную часть нагрузки, сдерживают разви­тие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов. При увеличении объемной доли металлических во­локон до ~ 25 % вязкость и термостойкость керамических композитов повышается. При дальнейшем увеличении содер­жания волокна возрастает пористость керамических матриц и свойства композитов снижаются. Основными технологически­ми процессами получения керамических композиционных ма­териалов с металлическими волокнами являются методы горя­чего прессования и шликерного литья.

При разработке керамических композиционных материа­лов в качестве армирующих элементов часто используют кера­мические волокна. Достоинства волокон этого типа заключа­ются в следующем: малое различие модулей упругости и коэф­фициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жа­ростойкость керамических волокон. В качестве примера компо­зита такого типа молено отметить материал с матрицей из ок­сида хрома, армированной усами муллита. Керамические матрицы из оксидов Аl₂Оз и MgO упрочняют монокристалла­ми ZrO₂ и MgO, имеющими игольчатую форму, а также пла­стинчатыми кристаллами β-глинозема и Сг₂O₃. Оптимальная объемная доля упрочняющих элементов составляет 10...20 %. Для получения композитов с пористостью матрицы менее 3 % применяют технологию горячего прессования. По срав­нению с неармированной горячепрессованной керамикой тер­мостойкость отмеченных композиционных материалов в 3... 5 раз выше.

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

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

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