Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

пространения трещин в таких материалах оптимальные размеры волокон в сечении должны составлять 0,5–1,0 мкм при их длине 50–100 мкм

иболее.

Сувеличением размера зерна матрицы эффект армирования возрастает: для достижения одинаковой величины K1С в крупнозернистую

имелкозернистую Al2O3-матрицы требуется ввести соответственно 5

и20 об.% НК SiC.

Согласно модельным представлениям повышение трещиностойкости композитов, армированных нитевидными кристаллами, обусловлено либо образованием зоны перекрытия трещины «мостиками связи», роль которых выполняют нитевидные кристаллы, препятствующие раскрытию трещины, либо эффектами переориентации плоскости трещины при ее взаимодействии с НК.

Максимальный эффект от армирования нитевидными кристаллами SiC (20 об.%) получен для алюмооксидных матриц: достигнут уровень трещиностойкости до ~ 8–9 МПа · м1/2 и прочности более 800 МПа. При этом прочность материала не снижается до 1200 °С. Армирование нитевидными кристаллами приводит к повышению таких свойств керамических материалов, как снижение скорости эрозии при абразивном воздействии, повышение сопротивления разрушению при термоударном воздействии, снижение скорости высокотемпературной ползучести.

Аналогичный эффект продемонстрирован при введении усов карбида кремния в другие керамические матрицы: муллит, кордиерит. Так,

введение НК в количестве 30 об.% в кордиеритовую матрицу повышает ее трещиностойкость с 2,2 до 3,8 МПа · м1/2.

Одним из наиболее перспективных в практическом отношении для конструкционных применений является нитрид кремния. Для армирования Si3N4-матриц используют нитевидные кристаллы как SiC, так и Si3N4. Введение 30 об.% НК SiC в Si3N4-матрицу позволяет повысить трещиностойкость с 7,1 до 10,5 МПа · м1/2.

В ОНПП «Технология» горячим прессованием при 1750–1850 °С и давлении 20 МПа получены композиты на основе ультрадисперсных порошков из Si3N4-Y2O3 с НК SiC в количестве 20 мас.% (табл. 5.5). Структура матрицы – мелкие зерна и крупные вытянутые кристаллы длиной 6–20 мкм.

166

Таблица 5.5 Механические свойства композиционной Si3N4 керамики с 20 % SiC

Армирование обеспечило получение прочности при изгибе до 950 МПа и трещиностойкости до 10 МПа · м1/2, композиты сохраняют высокую прочность до 1500 °С. Также для армирования нитридкремниевой матрицы было использовано углеродное волокно. При введении

2–5 % дискретных волокон наблюдается повышение трещиностойкости до 9,8 МПа · м1/2 (у матрицы 6,6 МПа · м1/2), прочность 600 МПа.

Дальнейшее повышение механических свойств композитов в системе керамическая матрица–нитевидные кристаллы достигается при использовании матричных трансформационно-упрочненных материалов. В таких материалах обнаруживается взаимодействие двух или более механизмов диссипации энергии упругой деформации. Так, введение частиц метастабильной Т-ZrO2 фазы 20 об.% в композиционный

материал муллит 20 об.% НК SiC приводит к повышению K1С при температуре 800 °С с 7 до ~ 10,5 МПа · м1/2.

Композиционные материалы, армированные непрерывными волокнами

Армирование керамических матриц непрерывными волокнами приводит к изменению характера их деформирования и разрушения. Такие композиционные материалы проявляют нелинейную деформацию до достижения максимальной нагрузки и сохраняют несущую способность при дальнейшем нагружении, в отличие от неармированной керамики, которая разрушается катастрофически при максимальной нагрузке (рис. 5.12). При этом значительно повышается работа разрушения и, следовательно, эксплуатационная надежность материала, поскольку его разрушение не сопровождается катастрофическим неконтролируемым распространением трещины.

167

Механические свойства композитов, армированных непрерывными волокнам, зависят от многих факторов, таких как тип армирования (однонаправленное, перекрестное, армирование плоскими или объемными элементами), содержание волокон, их размеры, состояние поверхности раздела волокно-матрица. Процесс разрушения таких материалов весьма сложен и зависит от ориентации волокон по отношению к направлению действия внешней нагрузки.

Разрушение чаще всего происходит в условиях распространения как трещины нормального отрыва, так и трещин сдвига по границе раздела армирующих элементов с матрицей.

Механические свойства композитов с армированием непрерывными волокнами в значительной степени определяются состоянием поверхностей раздела волокна с матрицей, от которого зависит протекание тех или иных процессов разрушения. Для регулирования степени взаимодействия компонентов композита используют нанесение барьерных покрытий на волокна, ограничивающих образование продуктов взаимодействия на границе, либо использование относительно низкотемпературных технологий, в частности технологии инфильтрации из паровой фазы.

Положительное влияние барьерных покрытий на механические свойства обусловлено рядом причин. Нанесение покрытий влияет на взаимодействие волокна с матрицей и процессы выделения газов из волокна при высокотемпературной обработке, обеспечивая тем самым понижение пористости композита. Но значительно больший эффект, чем снижение пористости, обусловлен уменьшением прочности связи волокна с матрицей. Это приводит к возможности реализации процессов вытягивания волокна из матрицы.

Например, нанесение на волокна SiC марки Никалон покрытия нитрида бора приводит к повышению прочности композита с SiO2- матрицей до 280 МПа по сравнению с прочностью 80 МПа материала, армированного волокнами без покрытия. Наиболее сильно покрытие

168

влияет на трещиностойкость, уровень которой для этих материалов составил соответственно >20 МПа · м1/2 (в отдельных случаях 50 МПа · м1/2) и ~1 МПа · м1/2.

Армирование SiC-матрицы непрерывными SiC-волокнами с покрытием позволяет получить композиты с трещиностойкостью 39– 41 МПа · м1/2. Положительное влияние на механические свойства композита SiC-SiC оказывает углеродное барьерное покрытие: достигнут уровень прочности материала 1000 МПа. В процессе разрушения происходило вытягивание волокна из матрицы на расстояние до 300 мкм.

В табл. 5.6 представлены свойства композитов SiC/SiC фирмы SEP (Франция). Матрица из SiC этих композитов формируется химическим осаждением из пара (CVD), покрытие на волокно наносится CVI-мето- дом (химическая инфильтрация пара).

Таблица 5.6 Свойства материалов, разработанных фирмой SEP (Франция)

Характеристики композитов фирмы Allied Signal Composites Inc. с матрицей из SiC, сформированной методом CVI в несколько стадий в волокнистой заготовке двунаправленного сатинового плетения с расположением волокон 0 и 90°, приведены в табл. 5.7. Кипа слоев выкладывалась в форму, и на волокно наносилось покрытие из пироуглерода или нитрида бора CVI-методом. Содержание волокон в композитах 35– 40 об.%, плотность 2,3 г/см3. В композите марки E-SiCf/SiC использованы волокна марки Nicalon, в композите E-SiCf(HN)/SiC использованы волокна марки Hi-Nicalon с меньшим содержанием кислорода.

169

Таблица 5.7

Свойства композиционных керамических материалов SiCf/SiC

фирмы Allied Signal Composites Inc.

Керамические композиционные материалы, армированные непрерывными волокнами, предназначены для эксплуатации при высоких температурах. Однако при высокотемпературных воздействиях в таких материалах происходят необратимые изменения, приводящие к снижению механических свойств. В частности, может происходить образование прочной связи между волокном и матрицей в результате химического взаимодействия, окисления или спекания. Другой проблемой является предотвращение деградации свойств волокон, в связи с чем необходимо достижение высокой плотности матрицы, чтобы избежать доступа кислорода к волокнам. Существующий уровень технологических разработок позволяет создавать композиционные материалы, в том числе с объемным армированием трехмерными или комбинацией плоских армирующих элементов, обладающих высокой стабильностью механических свойств при эксплуатации в условиях воздействия высоких температур.

5.1.3. Слоистые композиционные материалы

Переориентация трещины при ее взаимодействии с ослабленными границами раздела наиболее эффективно реализуется в материалах со слоистой структурой. В этом случае при взаимодействии с границами слоев разрушение отрывом периодически меняется на разрушение сдвигом, что требует дополнительной затраты работы внешних сил. Величина эффекта зависит от прочности связи между слоями.

Керамические материалы слоистой структуры могут быть получены следующим образом. Исходные слои, например, из карбида кремния с активирующей спекание добавкой 0,4 % бора изготавливают прокат-

170