Композиционные материалы на неорганической матрице

Перспективным классом композиционных материалов являются композиты с матрицей на основе некорганических полимеров, которые широко распространены в природе или могут быть получены с применением достаточно простых технологий.

Типичными представителями неорганических полимерных связующих КМ являются силикаты, оксидная керамика, нитриды, бориды, карбиды.

Интерес к этим связующим объясняется не только доступностью сырья, но и присущими им специфическими свойствами, обусловленными высокой прочностью атомных связей, образующих полимерную цепь.

Неорганические полимерные связующие позволяют использовать в качестве наполнителей дисперсные материалы, высокопрочные волокна и сетки, благодаря чему удается получать композиционные материалы с комплексом заданных характеристик.

Наиболее широко применяются в машиностроении керамические композиционные материалы ККМ, созданные на основе оксидов металлов и бескислородных соединений: карбидов, боридов, нитридов, силицидов.

Разработаны различные технологии получения и переработки ККМ, применяющиеся при изготовлении износостойких, жаропрочных, коррозионностойких деталей машин (запальных тепловыделяющих элементов реакторов), режущего инструмента повышенной производительности.

Совершенствование керамических композиционных материалов обусловило в ряде случаев создание принципиально новых технических решений, резкое повышение температур, нагрузок и диапазона скоростей эксплуатации автомобилей, двигателей самолетов и ракет, криогенной техники.

Основные типы керамических композиционных материалов – КММ

К КММ относят такие, у которых матрица выполнена из керамического материала. Последний представляет собой неорганический материал, полученный спеканием неметаллического минерального сырья.

По виду сырья различают оксидную (техническую) керамику, полученную на основе оксидов металлов (Al₂O₃, ZrO₂, CaO, MgO, BeO, UO₂ и др.) и безоксидную – из бескислородных соединений типа карбидов MeC, боридов MeB_n, силицидов MeSi.

По структурным признакам ККМ подразделяют на пять основных групп: дисперсные; армированные неориентированными поликристаллическими волокнами, нитевидными кристаллами и проволоками; армированные ориентированными волокнами, в том числе ориентированными эвтектиками; слоистые; грануло-слоистые.

Дисперсные ККМ состоят из матрицы и частиц наполнителя, равномерно распределенных по объему материала. В армированных ККМ волокнистый наполнитель может быть расположен произвольно или ориентированно. В качестве армирующего наполнителя в таких материалах применяют волокна металлов и металлических сплавов, проволоку, сетки различного плетения на основе углеродистых, нержавеющих и мартенситно-стареющих сталей.

Высокопрочные материалы армируют проволокой из титана, бериллия, вольфрама, молибдена. Широко используют в качестве наполнителей ККМ волокна бора, карбида кремния, борсика (B/Si), углеродные, стеклянные.

Развивается технология керамических волокон, которые применяются для изготовления теплозащитных и жаропрочных КММ. Сырьем для керамических волокон служат Al₂O₃, TiC, Al₂O₃×Cr₂O₃, SiO₂ и другие соединения.

Все большее применение получают наполнители ККМ в виде нитевидных кристаллов на основе Al₂O₃, SiC, AlN, TiO и других соединений с направленной кристаллизацией.

Слоистые ККМ содержат компоненты, расположенные в виде слоев различного состава. Наполнителем таких материалов часто служит металлическая фольга. В зависимости от технологии получения различают спеченные и прессованные ККМ.

Выбор компонентов для керамических композиционных материалов

Исходные компоненты ККМ можно разделить на три группы: вступающие в химическое взаимодействие в широком диапазоне температур; взаимодействующие при повышенных температурах; химически не взаимодействующие.

Важным критерием совместимости компонентов ККМ является их смачивание. Для улучшения смачивания волокна наполнителя подвергают травлению, оксидированию, вискеризации (whiskers) – выращиванию нитевидных кристаллов на поверхности волокон.

При выборе компонентов необходимо оценить их ТКЛР.

Следует учитывать, что при введении в керамическую матрицу волокнистых наполнителей ухудшаются условия спекания ККМ, так как волокна препятствуют уплотнению порошковой смеси.

Перспективными ККМ являются эвтектические металл-оксидные системы. Такие ККМ обладают высокой прочностью вследствие направленной кристаллизации эвтектик, представляющих собой керамическую матрицу с равномерно распределенными монокристаллами металла.