Керамические композитные материалы

Керамические композиционные материалы (ККМ) представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических и неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, прочностью при сжатии, сохраняющейся при достаточно высоких температурах, и стойкостью к окислению. ККМ на основе высокоогнеупорных оксидов тория, алюминия, бериллия, циркония, магния, ванадия находят широкое применение в технике при экстремальных условиях эксплуатации. Наряду с тугоплавкостью керамика обладать высокой прочностью при растяжении и ударной вязкостью, стойкостью к вибрациям и термоудару. Такие свойства присущи, например, некоторым металлам. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к созданию КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Так, появились керметы. Сегодня керметом считают материал содержащий более 50 % тугоплавкой неметаллической фазы. Были созданы керметы на основе карбида, титана и оксида алюминия, слюды и никеля, оксида системы алюминий-вольфрам-хром и многие другие. Однако керметы обладают существенным недостатком – хрупкостью, поэтому их применение во многих случаях ограничено.

Улучшения физико-механических характеристик керамики можно получить, армируя ее металлическими, углеродными и керамическими волокнами. Чтобы достичь одинаковой с керметом термостойкости, в керамику нужно ввести примерно в три раза меньше металлических волокон, чем металла в виде порошка. Для получения армированных ККМ пользуются преимущественно методами порошковой металлургии, а также гидростатическим, изостатическим и горячим прессованием, шликерным, центробежным и вакуумным литьем, также используется взрывное и гидродинамическое прессование.

В ККМ нагрузка перераспределяется с малопрочной матрицы на более прочную арматуру, однако увеличение предела прочности при растяжении наблюдается у ККМ не всегда. В некоторых случаях композиция получается менее прочной, чем неармированная матрица. Объяснить это можно сочетанием ККМ малой пластичности с высоким модулем упругости при растяжении. Вследствие этого удлинения матрицы при нагружении ее до разрушения оказывается недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим элементам. Достигнуть этого можно либо за счет подбора материала арматуры с более высоким, чем у матрицы, модулем упругости, либо за счет предварительного напряжения арматуры при условии достаточно прочной связи ее с матрицей.

Важен и вопрос ориентации армирующих волокон в керамике. Они могут располагаться в матрице как направленно, так и хаотично. Схема ориентации волокон в матрице определяется условиями нагружения детали при эксплуатации.