Свойства и применение керамических композиционных материалов

Типичным представителем дисперсных ККМ являются керамико-металлические материалы – керметы. Они представляют собой гетерогенные композиции одной или нескольких керамических фаз с металлами.

Различают инфра- и ультракерметы. Материалы, в которых керамическая фаза улучшает свойства металла, называют инфракерметами (дисперсно-упрочненными материалами); соответственно композиции, в которые для улучшения свойств керамики добавляют металлы, называют ультракерметами.

Определяющими требованиями к компонентам керметов являюися химическая стабильность, термическая совместимость, возможность образования адгезионной связи на границе раздела фаз.

Компоненты керметов не должны вступать в химическое взаимодействие или растворяться друг в друге, в противном случае формируется однофазный или керамический материал, состоящий из смеси различных соединений.

В качестве сырья для производства керметов используют оксиды металлов, карбиды, нитриды. Металлы, используемые как компоненты керметов, должны иметь сродство к кислороду меньше, чем у оксида, не образовывать карбиды и устойчивые нитриды, ограниченно растворять углерод и азот.

Керметы классифицируют по составу (оксидные, нитридные, карбидные, боридные и др.) и по назначению (износостойкие, жаропрочные, коррозионно-стойкие, для ядерных реакторов и др.).

К числу наиболее распространенных керметов относятся материалы на основе оксида алюминия Al₂O₃ и тугоплавких металлов – Mo, Nb, W, Ta. Применяют композиты Al₂O₃-Ni (Co, Fe). Разработаны керметы на оксидах хрома, магния, диоксидах циркония, тория и урана.

Среди карбидных керметов наибольшее применение получили материалы на основе карбидов вольфрама и металлического кобальта. Применяют также карбиды титана, хрома, тантала, ниобия. Металлическим компонентом карбидных керметов служат кобальт, никель, иногда в сочетании с молибденом, ниобием, хромом и вольфрамом.

Комплексом ценных свойств обладают карбидотитановые керметы, которые по прочности значительно превосходят оксидные, а по длительной прочности – жаропрочные стали. Керметы на основе диборидов хрома и циркония обладают высоким сопротивлением тепловому удару.

Дисперсные ККМ находят широкое применение при изготовлении деталей машин ответственного назначения, эксплуатируемых при воздействии повышенных температур, для изготовления режущего инструмента, деталей фрикционного и антифрикционного назначения, штампов, фильер, матриц.

Из коррозионно-стойких ККМ изготавливают подшипники и уплотнения насосов для перекачки агрессивных сред.

Горючее для ядерных реакторов представляет собой керамический материал на основе тугоплавких соединений урана, плутония или тория в сочетании с оксидами-разбавителями: BeO, MgO, Al₂O₃, La₂O₃.

Металлокерамические материалы на основе кремния и алюминия используют для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания. Американские и японские фирмы из металлокерамики делают блоки цилиндров и полностью двигатели.

Для получения ККМ, армированных поликристаллическими волокнами, нитевидными кристаллами и проволоками, применяют волокна из чистых металлов (Mo, Nb, W, Th и др.) и различных сталей. Матрицами служат Li₂O₃×Al₂O₃, 8SiO₂, Al₂O₃×ZrO₃, каолин, кремний, муллит, Si₃N₄, ZrSiO₄, MgO.

Характерным примером слоистых ККМ являются конструкции, состоящие из металлической основы с нанесенным керамическим покрытием. Керамический компонент такого материала может быть нанесен на металл эмалированием, газопламенным напылением и др. способами.