Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

ные композиты Al2O3/ZrO2, упрочненные наночастицами карбида кремния (SiC). Материалы на керамической основе обладают высокой хрупкостью. Однако применение слоистых композитов позволяет существенно повысить трещиностойкость. В связи с этим многослойный композит Al2O3/ZrO2 с различными коэффициентами температуропроводности для Al2O3 и ZrO2 испытывает сжимающие и растягивающие напряжения. Когда трещины проходят через слой с сжимающими напряжениями (Al2O3), их останавливает остаточное напряжение, они изгибаются впараллельном направлениик слоям (рис. 5.36).

Рис. 5.36. Изображение многослойного композита Al2O3/ZrO2 с оптического микроскопа (a); СЭМ-изображение этого композита (б) (темные и белые слои относятся к Al2O3 и ZrO2 соответственно)

216

Согласно работам ряда зарубежных ученых (Япония, США) при армировании наночастицами SiC керамики на основе Si3N4 происходит повышение прочности от 700 (для обычного композита) до 1300 МПа (для нанокомпозита) и трещиностойкости от 5,3 до 7 МПа/м2. Аналогичные улучшения проявляются и для композитов с матрицей из Al2O3, в частности прочность повышается с 283 МПа до 646 МПа.

свойствами: быть прочными, в то же время легко обрабатываться, выдерживать высокие температуры, обла-

дать высокой теплопроводностью, очень низким коэффициентом трения. Образно говоря – это керамика, которую можно резать обычной ножовкой. Области применения: энергетика (высокая электропроводность, способность выдерживать высокие механические нагрузки, высокую температуру), газовые и паровые турбины (обладает низким коэффициентом трения при высоких температурах), авиация и космонавтика.

Список литературы

Основная

1.Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. – М.: Нау-

ка, 1993. – 187 с.

2.Керамика для машиностроения / А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семенов. – М.: Научтехлитиздат, 2003. – 384 с.

3.Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. – 560 с.

4.Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты. – М.: САЙНС-ПРЕСС, 2007. 192 с.

217

5.Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы; Перм. гос.

ун-т. – Пермь 2009. – 342 с.

6.Бушуев Ю.Г., Персин М.И., Соколов В.А. Углерод-углеродные композиционные материалы: справ. изд. – М.: Металлургия, 1994. – 128 с.

7.Помогайло А.Д. Наночастицы металлов в полимерах. – М.: Хи-

мия, 2000. – 135 с.

Дополнительная

1.Монокристаллические волокна муллита, получаемые методом внутренней кристаллизации / С.Т. Милейко, А.В. Серебряков, В.М. Кийко [и др.] // Композиты и наноструктуры. – 2009. – № 2. – С. 47–60.

2.Милейко С.Т. Композиты и наноструктуры // Композиты и нано-

структуры. – 2009. – № 1. – С. 6–37.

3.Формирование и дизайн ZrO2 интерфазы для SiC/SiC композитов / А.В. Уткин, А.А. Матвиенко, Н.И. Бакланова [и др.] // Ползуновский вестник. – 2009. – № 4. – С. 195–199.

4.Микроструктура и прочность углеродных волокон, поверхностно – модифицированных карбидом титана / Н.И. Бакланова, Т.М. Зима, А.Т. Титов [и др.] // Неорганические материалы. – 2008. – Т. 44, № 2. – C. 162–170.

5.Особенности формирования ZrO2 и Y2O3-ZrO2 покрытий на карбидокремниевом волокне Никалон NLM 202 / Т.М. Зима, Н.И. Бакланова, Е.И. Беляева [и др.] // Неорганические материалы. – 2006. – Т. 42,

№6. – C. 716–723.

6.Ткаченко Л.А., Шаулов А.Ю., Берлин А.А. Защитные жаропрочные покрытия углеродных материалов // Неорганические материалы. – 2012. – Т. 48, № 3. – С. 261–271.

Контрольные вопросы

1. Протекание каких процессов, затрудняющих распространение трещины, может обеспечить введение второй (упрочняющей) фазы

вструктуру керамики?

2.Керамические материалы, упрочненные частицами.

3.При каких параметрах микроструктуры достигается максимум как прочности, так и трещиностойкости материалов Al2O3-PSZ?

4.Методы получения поликристаллических керамических волокон.

5.Методы изготовления непрерывных волокон карбида кремния.

218

6.Объясните принцип получения монокристаллических волокон методом внутренней кристаллизации расплава.

7.Функции промежуточного слоя между керамическим волокном

иматрицей.

8.Что представляет собой самозалечивающееся покрытие на волокнах?

9.Какие проблемы необходимо решать при изготовлении материалов, армированных дисперсными или непрерывными волокнами?

10.Методывведения керамической матрицыв волокнистый каркас.

11.Основной недостаток процесса CVI.

12.Основные параметры композиционного материала, армированного нитевидными кристаллами?

13.Что лежит в основе всех методов получения направленнозакристаллизованных композитов?

14.От каких параметров зависит структура направленно-закрис- таллизованных композитов?

15.Основные принципы получения углеродных волокон (УВ).

16.Какие материалы служат сырьем для УВ?

17.Особенности структуры УВ.

18.Основные методы получения УУКМ.

19.Основные виды нанокомпозитов с полимерной матрицей.

20.Способы получения многослойных нанокомпозитов на силикатной основе.

21.Какие проблемы возникают при введении углеродных наноматериалов в полимерные матрицы?

22.На какие виды по структуре можно разделить керамические нанокомпозиты?

23.Как изменяются механизмы упрочнения композитов, армированных одностенными УНТ?

219

Глава 6. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

6.1.Особенности подготовки материалов и образцов для сканирующей электронной микроскопии

Одно из больших преимуществ сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) заключается в том, что многие образцы могут исследоваться фактически без предварительной подготовки. Толщина образцов не имеет значения в противоположность просвечивающей электронной микроскопии. Поэтому в СЭМ можно исследовать массивные образцы, размер которых ограничен только тем, чтобы они разместились на столбике образца. Для получения картины топографического контраста на металлических и керамических образцах единственно необходимая подготовка образца заключается в тщательном обезжиривании его во избежание загрязнения углеводородами и в случае непроводящих образцов – в нанесении проводящего покрытия. Методы очистки поверхности заключаются в промывке растворителями и обезжиривании при ультразвуковой очистке, механической чистке, снятии реплик и химическом травлении. Эти методы следует использовать, начиная с тех, которые вносят наименьшие повреждения, и проводя минимально возможную необходимую очистку. Обычно на первом этапе используется промывка растворителем, например ацетоном, толуолом или спиртом в ультразвуковом очистителе.

Поскольку мы хотим исследовать поверхность материала, важно удалить примеси, которые оказывают вредное влияние на вторичную электронную эмиссию. Под воздействием электронного пучка может происходить растрескивание пленки углеводородов, приводя к осаждению углерода и других продуктов разрушения на поверхность образца в процессе исследования. Появление загрязнений в процессе исследования часто можно обнаружить, получая серию изображений с разным увеличением – от высокого (малая площадь сканирования) до низкого (большая площадь сканирования). Слой загрязнений быстро образуется при работе с большим увеличением из-за повышенной степени облучения. При переходе к низкому увеличению на изображении будет виден «квадрат растра» загрязнений. Наличие слоя углеводородов приводит

220