تحقیق کامپوزیت زمینه سرامیکی

مواد سرامیکی یکپارچه شامل چندین خصوصیت مطلوب می­باشند که عبارتند از ضریب بالا، قدرت فشردگی بالا، قابلیت دمایی بالا، مقاومت سایشی، هدایت گرمایی پایین و بی­اثری شیمیایی.

همانطور که در شکل 10-1 نشان داده شده است، قابلیت دمایی بالای سرامیک­ها، آنها را تبدیل به مواد مطلوبی برای محیط­هایی با دمای بسیار بالا کرده است.

با این وجود به دلیل مقاومت شکستی پایین، سرامیک­ها در کاربردهای ساختاری، بسیار محدودند.در حالیکه فلزات به دلیل تحرک بالای جابجایی (مانند لیز خوردن)، به صورت پلاستیکی، تغییر شکل پیدا می­کنند، سرامیک­ها در دمای اتاق، تغییر شکل پلاستیکی از خود نشان نمی­دهند و در معرض بارگیری گرمایی یا مکانیکی، دچار شکست شدید می­شوند. آنها تلرانس (تحمل) بسیار پایینی به معایبی مانند ترک دارند که در طی ساخت یا در هنگام استفاده، بوجود می­آیند. حتی یک ترک بسیار کوچک به سرعت بزرگتر و در نتیجه به شکست ناگهانی منجر می­شوند.

در حالیکه تقویت­هایی مانند فیبرها، الیاف ریز یا ذرات در پلیمر قوی شده و کامپوزیت­ زمینه فلزی استفاده می­شوند، تقویت­ها در کامپوزیت­ زمینه سرامیکی، در اصل برای افزایش سفتی مورد استفاده قرار می­گیرند. بعضی تفاوت­ها در کامپوزیت زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری در شکل 2-10 نشان داده شده است. سفتی افزایش یافته در زمینه سرامیکی به دلیل مکانیزم­های پراکندگی مانند گسستگی پیوند زمینه به فیبر، انحراف ترک، پل­زنی فیبری و بیرون آمدگی فیبر بوجود می­آید. یک منحنی کششی- فشاری برای سرامیک یکپارچه و کامپوزیت زمینه سرامیکی در شکل 3-10 نشان داده شده است. از آنجاییکه ناحیه زیر منحنی کششی- فشاری اغلب به عنوان نشانه­ای از سفتی در نظر گرفته می­شوند، افزایش بالا در سفتی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، واضح و آشکار است.

  دمای نسبی در محدودیت­های مواد

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
 

 مقایسه پلیمری و فلزی با کامپوزیت­های سرامیک

  فشار برای مواد مرکب ماتریکس یکپارچه و سرامیک

مکانیزم گسستگی پیوند و بیرون آمدگی فیبر در شکل 10-4 نشان داده شده­اند برای مؤثر واقع شدن این مکانیزم­ها، بایستی در واسط فیبر به زمینه، پیوند نسبتاً ضعیفی وجود داشته باشد. اگر پیوند قوی باشد، ترک مستقیماً در طی فیبرها پراکنده شده و منجر به جذب انرژی کم یا عدم جذب انرژی می­شود. بنابراین کنترل صحیح واسط، بسیار ضروری است. پوشش­دهی اغلب برای محافظت از فیبرها در طی پردازش و برای ایجاد پیوند ضعیف فیبر به زمینه، به کار گرفته می­شود.

کامپوزیتهای، کربن- کربن (C-C)، قدیمی­ترین و رشد یافته­ترین کامپوزیتهای زمینه سرامیکی هستند. آنها در سال 1950 توسط صنعت هوا فضا برای استفاده به عنوان پوسته موتور راکت، محفظه­های گرمایی،    لبه­های هدایتی و محافظت گرمایی، گسترش یافتند. لازم به ذکر است که ترکیبات C-C اغلب به عنوان طبقه مواد جداگانه­ای از سایر کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، در نظر گرفته می­شوند اما کاربرد و فرآیندهای ساخت آنها مشابه ترکیبات دیگر ماتریس سرامیکی است. یک مقایسه نسبتی از C-C با سایر کامپوزیتهای زمینه سرامیکی در جدول 10-1 آورده شده است. برای کاربردهای دمایی بالا، ترکیبات C-C پایداری گرمایی استثنایی ( ) را در یک عدد غیراکسید کننده به همراه چگالی­های پایین (0.054-0.0721 b/in) ارائه می­دهد. انبساط گرمایی پایین آنها و میزان هدایت گرمایی­شان، مقاومت شوک گرمایی بالایی را ارائه می­دهد. در اتمسفرهای گاز ساکن و خلأ، کربن یک ماده بسیار پایدار است که تا دماهایی بیشتر از  استفاده می­شود. با این وجود، در اتسمفرهای اکسیدکننده، در دماهایی پایین مانند شروع به اکسید کردن می­کند. بنابراین ترکیبات C-C برای کاربردهای دمایی بالارونده بایستی با سیستم­های پوششی مقاومت در برابر اکسیداسیون، مانند کربید سیلیکون حفاظت شود که با شیشه­هایی روپوشی می­شود.

پوشش کربید سیلیکونی، حفاظت اساسی را ارائه می­دهد در حالیکه پوشش رومی شیشه­ای، ذوب شده و دمای بالارونده، به داخل ترک­های پوششی، جریان پیدا می­کند. به علاوه، موانع اکسیداسیون مانند بورون، معمولاً به زمینه اضافه می­شوند تا حفاظت بیشتری را ارائه دهند.

مواد زمینه سرامیکی شامل کربن المانی، شیشه­ها، سرامیک- شیشه، اکسیدها (مثلاً آلومینا- )، غیر اکسیدها (مانند کربید سیلیکون-Sic) می­باشند. اکثر مواد سرامیکی با پیوند یونی به همراه بعضی پیوندهای کووالانسی، کریستالین می­شوند. این پیوندها، بخصوص پیوند کوولانسی مستقیم و قوی، مقاومت بالایی نسبت به حرکت جابه­جایی را بوجود آورند. از آنجاییکه کامپوزیتهای C-C و سرامیکی در مقایسه با کامپوزیتهای زمینه فلزی یا پلیمری، نیازمند دماهای پردازش بسیار بالایی هستند، ساخت کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، سخت و پرهزینه است.

جدول 10-1 مقایسه کربن و سرامیک کامپوزیت

تقویت­ها برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، معمولاً فیبر کربن، فیبرهای سرامیکی غیراکسیدی یا اکسیدی، الیاف ریز یا ذرات هستند. فیبر کربن در اصل در ترکیبات کربن- کربن استفاده می­شود در حالیکه فیبرهای اکسید (مانند آلومینا) یا فیبرهای غیراکسید (مانند کربیدسیلیکون) در زمینه­های سرامیکی که سرامیک   شیشه­ای، شیشه­ای مورد استفاده قرار می­گیرند. فیبرهای پیوسته غیراکسیدی و اکسیدی با عملکرد بالا، منجر به هزینه بالایی از کامپوزیت زمینه سرامیکی می­شوند. هزینه و دشواری فراوان کامپوزیتهای زمینه سرامیکی کیفیت بالا ساخته شده به طور پیوسته، کاربردهای آنها را محدود کرده است.

10-1 تقویت­ها

فیبرهای استفاده شده در کامپوزیتهای زمینه سرامیکی بر طبق قطر و نسبت­های تصویری­شان، به سه گروه اصلی تقسیم­بندی می­شوند:

الیاف ریز، تک رشته­ای­ها و چند رشته­ای­ها

تقثویت­ها در فرم ذرات و صفحات کوچک نیز استفاده می­شوند. خلاصه­ای از تعداد فیبرهای سرامیکی پیوسته اکسیدی و غیراکسیدی در جدول 10-2 آورده شده است.

جدول 10-2 خواص الیاف سرامیک مداوم منتخب

الیاف ریز، کریستال­های تکی با قدرت­های نزدیک شونده به قدرت تئوریکی مواد هستند. آنها معمولاً قطر یا کمتر و طول یا بیشتر دارند. به عنوان تقویت، سایز و نسبت­های تصویری آنهاست (قطر/طول) که تأثیر قوی­کننده­شان را تعیین می­کند.  و  پرکاربردترین الیاف ریز استفاده شده برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی می­باشند.

فیبرهای تک رشته­ای Sic از طریق ته­نشینی شیمیایی بخار کربید سیلیکون در زیر لایه کربنی نامنظم با قطر 1.3mil، تولید می­شوند که منجر به قطر فیبری 5.5mil می­شوند. زیرلایه کربن، نسبت به زیر لایه تنگستن ارجحیت دارد زیرا بالاتر از دمای ، کربید سیلیکون با تنگستن واکنش می­دهد و منجر به تحلیل قدرت فیبر می­گردد. در طول ساخت، یک لایه ضخیم  از گرایت پیرولیتیکی در زیر لایه کربن گرم شده مقاومتی ته­نشین می­شود تا سطح همواری را ایجاد کند و هدایت الکتریکی­اش را کنترل نماید. زیر لایه پوشش داده، به صورت شیمیایی با استفاده از مخلوط گازهای هیدروژن و سیلان، ته­نشینی بخار (CVD) می­شود. در زمان خروج راکتور، لایه نازکی از کربید سیلیکون و کربه به کار گرفته می­شود تا قابلیت جابجایی بهتری ایجاد کند، به عنوان مانع نفوذی برای کاهش واکنش بین فیبر و زمینه عمل کند و نقص­های سطح را بر قدرت فیبر بهبود یافته، بهتر کند. از آنجاییکه این تک رشته­ای­ها بزرگ هستند، می­توانند واکنش­های سطحی را با زمینه و بدون از دست دادن قدرت، تحمل کنند. با این وجود، قطر بزرگ آنها، استفاده­شان در ساختارهای پیچیده را مانع می­شوند. این به دلیل قطر بزرگ و سفتی بالای آنهاست که توانایی­شان برای شکل­گیری در اشعه محدود را محدود می­کند.

فیبرهای چند رشته­ای سرامیکی در سایزهای دوتایی، از 500 تا 1000 فیبر موجودند که خصوصیات دمای بالا را با قطرهای کوچک (0.4-0.8mil) ترکیب می­کنند و به آنها امکان استفاده برای میزان گسترده­ای از موارد ساخت مانند چرخش رشته، بافتن و بهم تابیدن، فراهم می­کنند. محاسبه مفیدی از توانایی فیبر جهت شکل یافتن در فرم­های پیچیده، شعاع بحرانی خمیدگی  را می­توان از طریق ضرب کشش شکست فیبر در شعاع فیبر محاسبه کرد. قدرت بالا، ضریب پایین و قطرهای کوچک، همگی در فیبرهایی شرکت دارند که می­تواند با استفاده از تکنولوژی­های معمول، پردازش شود. به عنوان مثال، درحالیکه تک رشته­ای­های Sic دارای شعاع خمیدگی بحرانی 7mm هستند، بیشتر فیبرهای چند رشته­ای سرامیکی کمتر از  هستند.

فیبرهای اکسیدی و غیراکسیدی، هر دو برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی مورد استفاده قرار می­گیرند. فیبرهای مبتنی بر اکسید مانند آلومینا، مقاومت مناسبی در برابر اتمسفرهای اکسیدکننده از خود نشان      می­دهند اما به دلیل رشد ذره، نگهداری مقاومت و مقاومت خزش آنها در دماهای بالا، ضعیف است. فیبرهای اکسیدی مانند C وSic  دارای چگالی­های پایین­تر و نگهداری خزش و قدرت دمای بالا بهتری نسبت به فیبرهای اکسیدی دارند اما در دمای بالا، مشکلات اکسیداسیون دارند.

فیبرهای اکسیدی سرامیکی، تشکیل یافته از کامپوزیتهای اکسیدی مانند آلومینا ( ) و مولیت ( ) می­باشند. اگر به طور خاص به عنوان فیبرهای کریستالی تکی شناسایی شوند، فیبرهای اکسیدی چند کریستالینی هستند. خانواده 3Ms Nextel از فیبرها، تا به امروز، رایج­ترین موارد هستند. Nextel از طریق پروسه ژل سلولی تولید می­شود که در آن یک محلول ژل سلولی، در فیبرها، خشک ریسی شده، خشک می­شود و سپس در دمای  آتش داده می­شود. Nextel 312,440,550 در اصل به عنوان فیبرهای عایق­بندی گرمایی طراحی شدند. 440 و 312 Nextel، فیبرهای آلومینوسیلیکانی حاوی به ترتیب 14 درصد بوریا ( ) و 2 درصد پوریا هستند به این معناست که هر دو این فیبرها، حاوی فازهای شیشه­ای و کریستالنی می­باشند.

علی­رغم اینکه بوریا به نگه­داری قدرت زمان کوتاه دمای بالا کمک می­کند، فاز شیشه­ای نیز، قدرت خزش را در دماهای بالا، محدود می­کند. از آنجاییکه Nextel550، حاوی بوریا نمی­باشند، شامل فاز شیشه­ای نیست و مقاومت خزش دمای بالا بهتر اما قدرت دمای بالای زمان کوتاه پایین­تری از خود نشان می­دهد. برای کاربردهای کامپوزیتی،  Nextel 610,720 حاوی فلز شیشه­ای هستند و ساختارهای بیشتری دارند که به آنها امکان نگه­داری درصد بالاتری از قدرتشان را در دماهای بالارونده می­دهد. Nextel 610 دارای بالاترین قدرت دمای اتاق است. این به دلیل ترکیب تک فاز ذره­ای شده مناسب  است در حالیکه Nextel 720 دارای مقاومت خزش بهتری به دلیل افزودن  می­باشد که مولیت /  را می­سازد که باعث کاهش سرخوردن مرز ذره می­شود. به عنوان یک گروه، فیبرهای اکسیدی هدایت­کنندگان الکتریکی و گرمایی ضعیف­تر هستند که CTE بالاتری دارند و نسبت به فیبرهای غیراکسیدی، غلیظ­ترند. به دلیل وجود فازهای شیشه­ای بین مرزهای ذره، و در نتیجه رشد ذره، فیبرهای اکسیدی به سرعت در میزان دمای ، قدرتشان را از دست می­دهند.

فیبرهای غیراکسیدی با کامپوزیتهای مبتنی بر کربید سیلیکون، حکمفرما هستند همه فیبرها در این دسته، حاوی اکسیژن هستند. سری Nipponʼs Nicabn از فیبرهای Sic، رایج­ترین موارد هستند. فیبرهای Nicalon از طریق پروسه تغیر شیمیایی در اثر حرارت پلیمری، تولید می­شوند که منجر به تشکیل ساختار ذرات آلترا B-Sic (2nm- 

1)پخش ده در ماتریس آمورفوس  و کربن آزاد می­شوند.

ساخت فیبر شامل ترکیب یک پلیمر قابل چرخش، چرخاندن پلیمر در فیبر پیش ماده، پروراندن فیبر تا در طی تجزیه در اثر حرارت، ذوب نشود. و سپس فیبر پیش آماده پرورده شده را در فیبر سرامیکی، تجزیه در اثر فرار کند. محتویات اکسیژن بالای Nicalon (12%) در دمای  باعث مشکلات عدم پایداری شده و منوکسیدکربن گازی تولید می­کند. بنابراین تنوع محتویات اکسیژن پایین (0.5%)، با عنوان Hi-Nicalon، گسترش یافت که دارای مقاومت خزش و پایداری گرمایی بهبود یافته­ای می­باشد. محتویات اکسیژن از طریق پرورش تاشی با استفاده از پرتو الکترون در اتمسفر هلیوم، کاهش پیدا می­کند. جدیدترین فیبر آنها با نام Hi-Nicalon-S دارای محتویات اکسیژن پایین­تری (0.2%) و اندازه دانه بزرگتر (20-200nm) برای مقاومت خزش دست یافته است.

نوع دیگر فیبر Sic با Tic در ساختار آن، Tyranno می­باشد که توسط صنایع Ube تولید می­شود. شامل 2 درصد وزنی تیتانیوم برای کمک به رشد دانه­ها در دماهای بالارونده می­باشد. در فیبر Tyranoo ZM  زیر کونیوم به جای تیتانیوم استفاده می­شود تا قدرت خزش را تقویت کرده و مقاومت در برابر خوردگی نمک را بهبود دهد. یک فیبر کربیدسیلیکونی جدید با نام Sylramic-iBN حاوی بورن اضافی در فیبر است که به سطح نفوذ کرده و در آنجا با نیتروژن واکنش می­دهدتا بر روی سطح فیبر پوشش نیترید بورون را بوجود آورد. حذف بورون از توده فیبر، به فیبر امکان نگه­ داشتن قدرت کششی بالایش را می­دهد و مقاومت خزشی و هدایت الکتریکی آنرا نیز بهبود می­دهد.

علی­رغم اینکه قدرت­های خزش فیبرهای استوکیومتریک مانند Hi-Nicalon-S، Tyanno SA و Sylramic بهتر از فیبرهای کربیدی قبلی غیر استوکیومتریکاست، ضریب آنها 50 درصد بالاتر و مقاومت در برابر شکست آنها، 3/1 پایین­تر است که به طور معکو، بر توانایی آنها برای سفت کردن زمینه­های سرامیکی، تأثیر می­­گذارد. با این وجود، از بین فیبرهای تجاری موجود، فیبرهای Tyranno و Nicalon پیشرفته، از لحاظ قدرت، قطر و هزینه کامپوزیت­های زمینه سرامیکی برای دماهای بالاتر از ، بهترین انواع هستند.