CMC kompozity s keramickou matricí

Transkript

1 CMC kompozity s keramickou matricí

2 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

3 Zvyšování houževnatosti keramiky Použitím disperze s větší lomovou houževnatostí - protože pohlcovaná energie je W = K ic / E a energie pohlcené složkami lze skládat podle směšovacího pravidla, musí být E d E m ( E k ) Vytahováním vláken - nejefektivnější budou vlákna s délkou kolem 2*l k, delší se budou přetrhávat a ne vytrhávat a kratší potřebují na vytržení menší energii

4 Porovnání průběhu tahového diagramu Keramika Vláknový kompozit

5 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 TiB 2 - extrémně tvrdé a otěruvzdorné, použití na trysky otryskávacích strojů

6 Kompozity s whiskery Matrice Al 2 O 3 nebo ZrO 2. 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 Al 2 O 3 Výroba obvyklým keramickým procesem - whiskery namíchány do břečky

7 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

8 Pracovní diagram Fiberforce Zkouška ohybem průhyb je měřítkem tažnosti Bez vláken 0,3 % vláken 5x větší průhyb

9 Rázová houževnatost Fiberforce

10 Cementový kompozit Skořepinová konstrukce Kennedyho letiště, USA

11 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 SiO 2 máčení rohože do břečky a normální sušení a vypalování

12 Kompozit C/C Disperze : Grafit částice Usměrněná vlákna 3 D vlákna Youngův modul (GPa) : Pevnost v tahu (MPa) : Pevnost v tlaku (MPa) : Houževnatost (kj/m 2 ) : 0,07 0,09 1, Náběžná hrana raketoplánu RCC vláknový kompozit C/C

13 Kompozit matrice SiC + vlákna SiC Časovaná pevnost : Po tepelném zpracování Po přípravě TZ je nutné pro zlepšení adheze

14 Sklo zpevněné vlákny Materiál S (g/cm3) Ru (Mpa) E (Gpa) A (%) λ (W/mK) Uhlíková 7, ocel Sklo 2, ,1 1,1 Sklo + vlákna SiC Sklo + vlákna C 2, , ,5 Matrice Al 2 O 3 - B 2 O - SiO 2 sklo se 40 % vláken ve směrech 0 a 90 o Stabilní s SiC i C vlákny do 500 o C Je elektricky vodivé Na různé podložky a držáky při výrobě skla a hliníku - nahrazují speciální oceli

15 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 Mpam 1/2 Na vzduchu s C vlákny do 600 o C, s SiC vlákny do 1000 o C Velmi levná technologie

16 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 ZrO 2, nebo destiček Al 2 O 3 je používán např v palivových článcích na přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou.

17 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

18 Macor - základní vlastnosti Použití : vysokovakuové díly, medicina, družice, dýzy plynových hořáků (svařovacích) Matrice borosilikátové sklo disperze 55 % destiček slídy, hustota 2,52 g/cm 3 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 MPam 1/2 použitelný do 1000 o C bez pórů vynikající elektrický izolátor

19 Mikrostruktura Macor, 5000 x

20 Pevnost v ohybu, Macor

21 Kanthal Super Matrice je křemenné sklo (téměř čistý SiO 2 ) s 80 % částic MoSi 2 Nejvyšší odolnost oxidaci mezi kovy hned po platině Nad 1500 o C začíná matrice tát, nad 1400 o C se rozkládá MoSi 2 na Si 3 N 4 Hustota 5,6 g/cm 3, porozita pod 1 % Pevnost při 1500 o C je 100 MPa a tažnost 4 %. Elektricky vodivý a odolný tepelným šokům Ideální elektrický odporový topný materiál

22 SITALL - mikrokrystalizované sklo Označováno také jako sklokeramika nebo skloporcelán mnohoznačný název Matrice je hlinitokřemičité sklo nebo fosforokřemičité sklo Při tuhnutí přidány katalyzátory krystalizace - Cr 2 O 3, TiO 2 ZnS apod. Vykrystalizuje 40 až 50% mikrokrystalků CaSiO 3 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

23 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).

24 Užití technické sklokeramiky - Nejčastější typy těchto kompozitů obsahují vedle běžných kysličníků ve skle také Li 2 O, pak dochází k přednostní krystalizaci minerálu Spodumen (LiAlSi 2 O 6 ), 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.

25 Ukázky výrobků Výrobky ze Sitallu Speciální optika Sklokeramická deska sporáku