Қыш және металл қоспалары: қару тесіп өтуге арналған материалдар

Кіріспе

Бронетарандық оқ-дәрілер материалы

Кермет – керамикалық және металл материалдардан құралған композициялық материал. Кермет керамиканың, мысалы, жоғары температураға төзімділігі және қаттылығы сияқты тартымды қасиеттерін, сондай-ақ металдың пластикалық деформацияға ұшырау мүмкіндігі сияқты қасиеттерін біріктіре алады. Металл оксид, борид немесе карбидті байланыстырғыш ретінде қолданылады. Әдетте қолданылатын металл элементтері – никель, молибден және кобальт. Материалдың физикалық құрылымына байланысты кермет металл матрицалы композиттер де болуы мүмкін, бірақ керметтерде металл көлемінің 20%-дан аспауы жиі кездеседі. Керметтер резисторларды (әсіресе потенциометрлерді), конденсаторларды және жоғары температураға ұшырауы мүмкін басқа да электрондық компоненттерді өндіруде қолданылады. Керметтердің тозуға және коррозияға төзімділігі жоғары болғандықтан, олар араларды және басқа да кескіш құралдарда вольфрам карбидінің орнына қолданылады. Титан нитриді (TiN), титан карбонитриді (TiCN), титан карбиді (TiC) және осыған ұқсас материалдар дұрыс дайындалған жағдайда вольфрам карбиді сияқты біріктіріледі, бірақ оларды ұнтақтау кезінде арнайы өңдеу қажет. 2006 жылдан бері алюминий немесе титан қорытпалары бар үштік карбидтер немесе нитридтердің жаңадан пайда болатын MAX фазаларының композиттері, металдарға тән пластикалық және сыну беріктігімен қатар керамиканың қаттылығы және қысымға беріктігі сияқты жағымды қасиеттері бар құнды материалдар ретінде зерттелді. Мұндай кермет материалдар, соның ішінде алюминий MAX фазалық композиттері автомобиль және ғарыш өнеркәсібінде қолдануға ие. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін жоғары температураға және жоғары кернеуге төзімді материалдарды жасау қажеттігі анық болды. Соғыс кезінде неміс ғалымдары қорытпалардың орнына оксид негізіндегі керметтерді жасады. Олар мұны жаңа реактивті қозғалтқыштардың жоғары температуралы бөліктерінде, сондай-ақ жоғары температуралы турбиналық лопастарда қолдануға болатынын көрді. Бүгінде керамика реактивті қозғалтқыштардың жану камерасында кеңінен қолданылады, өйткені ол жылуға төзімді камераны қамтамасыз етеді. Сондай-ақ, керамикалық турбиналық лопастар да жасалды. Бұл лопастар болаттан жеңіл және лопастар жиынтығының айналу жылдамдығын арттыруға мүмкіндік береді. АҚШ Әуе күштері материалдық технологияның әлеуетін байқап, АҚШ-тағы түрлі зерттеу бағдарламаларының маңызды демеушісі болды. Іллінойс университеті, Огайо мемлекеттік университеті және Ратгерс университеті алғашқы зерттеулер жүргізген университеттердің қатарында болды. «Кермет» терминін АҚШ Әуе күштері енгізді, себебі олардың құрамында екі материалдың – металл мен керамиканың үйлесімі бар. Металдардың негізгі физикалық қасиеттеріне икемділік, жоғары беріктік және жоғары жылу өткізгіштігі жатады. Керамиканың негізгі физикалық қасиеттері – жоғары балқу температурасы, химиялық тұрақтылық және әсіресе тотығуға төзімділік. Алғашқы жасалған металл-керамикалық материалдың керамикалық бөлігіне магний оксиді (MgO), бериллий оксиді (BeO) және алюминий оксиді (Al2O3) қолданылды. 980°C температурада жоғары кернеуден жарылуға төзімділікке басымдық берілді. Огайо мемлекеттік университеті алғаш рет 1200°C температурада жоғары кернеуден жарылуға төзімділігі жоғары Al2O3 негізіндегі керметтерді жасады. АҚШ-тың Пэнсильвания штатындағы Латробе қаласында орналасқан металл өңдеу және құралдар компаниясы Kennametal 980°C температурада 100 сағатқа созылатын жарылу беріктігіне ие бірінші титан карбиді керметін жасады. Реактивті қозғалтқыштар осы температурада жұмыс істейді, сондықтан осы материалдарды компоненттерде пайдалану бойынша қосымша зерттеулер жүргізілді. Бұл керамикалық металл композиттерін өндірудегі сапаны бақылауды стандарттау қиын болды. Өндіріс шағын партиялармен жүргізілуі керек еді, ал партиялардың ішінде қасиеттер айтарлықтай өзгеше болды. Материалдың бұзылуының себебі көбінесе өңдеу кезінде пайда болған, анықталмаған ақаулар болды. 1950 жылдардағы технология реактивті қозғалтқыштар үшін шектеуге жетті, одан әрі жақсарту мүмкін болмады. Содан кейін қозғалтқыш өндірушілер металл-керамикалық қозғалтқыштарды жасауға құлшынбады. 1960 жылдары кремний нитриді мен кремний карбидіне көбірек назар аударылғанда қызығушылық қайта оянды. Екі материал да жақсы жылулық соққыға төзімділікке, жоғары беріктікке және орташа жылу өткізгіштігіне ие.

A cermet is a composite material composed of ceramic and metal materials. A cermet can combine attractive properties of both a ceramic, such as high temperature resistance and hardness, and those of a metal, such as the ability to undergo plastic deformation. The metal is used as a binder for an oxide, boride, or carbide. Generally, the metallic elements used are nickel, molybdenum, and cobalt. Depending on the physical structure of the material, cermets can also be metal matrix composites, but cermets are usually less than 20% metal by volume. Cermets are used in the manufacture of resistors (especially potentiometers), capacitors, and other electronic components which may experience high temperature. Cermets are used instead of tungsten carbide in saws and other brazed tools due to their superior wear and corrosion properties. Titanium nitride (TiN), titanium carbonitride (TiCN), titanium carbide (TiC) and similar can be brazed like tungsten carbide if properly prepared, however they require special handling during grinding. Composites of MAX phases, an emerging class of ternary carbides or nitrides with aluminium or titanium alloys have been studied since 2006 as high value materials exhibiting favourable properties of ceramics in terms of hardness and compressive strength alongside ductility and fracture toughness typically associated with metals. Such cermet materials, including aluminium MAX phase composites, have potential applications in automotive and aerospace applications. After World War II, the need to develop high temperature and high stress resistant materials became clear. During the war, German scientists developed oxide base cermets as substitutes for alloys. They saw a use for this for the high temperature sections of new jet engines as well as high temperature turbine blades. Today ceramics are routinely implemented in the combuster part of jet engines because it provides a heat resistant chamber. Ceramic turbine blades have also been developed. These blades are lighter (less massive) than steel and allow for greater rotational acceleration (“spool up time”) of the blade assemblies. The United States Air Force saw potential in the material technology and became one of the principal sponsors for various research programs in the US. Some of the first universities to research were Ohio State University, University of Illinois, and Rutgers University. The word cermet was actually coined by the United States Air Force, the idea being that they are a combination of two materials, a metal and a ceramic. Basic physical properties of metals include ductility, high strength, and high thermal conductivity. Ceramics possess basic physical properties such as a high melting point, chemical stability, and especially oxidation resistance. The first ceramic metal material developed used magnesium oxide (MgO), beryllium oxide (BeO), and aluminum oxide (Al2O3) for the ceramic part. Emphasis on high stress rupture strengths was around 980 °C. Ohio State University was the first to develop Al2O3 based cermets with high stress rupture strengths around 1200 °C. Kennametal, a metal working and tool company based in Latrobe, PA, USA, developed the first titanium carbide cermet with a and 100 hour stress to rupture strength at 980 °C. Jet engines operate at this temperature and further research was invested on using these materials for components. Quality control in manufacturing these ceramic metal composites was hard to standardize. Production had to be kept to small batches and within these batches, the properties varied greatly. Failure of the material was usually a result of undetected flaws usually nucleated during processing. The existing technology in the 1950s reached a limit for jet engines where little more could be improved. Subsequently, engine manufactures were reluctant to develop ceramic metal engines. Interest was renewed in the 1960s when silicon nitride and silicon carbide were looked at more closely. Both materials possessed better thermal shock resistance, high strength, and moderate thermal conductivity.

Керамикалық-металлдан жасалған жалғаулар мен тұтқындар

Керметтер алғаш рет керамика мен металл қосылыстарында кеңінен қолданылды. Вакуумдық құбырларды жасау – алғашқы маңызды жүйелердің бірі болды, ал электроника өнеркәсібі мұндай тығыздағыштарды пайдаланып, оларды жетілдірді. Неміс ғалымдары шыныны керамикамен алмастыру арқылы жақсартылған өнімділік пен сенімділікке ие вакуумдық құбырларды жасауға болатынын анықтады. Керамикалық құбырларды жоғары температурада газсыздандыруға болады. Жоғары температурада тығыздалғандықтан керамикалық құбырлар шыны құбырларға қарағанда жоғары температураға төтеп береді. Керамикалық құбырлар шыны құбырларға қарағанда механикалық тұрғыдан берік және жылулық соққыға төзімді.

Биокерамика

Биокерамика биомедициналық материалдарда маңызды рөл атқарады. Бұл материалдардың дамуы және өндіріс техникаларының кеңеюі адам организмінде қолданылатын мүмкіндіктерді арттырды. Олар металл имплантаттарындағы жұқа қабаттар, полимерлік компоненттері бар композиттер немесе тіпті кеуекті құрылымдар түрінде болуы мүмкін. Бұл материалдар бірнеше себепке байланысты адам организмінде жақсы жұмыс істейді. Олар инертті, сонымен қатар сіңірілетін және белсенді қасиеттерінің арқасында материалдар өзгеріссіз күйінде қалуы мүмкін. Олар физиологиялық процестерге еріп, белсенді қатысуға қабілетті, мысалы, сүйек құрылысына химиялық тұрғыдан ұқсас гидроксилапатит сүйектің өсуіне көмектеседі және онымен бірігуге мүмкіндік береді. Биокерамикаға қолданылатын негізгі материалдар: алюминий, цирконий, кальций фосфаты, шыны керамика және пиролиттік көміртектер. Биокерамиканың маңызды қолданыс аймақтарының бірі – жамбас алмастыру хирургиясы. Бұрын жамбас буынын алмастыру үшін көбінесе титан сияқты металдар қолданылатын, ал жамбас ойығы пластикпен қапталған. Көп осьті шар қатайып, тозуға бейім металлдан жасалған, бірақ кейін ұзақ қызмет ететін керамикалық шармен ауыстырылды. Бұл жасанды жамбас ойығының пластикалық қаптамасына қарсы металлдың үйкелісін азайтуға көмектесті. Керамикалық имплантаттарды қолдану жамбас алмастырудың қызмет ету мерзімін ұзартты. Тіс керамикасы стоматологияда пломбалар мен протездер жасау үшін де қолданылады.

Көлік

Керамикалық бөлшектер металл бөлшектермен бірге тежегіштер мен аспаптарда үйкеліс материалдары ретінде қолданылған.

Басқа қолданбалар

Америка Құрама Штаттары мен Ұлыбритания армиясы керамикалық металдарды әзірлеуде кең ауқымды зерттеулер жүргізді. Бұған әскерилерге арналған жеңіл керамикалық оқтан қорғайтын броняны, сондай-ақ Chobham бронясын әзірлеу кіреді. Керамикалық металдар кескіш құралдарды өңдеуде де қолданылады. Олар жоғары сапалы балық аулау таяқшаларындағы жетекші сақина ретінде де пайдаланылады. Кедейтілген бөлінетін материалдың (мысалы, уран, плутоний) және содалиттің керамикалық металлы ядролық қалдықтарды сақтаудағы тиімділігі зерттелді. Ұқсас композиттер ядролық реакторлар мен ядролық термиялық ракеталар үшін отын ретінде қолдану мақсатында да зерттелді. Наноқұрылымды керамикалық металл ретінде бұл материал оптикалық салаларда, мысалы, күн сәулесін жұтатын құрылғылар/селективті беттер ретінде қолданылады. Бөлшектерінің мөлшері (~5 нм) болғандықтан, металл бөлшектеріндегі беттік плазмалар пайда болып, жылуды беруге мүмкіндік береді. Сәндік себептермен керамикалық металл кейде сағат корпусының материалы ретінде қолданылады, оның ішінде Jaeger LeCoultre Deep Sea Chronograph Vintage Cermet сағатында. Ол сондай-ақ Seiko Prospex LX Line Limited Edition флагмандық су өткізбейтін сағатының безеліне (2019 жылдың қарашасы) қолданылған.