Керамические композиционные материалы.

Керамическими композиционными материалами называют те, в состав которых входит керамическая матрица и металлические или неметаллические наполнители. Керамические КМ обладают высокой температурой плавления, стойкостью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью и теплопрочностью при сжатии. Их получают порошковой технологией: гидростатическим, изостатическим и горячим прессованием, а так же центробежным, шликерным и вакуумным литьем.

Матрицами служат тугоплавкие оксиды (BeO, Al₂O₃, ZnO₂ и т.д.), нитриты Si₃N₄, бориды (TiB₂, ZnB₂), силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Al₂O₃ SiO₂), алюмоборосиликатные (Al₂O_3, B₂ O_3, SiO₂) и другие стекла.

Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка (<50 об.%) называют керметами. Они из-за высокой хрупкости широкого применения не нашли.

В качестве армирующего материала керамических КМ помимо порошков применяют металлическую проволоку из молибдена, вольфрама, ниобия, жаропрочной стали и неметаллические волокна (углеродные, керамические). В зависимости от условий нагружения ориентация волокон может быть направленной, либо хаотичной.

Использование металлической проволоки из тугоплавких металлов и жаропрочных сталей имеет целью создать пластичный каркас, предохраняющий КМ от преждевременного разрушения при растрескивании керамической матрицы. Ударная вязкость и термостойкость керамических КМ повышают увеличением содержания волокна не более, чем на 25 об. %, затем возрастающая пористость вызывает снижение прочности этих КМ. Недостатком керамических КМ, армированных металлическими волокнами, является низкая жаростойкость.

Наиболее перспективным наполнителем для керамических КМ является высокомодульное углеродное волокно. Для обеспечения максимальной прочности доля углеродного волокна должна составлять 50…60 об. % при оптимальном отношении модулей упругости матрицы и волокна, равным 0,1.

Однако материал матрицы в большей степени определяют свойства КМ и температуру эксплуатации.

Так для углекерамических КМ со стеклянной матрицей, отличающихся высокой стабильностью механических свойств, рабочие температуры составляют вплоть до температур размягчения (600…800 °С), но не должны превышать эти температуры. КМ с матрицей из тугоплавких оксидов можно использовать до 1000 °С, из боридов и нитридов – до 2000 °С, из карбидов – свыше 2000 °С. Кроме того, свойства керамических КМ зависят от способа формования.

Керамические КМ, армированные волокнами SiC, имеют хорошую совместимость матрицы и наполнителя, т.к. они имеют близкие значения модулей упругости, коэффициентов линейного расширения. Это обеспечивает высокую прочность связи между наполнителем и матрицей, высокую стойкость к окислению при высоких температурах и позволяет использовать их для ответственных тяжело нагруженных изделий (носовые обтекатели ракет, направляющие и работающие лопатки газотурбинных двигателей, высокотемпературные подшипники, уплотнители и т.д.).