Керамические металлические композиты: свойства и применение.

Введение

Материал для бронебойных боеприпасов

Кермет – это композитный материал, состоящий из керамических и металлических материалов. Кермет может сочетать в себе привлекательные свойства керамики, такие как высокая термостойкость и твердость, и свойства металла, такие как способность подвергаться пластической деформации. Металл используется в качестве связующего для оксида, борида или карбида. Обычно используются металлические элементы никель, молибден и кобальт. В зависимости от физической структуры материала, керметы также могут быть композитами с металлической матрицей, но обычно содержат менее 20% металла по объему. Керметы применяются при изготовлении резисторов (особенно потенциометров), конденсаторов и других электронных компонентов, работающих при высоких температурах. Керметы используются вместо карбида вольфрама в пилах и другом инструменте с твердосплавными режущими кромками благодаря их превосходным износостойкости и коррозионной стойкости. Нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN), карбид титана (TiC) и подобные материалы могут быть спекаемы как карбид вольфрама при правильной подготовке, однако требуют специального обращения при шлифовке. Композиты на основе MAX-фаз, нового класса тройных карбидов или нитридов с алюминиевыми или титановыми сплавами, изучаются с 2006 года как высокоценные материалы, обладающие благоприятными свойствами керамики в отношении твердости и прочности на сжатие, а также пластичностью и ударной вязкостью, характерными для металлов. Такие керметные материалы, включая алюминиевые композиты на основе MAX-фаз, имеют потенциальное применение в автомобильной и аэрокосмической отраслях. После Второй мировой войны стала очевидной необходимость разработки материалов, устойчивых к высоким температурам и напряжениям. Во время войны немецкие ученые разработали оксидные керметы в качестве заменителей сплавов. Они нашли применение для высокотемпературных секций новых реактивных двигателей, а также для высокотемпературных лопаток турбин. Сегодня керамика широко используется в камере сгорания реактивных двигателей, поскольку обеспечивает термостойкую камеру. Также были разработаны керамические лопатки турбин. Эти лопатки легче стальных и позволяют увеличить ускорение вращения (время раскрутки) турбинных ступеней. ВВС США увидели потенциал в этой технологии и стали одним из основных спонсоров различных исследовательских программ в США. Первыми университетами, приступившими к исследованиям, были Университет штата Огайо, Университет Иллинойса и Университет Ратгерса. Слово "кермет" было придумано ВВС США, исходя из идеи, что это комбинация двух материалов – металла и керамики. Основные физические свойства металлов включают пластичность, высокую прочность и высокую теплопроводность. Керамика обладает такими основными физическими свойствами, как высокая температура плавления, химическая стабильность и, особенно, стойкость к окислению. Первый керамический металл был разработан на основе оксида магния (MgO), оксида бериллия (BeO) и оксида алюминия (Al2O3) для керамической части. Особое внимание уделялось высокой прочности при ползучести при температуре около 980 °C. Университет штата Огайо первым разработал керметы на основе Al2O3 с высокой прочностью при ползучести при температуре около 1200 °C. Компания Kennametal, занимающаяся обработкой металлов и производством инструментов, базирующаяся в Латробе, штат Пенсильвания, США, разработала первый карбид титана с 100-часовой прочностью при 980 °C. Реактивные двигатели работают при этой температуре, и дальнейшие исследования были направлены на использование этих материалов для изготовления компонентов. Контроль качества при производстве этих керамических металлокомпозитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось вести небольшими партиями, и в этих партиях свойства сильно различались. Выход из строя материала обычно был результатом незамеченных дефектов, которые обычно возникали в процессе производства. Технология 1950-х годов достигла предела для реактивных двигателей, когда мало что можно было улучшить. Впоследствии производители двигателей неохотно разрабатывали керамические металлические двигатели. Интерес к ним возобновился в 1960-х годах, когда нитрид кремния и карбид кремния были изучены более внимательно. Оба материала обладали лучшей термостойкостью, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.

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.

Керамические и металлические соединения и уплотнения

Керметы впервые получили широкое применение в задачах соединения керамики и металла. Одним из первых важных применений стало производство вакуумных ламп, где электронная промышленность использовала и совершенствовала такие уплотнения. Немецкие ученые обнаружили, что замена стекла керамикой позволяет производить вакуумные лампы с улучшенными характеристиками и надежностью. Керамические лампы могут быть дегазированы при более высоких температурах. Благодаря высокотемпературному уплотнению, керамические лампы выдерживают более высокие температуры, чем стеклянные. Керамические лампы также обладают большей механической прочностью и меньшей чувствительностью к тепловому удару по сравнению со стеклянными.

Биокерамика

Биокерамика играет значительную роль в области биомедицинских материалов. Развитие этих материалов и разнообразие технологий их изготовления расширили спектр применения в человеческом организме. Они могут использоваться в виде тонких покрытий на металлических имплантатах, композитов с полимерным компонентом или в форме пористых сетей. Эти материалы хорошо взаимодействуют с организмом человека по нескольким причинам. Они инертны, а благодаря способности к резорбции и активности, могут оставаться в теле без изменений. Они также могут растворяться и активно участвовать в физиологических процессах, например, гидроксилапатит, материал, химически схожий с костной тканью, способен интегрироваться и способствовать врастанию кости. К распространенным материалам для биокерамики относятся оксид алюминия, диоксид циркония, фосфат кальция, стеклокерамика и пиролитический углерод. Важным применением биокерамики является хирургия по замене тазобедренного сустава. Ранее для изготовления искусственных тазобедренных суставов использовались металлы, такие как титан, а вертлужная впадина обычно облицовывалась пластиком. Многоосевая головка сустава была выполнена из прочного металла, но впоследствии ее заменили на более долговечную керамическую головку. Это снизило износ, возникающий при трении металлической головки о пластиковую вставку в вертлужной впадине. Использование керамических имплантатов увеличило срок службы компонентов тазобедренного сустава. Керамические композиты также применяются в стоматологии для изготовления пломб и протезов.

Транспортировка

Керамические детали использовались совместно с металлическими деталями в качестве фрикционных материалов для тормозов и сцеплений.

Другие применения

Армия Соединенных Штатов и британская армия провели обширные исследования в области разработки керамических композитов (керметов). Эти исследования включают разработку легкой керамической брони для защиты солдат, а также броню Chobham. Керметы также используются в машиностроении в качестве материала для режущего инструмента. Керметы применяются в качестве материала для колец в высококачественных направляющих лески для удочек. Исследовался кермет из обедненных делящихся материалов (например, урана, плутония) и содалита для использования в хранении ядерных отходов. Подобные композиты также изучались для применения в качестве топлива для ядерных реакторов и ядерных тепловых ракет. В наноструктурированном виде этот материал используется в оптике, например, в качестве солнечных поглотителей/селективных поверхностей. Благодаря размеру частиц (~5 нм) на металлических частицах генерируются поверхностные плазмоны, обеспечивающие теплопередачу. В целях придания роскоши кермет иногда используется в качестве материала корпуса для некоторых часов, в том числе для модели Jaeger LeCoultre Deep Sea Chronograph Vintage Cermet. Он также был использован (в ноябре 2019 года) для изготовления безеля флагманских дайверских часов Seiko Prospex LX Line Limited Edition.