Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы
12.Классификация пористых материалов.
13.Две основные группы способов получения пористыхматериалов.
14.Нарисуйте техническую схему изготовления ВПЯМ.
15.Основные области применения ВПЯМ.
16.Какие методы применяются при получении керамических мем-
бран?
17.Области применения мембранных процессов.
18.Что такое биомиметика?
19.Приведите примеры природных нанопористых и нанокомпозиционных материалов.
20.Какие требования предъявляют к материалам, имплантируемым
вживой организм?
141
Глава 5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
5.1. Керамические композиционные материалы
Керамика – перспективный материал для изготовления деталей машин и механизмов, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких температур и коррозионно-активных сред, для создания техники нового поколения. Ограничения в использовании керамики связаны главным образом с ее хрупкостью. Поскольку хрупкость керамики обусловлена особенностями межатомного взаимодействия, при разработке керамических конструкционных материалов основное внимание уделяется повышению сопротивления хрупкому разрушению (трещиностойкости), достижению такого уровня трещиностойкости, который обеспечил бы такую же высокую эксплуатационную надежность, как и у металлических конструкционных материалов.
Наиболее эффективный способ повышения трещиностойкости – формирование композиционных структур. Введение второй (упрочняющей) фазы в структуру керамики может обеспечить протекание процессов, затрудняющих распространение трещины (микрорастрескивание матрицы и фазовые превращения в дисперсной фазе, инициируемые полем напряжений у вершины трещины в так называемой «зоне процесса»; переориентация трещины по отношению к направлению действия внешней нагрузки в результате взаимодействия фронта трещины с различными препятствиями), а также процессов, приводящих к увеличению затрат на преодоление сил трения, например, при вытягивании волокон армирующей фазы из матрицы (рис. 5.1). Для реализации таких механизмов особое значение имеют состояние и структура границ раздела матричной и второй фаз.
Под керамическими композиционными материалами понимают широкий круг гетерофазных материалов, изготавливаемых как из индивидуальных компонентов, формирующих структуру, так и методами in situ (например, кристаллизацией стекол, эвтектик и т.д.).
По структуре керамические композиционные материалы подразделяются следующим образом:
– дискретно-армированные волокнами, нитевидными кристаллами, частицами, в том числе пластинчатой формы;
142
а |
б |
в |
Рис. 5.1. Схемы упрочнения композиционных керамических материалов:
а– трансформационное упрочнение; б – упрочнение волокнами;
в– создание микропористой структуры
–слоистые и слоистогранульные материалы;
–однонаправленноили перекрестно-армированные непрерывными волокнами и армированные объемными волокнистыми каркасами.
5.1.1. Композиционные материалы, упрочненные частицами
Среди керамических композиционных материалов типа керамикакерамика с упрочнителем в виде дисперсных частиц особое место занимает группа так называемых трансформационно-упрочненных материалов. Термин трансформационное упрочнение используется для обозначения явления повышения прочности и вязкости разрушения за счет введения в керамическую матрицу частиц, претерпевающих под нагрузкой полиморфное превращение мартенситного типа. Эффект упрочнения достигается за счет рассеяния энергии у фронта растущей трещины при встрече ее с включением, претерпевающим фазовое превращение.
Классическим примером этого типа керамики является частично стабилизированный диоксид циркония. Он представляет собой крупнозернистый поликристаллический материал (фракция 50–100 мкм) на основе кубического диоксида циркония, в зернах которого диспергированы мелкие включения (< 0,1 мкм) метастабильной тетрагональной фазы. Материал получают спеканием при температуре выше 1700 °С порошков ZrO2 со стабилизирующей добавкой (MgO, CaO, Y2O3), ко-
143
личество которой недостаточно для полной стабилизации кубической модификации. После спекания для выращивания тетрагональных включений в кубической матрице материал подвергают обжигу при промежуточной температуре (1000–1300 °С). Предел прочности материала составляет 600–1000 МПа и вязкость разрушения 8÷15 МПа·м1/2.
Частицы из метастабильного диоксида циркония используются для упрочнения и других керамических матриц. Наиболее эффективные результаты получены при введении их в корундовую матрицу. Материалы в системе Al2O3-ZrO2 характеризуются сочетанием высоких значений прочности (600–1200 МПа) и трещиностойкости (до 12 МПа м1/2).
Упрочнение материалов типа Al2O3-ZrO2 обусловлено эффектом превращения тетрагонального ZrO2 в моноклинный, происходящего в напряженной керамической матрице в условиях воздействия внешней нагрузки. Возникающие в результате сжимающие напряжения тормозят распространение трещины. Микротрещины, которые могут образовываться в матрице у частиц ZrO2, также приводят к затруднению распространения трещины.
По микроструктуре все материалы в системе Al2O3-ZrO2 могут быть подразделены на несколько типов: с дисперсными частицами нестабилизированного Т-ZrO2; с дисперсными частицами PSZ; с агломерированными частицами PSZ.
Немонотонность изменения трещиностойкости при одновременном непрерывном снижении прочности материала объясняют тем, что основным механизмом диссипации энергии является микрорастрескивание, инициируемое превращением Т→М (рис. 5.2). Поэтому для достижения максимального эффекта повышения трещиностойкости необходимо, чтобы дисперсные частицы ZrO2 имели размер больше некоторого критического размера Rc.
Для систем с нестабилизированным диоксидом циркония экспериментально установлено, что критический размер частиц ZrO2, при котором инициируется микрорастрескивание Al2O3-матрицы, зависит от термической предыстории материала и содержания, вводимого в композит ZrO2. От этих же факторов зависит и размер образующихся микротрещин. Если объемное содержание частиц ZrO2 определенного размера меньше критического, образующиеся микротрещины являются стабильными и их коалесценция не происходит. При дальнейшем увеличении содержания ZrO2 расстояние между микротрещинами умень-
144
шается и происходит их спонтанная коалесценция, приводя к резкому снижению прочности. Трещиностойкость материала при этом не снижается. Критическое содержание частиц ZrO2 возрастает с уменьшением их размера.
а |
б |
Рис. 5.2. Зависимость прочности и трещиностойкости керамики Al2O3–ZrO2 от объемного содержания частиц ZrO2, мкм: а – трещиностойкость;
б – прочность; 1 – 1,25; 2 – 1,75; 3 – 2,85; 4 – 5,4
Существенно большее упрочнение достигается в системах на основе Al2O3 с частично стабилизированным диоксидом циркония. Механизм повышения прочности и трещиностойкости в таких материалах – поглощение энергии деформации в результате полиморфного превращения Т-ZrO2→М-ZrO2 в поле напряжений. Кроме того, частицы ZrO2 тормозят ростзерна при спекании, что также обусловливаетупрочнение.
Как и для рассмотренных выше материалов, механические свойства Al2O3-PSZ зависят от объемного содержания, размера частиц PSZ и степени их стабилизации. С увеличением объемной доли PSZ сверх критической для данного размера частиц может инициироваться автокаталитическое превращение Т→М из-за достижения некоторого критического уровня внутренних напряжений.
Максимум как прочности, так и трещиностойкости материалов Al2O3-PSZ достигается при одинаковых параметрах микроструктуры. Необходимо, чтобы частицы PSZ были распределены равномерно и располагались по границам зерен Al2O3. Для Al2O3-матрицы предпочтительна структура с мелким (~5 мкм) равноосным зерном (рис. 5.3).
Уровень К1С таких материалов при комнатной температуре достигает 8–15 МПа м1/2, прочность составляет 800–1100 МПа.
145