Общие представления о керамических композиционных материалах ККМ

• Развитие техники требует механически прочных и термостойких материалов. В отличие от композитов с металлической и полимерной матрицей, разупрочняющейся при воздействии высоких температур, керамические композиционные материалы (ККМ) могут стабильно работать даже при температурах, превышающих температуру плавления металлической матрицы.

• Атомная структура керамических материалов обеспечивает их химическую стойкость к разрушающему воздействию окружающей среды, например, растворителей. Поскольку большинство керамических материалов состоит из оксидов, дальнейшее окисление, как правило, невозможно. Керамика – это материал, который «сгорел», «прокорродировал» и, будучи продуктом этих реакций, уже не подвержен разрушению такого типа. Прочность связей между атомами в керамических материалах определяет их высокие температуры плавления, твердость и жесткость. Природа этих связей определяет и решающий недостаток керамики – ее хрупкость. Поэтому необходимо устранять такие микроскопические дефекты, как поры, агломераты, химические примеси, которые становятся источниками зарождения трещин. Один из способов достижения этого состоит в тщательной очистке и очень тонком размоле исходного порошка и плотной его упаковке перед спеканием, что приводит к получению керамики с предельно мелкими кристаллическими зернами.

• Благодаря хрупкости свойства керамической матрицы отличаются от свойств других типов матриц. В композитах с полимерными и металлическими матрицами основная упрочняющаяся роль отводится волокнам. а матрица придает материалу ударную вяз-кость. Керамическая матрица сама по себе достаточно жестка и прочна, но чтобы полностью реализовать ее потенциальные возможности, необходимо увеличить ее ударную вязкость, что достигается путем создания керамических композитов.

• Торможение роста тех трещин, которые возникают при растяжении или сдвиге также приводит к упрочнению керамики. Один из таких способов основан на структурном превращении в результате которого повышается вязкость. В нем используется свойство кристаллов диоксида циркония ZrO₂ увеличивать свой объем на 3-5 % и изменять структуру под действием напряжения, возникающего на конце распространяющейся трещины. Трещина, приближаясь к включенным в керамическую матрицу зернам ZrO₂ вызывает их расширение. Это приводит к локальному сжатию прилегающей к зерну зоны керамической матрицы. Растущая трещина оказывается сжатой в точке роста, что меша-ет ее дальнейшему увеличению. Кристаллические зерна ZrO₂ вводят во многие керамические материалы, что значительно повышает их вязкость.

• Другой перспективный способ увеличения вязкости заключается во введении в керамическую матрицу тонких переплетенных волокон. Растущая трещина, столкнувшись с волокном, может либо отклонить, либо вытолкнуть волокно из матрицы. В обоих случаях поглощается энергия и замедляется рост трещины. Да-же при большом количестве возникших трещин матрица в композите разрушается не так легко, как в неармированном мате-риале, поскольку армирующие элементы затрудняют распространение трещин.

• Еще один способ повышения вязкости заключается в «затуплении» конца разрушающей макротрещины на большой площади. В случае керамики в процессе ее изготовления с помощью специальной процедуры весь материал пронизывают мельчайшими микротрещинами (микропорами), которые тормозят движение макротрещины. Керамическая матрица придает композиту высокую теплостойкость. Боросиликатное стекло, армированное волокнами из карбида кремния сохраняет прочность при 1000º С. Такие матрицы, как карбид кремния (SiC), нитрид кремния (CN), оксид алюминия (Al₂O₃) и муллит (сложное соединение алюминия, кремния и кислорода), обеспечивают композитам работоспособность при еще более высоких температурах (1700 º С). Между кристаллическими зернами, из которых в основном состоят керамические материалы, имеются стеклообразные области, которые при высоких температурах размягчаются и начинают действовать как элементы, останавливающие рост трещин.

• Керамические композиты являются перспективными жаропрочными материалами. Они характеризуются высокими температурой плавления и модулем упругости, низкой плотностью, высо-кими прочностью на сжатие, химической инертностью и устойчивостью к воздействию агрессивных, в частности окислительных сред, большими запасами сырья. Наряду с этим керамические материалы обладают недостаточной прочностью при растяжении, изгибе, циклическом напряжении, повышенной хрупкостью, низким сопротивлением тепловому удару, низкой ударной вяз-костью. Введение в керамику армирующих волокон позволяет в значительной степени устранить перечисленные недостатки и создать композиты, спосoбные работать в окисленной среде при температурах до 2273 К