دانلود تحقیق کامپوزیت زمینه سرامیکی

مواد سرامیکی یکپارچه شامل چندین خصوصیت مطلوب می­باشند که عبارتند از ضریب بالا، قدرت فشردگی بالا، قابلیت دمایی بالا، مقاومت سایشی، هدایت گرمایی پایین و بی­اثری شیمیایی.

همانطور که در شکل 10-1 نشان داده شده است، قابلیت دمایی بالای سرامیک­ها، آنها را تبدیل به مواد مطلوبی برای محیط­هایی با دمای بسیار بالا کرده است.

با این وجود به دلیل مقاومت شکستی پایین، سرامیک­ها در کاربردهای ساختاری، بسیار محدودند.در حالیکه فلزات به دلیل تحرک بالای جابجایی (مانند لیز خوردن)، به صورت پلاستیکی، تغییر شکل پیدا می­کنند، سرامیک­ها در دمای اتاق، تغییر شکل پلاستیکی از خود نشان نمی­دهند و در معرض بارگیری گرمایی یا مکانیکی، دچار شکست شدید می­شوند.

آنها تلرانس (تحمل) بسیار پایینی به معایبی مانند ترک دارند که در طی ساخت یا در هنگام استفاده، بوجود می­آیند.

حتی یک ترک بسیار کوچک به سرعت بزرگتر و در نتیجه به شکست ناگهانی منجر می­شوند.

در حالیکه تقویت­هایی مانند فیبرها، الیاف ریز یا ذرات در پلیمر قوی شده و کامپوزیت­ زمینه فلزی استفاده می­شوند، تقویت­ها در کامپوزیت­ زمینه سرامیکی، در اصل برای افزایش سفتی مورد استفاده قرار می­گیرند.

بعضی تفاوت­ها در کامپوزیت زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری در شکل 2-10 نشان داده شده است.

سفتی افزایش یافته در زمینه سرامیکی به دلیل مکانیزم­های پراکندگی مانند گسستگی پیوند زمینه به فیبر، انحراف ترک، پل­زنی فیبری و بیرون آمدگی فیبر بوجود می­آید.

یک منحنی کششی- فشاری برای سرامیک یکپارچه و کامپوزیت زمینه سرامیکی در شکل 3-10 نشان داده شده است.

از آنجاییکه ناحیه زیر منحنی کششی- فشاری اغلب به عنوان نشانه­ای از سفتی در نظر گرفته می­شوند، افزایش بالا در سفتی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، واضح و آشکار است.

دمای نسبی در محدودیت­های مواد (تصاویر در فایل اصلی موجود است) مقایسه پلیمری و فلزی با کامپوزیت­های سرامیک فشار برای مواد مرکب ماتریکس یکپارچه و سرامیک مکانیزم گسستگی پیوند و بیرون آمدگی فیبر در شکل 10-4 نشان داده شده­اند برای مؤثر واقع شدن این مکانیزم­ها، بایستی در واسط فیبر به زمینه، پیوند نسبتاً ضعیفی وجود داشته باشد.

اگر پیوند قوی باشد، ترک مستقیماً در طی فیبرها پراکنده شده و منجر به جذب انرژی کم یا عدم جذب انرژی می­شود.

بنابراین کنترل صحیح واسط، بسیار ضروری است.

پوشش­دهی اغلب برای محافظت از فیبرها در طی پردازش و برای ایجاد پیوند ضعیف فیبر به زمینه، به کار گرفته می­شود.

کامپوزیتهای، کربن- کربن (C-C)، قدیمی­ترین و رشد یافته­ترین کامپوزیتهای زمینه سرامیکی هستند.

آنها در سال 1950 توسط صنعت هوا فضا برای استفاده به عنوان پوسته موتور راکت، محفظه­های گرمایی، لبه­های هدایتی و محافظت گرمایی، گسترش یافتند.

لازم به ذکر است که ترکیبات C-C اغلب به عنوان طبقه مواد جداگانه­ای از سایر کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، در نظر گرفته می­شوند اما کاربرد و فرآیندهای ساخت آنها مشابه ترکیبات دیگر ماتریس سرامیکی است.

یک مقایسه نسبتی از C-C با سایر کامپوزیتهای زمینه سرامیکی در جدول 10-1 آورده شده است.

برای کاربردهای دمایی بالا، ترکیبات C-C پایداری گرمایی استثنایی ( ) را در یک عدد غیراکسید کننده به همراه چگالی­های پایین (0.054-0.0721 b/in) ارائه می­دهد.

انبساط گرمایی پایین آنها و میزان هدایت گرمایی­شان، مقاومت شوک گرمایی بالایی را ارائه می­دهد.

در اتمسفرهای گاز ساکن و خلأ، کربن یک ماده بسیار پایدار است که تا دماهایی بیشتر از استفاده می­شود.

با این وجود، در اتسمفرهای اکسیدکننده، در دماهایی پایین مانند شروع به اکسید کردن می­کند.

بنابراین ترکیبات C-C برای کاربردهای دمایی بالارونده بایستی با سیستم­های پوششی مقاومت در برابر اکسیداسیون، مانند کربید سیلیکون حفاظت شود که با شیشه­هایی روپوشی می­شود.

پوشش کربید سیلیکونی، حفاظت اساسی را ارائه می­دهد در حالیکه پوشش رومی شیشه­ای، ذوب شده و دمای بالارونده، به داخل ترک­های پوششی، جریان پیدا می­کند.

به علاوه، موانع اکسیداسیون مانند بورون، معمولاً به زمینه اضافه می­شوند تا حفاظت بیشتری را ارائه دهند.

مواد زمینه سرامیکی شامل کربن المانی، شیشه­ها، سرامیک- شیشه، اکسیدها (مثلاً آلومینا- )، غیر اکسیدها (مانند کربید سیلیکون-Sic) می­باشند.

اکثر مواد سرامیکی با پیوند یونی به همراه بعضی پیوندهای کووالانسی، کریستالین می­شوند.

این پیوندها، بخصوص پیوند کوولانسی مستقیم و قوی، مقاومت بالایی نسبت به حرکت جابه­جایی را بوجود آورند.

از آنجاییکه کامپوزیتهای C-C و سرامیکی در مقایسه با کامپوزیتهای زمینه فلزی یا پلیمری، نیازمند دماهای پردازش بسیار بالایی هستند، ساخت کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، سخت و پرهزینه است.

جدول 10-1 مقایسه کربن و سرامیک کامپوزیت تقویت­ها برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، معمولاً فیبر کربن، فیبرهای سرامیکی غیراکسیدی یا اکسیدی، الیاف ریز یا ذرات هستند.

فیبر کربن در اصل در ترکیبات کربن- کربن استفاده می­شود در حالیکه فیبرهای اکسید (مانند آلومینا) یا فیبرهای غیراکسید (مانند کربیدسیلیکون) در زمینه­های سرامیکی که سرامیک شیشه­ای، شیشه­ای مورد استفاده قرار می­گیرند.

فیبرهای پیوسته غیراکسیدی و اکسیدی با عملکرد بالا، منجر به هزینه بالایی از کامپوزیت زمینه سرامیکی می­شوند.

هزینه و دشواری فراوان کامپوزیتهای زمینه سرامیکی کیفیت بالا ساخته شده به طور پیوسته، کاربردهای آنها را محدود کرده است.

10-1 تقویت­ها فیبرهای استفاده شده در کامپوزیتهای زمینه سرامیکی بر طبق قطر و نسبت­های تصویری­شان، به سه گروه اصلی تقسیم­بندی می­شوند: الیاف ریز، تک رشته­ای­ها و چند رشته­ای­ها تقثویت­ها در فرم ذرات و صفحات کوچک نیز استفاده می­شوند.

خلاصه­ای از تعداد فیبرهای سرامیکی پیوسته اکسیدی و غیراکسیدی در جدول 10-2 آورده شده است.

جدول 10-2 خواص الیاف سرامیک مداوم منتخب الیاف ریز، کریستال­های تکی با قدرت­های نزدیک شونده به قدرت تئوریکی مواد هستند.

آنها معمولاً قطر یا کمتر و طول یا بیشتر دارند.

به عنوان تقویت، سایز و نسبت­های تصویری آنهاست (قطر/طول) که تأثیر قوی­کننده­شان را تعیین می­کند.

و پرکاربردترین الیاف ریز استفاده شده برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی می­باشند.

فیبرهای تک رشته­ای Sic از طریق ته­نشینی شیمیایی بخار کربید سیلیکون در زیر لایه کربنی نامنظم با قطر 1.3mil، تولید می­شوند که منجر به قطر فیبری 5.5mil می­شوند.

زیرلایه کربن، نسبت به زیر لایه تنگستن ارجحیت دارد زیرا بالاتر از دمای ، کربید سیلیکون با تنگستن واکنش می­دهد و منجر به تحلیل قدرت فیبر می­گردد.

در طول ساخت، یک لایه ضخیم از گرایت پیرولیتیکی در زیر لایه کربن گرم شده مقاومتی ته­نشین می­شود تا سطح همواری را ایجاد کند و هدایت الکتریکی­اش را کنترل نماید.

زیر لایه پوشش داده، به صورت شیمیایی با استفاده از مخلوط گازهای هیدروژن و سیلان، ته­نشینی بخار (CVD) می­شود.

در زمان خروج راکتور، لایه نازکی از کربید سیلیکون و کربه به کار گرفته می­شود تا قابلیت جابجایی بهتری ایجاد کند، به عنوان مانع نفوذی برای کاهش واکنش بین فیبر و زمینه عمل کند و نقص­های سطح را بر قدرت فیبر بهبود یافته، بهتر کند.

از آنجاییکه این تک رشته­ای­ها بزرگ هستند، می­توانند واکنش­های سطحی را با زمینه و بدون از دست دادن قدرت، تحمل کنند.

با این وجود، قطر بزرگ آنها، استفاده­شان در ساختارهای پیچیده را مانع می­شوند.

این به دلیل قطر بزرگ و سفتی بالای آنهاست که توانایی­شان برای شکل­گیری در اشعه محدود را محدود می­کند.

فیبرهای چند رشته­ای سرامیکی در سایزهای دوتایی، از 500 تا 1000 فیبر موجودند که خصوصیات دمای بالا را با قطرهای کوچک (0.4-0.8mil) ترکیب می­کنند و به آنها امکان استفاده برای میزان گسترده­ای از موارد ساخت مانند چرخش رشته، بافتن و بهم تابیدن، فراهم می­کنند.

محاسبه مفیدی از توانایی فیبر جهت شکل یافتن در فرم­های پیچیده، شعاع بحرانی خمیدگی را می­توان از طریق ضرب کشش شکست فیبر در شعاع فیبر محاسبه کرد.

قدرت بالا، ضریب پایین و قطرهای کوچک، همگی در فیبرهایی شرکت دارند که می­تواند با استفاده از تکنولوژی­های معمول، پردازش شود.

به عنوان مثال، درحالیکه تک رشته­ای­های Sic دارای شعاع خمیدگی بحرانی 7mm هستند، بیشتر فیبرهای چند رشته­ای سرامیکی کمتر از هستند.

فیبرهای اکسیدی و غیراکسیدی، هر دو برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی مورد استفاده قرار می­گیرند.

فیبرهای مبتنی بر اکسید مانند آلومینا، مقاومت مناسبی در برابر اتمسفرهای اکسیدکننده از خود نشان می­دهند اما به دلیل رشد ذره، نگهداری مقاومت و مقاومت خزش آنها در دماهای بالا، ضعیف است.

فیبرهای اکسیدی مانند C وSic دارای چگالی­های پایین­تر و نگهداری خزش و قدرت دمای بالا بهتری نسبت به فیبرهای اکسیدی دارند اما در دمای بالا، مشکلات اکسیداسیون دارند.

فیبرهای اکسیدی سرامیکی، تشکیل یافته از کامپوزیتهای اکسیدی مانند آلومینا ( ) و مولیت ( ) می­باشند.

اگر به طور خاص به عنوان فیبرهای کریستالی تکی شناسایی شوند، فیبرهای اکسیدی چند کریستالینی هستند.

خانواده 3Ms Nextel از فیبرها، تا به امروز، رایج­ترین موارد هستند.

Nextel از طریق پروسه ژل سلولی تولید می­شود که در آن یک محلول ژل سلولی، در فیبرها، خشک ریسی شده، خشک می­شود و سپس در دمای آتش داده می­شود.

Nextel 312,440,550 در اصل به عنوان فیبرهای عایق­بندی گرمایی طراحی شدند.

440 و 312 Nextel، فیبرهای آلومینوسیلیکانی حاوی به ترتیب 14 درصد بوریا ( ) و 2 درصد پوریا هستند به این معناست که هر دو این فیبرها، حاوی فازهای شیشه­ای و کریستالنی می­باشند.

علی­رغم اینکه بوریا به نگه­داری قدرت زمان کوتاه دمای بالا کمک می­کند، فاز شیشه­ای نیز، قدرت خزش را در دماهای بالا، محدود می­کند.

از آنجاییکه Nextel550، حاوی بوریا نمی­باشند، شامل فاز شیشه­ای نیست و مقاومت خزش دمای بالا بهتر اما قدرت دمای بالای زمان کوتاه پایین­تری از خود نشان می­دهد.

برای کاربردهای کامپوزیتی، Nextel 610,720 حاوی فلز شیشه­ای هستند و ساختارهای بیشتری دارند که به آنها امکان نگه­داری درصد بالاتری از قدرتشان را در دماهای بالارونده می­دهد.

Nextel 610 دارای بالاترین قدرت دمای اتاق است.

این به دلیل ترکیب تک فاز ذره­ای شده مناسب است در حالیکه Nextel 720 دارای مقاومت خزش بهتری به دلیل افزودن می­باشد که مولیت / را می­سازد که باعث کاهش سرخوردن مرز ذره می­شود.

به عنوان یک گروه، فیبرهای اکسیدی هدایت­کنندگان الکتریکی و گرمایی ضعیف­تر هستند که CTE بالاتری دارند و نسبت به فیبرهای غیراکسیدی، غلیظ­ترند.

به دلیل وجود فازهای شیشه­ای بین مرزهای ذره، و در نتیجه رشد ذره، فیبرهای اکسیدی به سرعت در میزان دمای ، قدرتشان را از دست می­دهند.

فیبرهای غیراکسیدی با کامپوزیتهای مبتنی بر کربید سیلیکون، حکمفرما هستند همه فیبرها در این دسته، حاوی اکسیژن هستند.

سری Nipponʼs Nicabn از فیبرهای Sic، رایج­ترین موارد هستند.

فیبرهای Nicalon از طریق پروسه تغیر شیمیایی در اثر حرارت پلیمری، تولید می­شوند که منجر به تشکیل ساختار ذرات آلترا B-Sic (2nm- 1)پخش ده در ماتریس آمورفوس و کربن آزاد می­شوند.

ساخت فیبر شامل ترکیب یک پلیمر قابل چرخش، چرخاندن پلیمر در فیبر پیش ماده، پروراندن فیبر تا در طی تجزیه در اثر حرارت، ذوب نشود.

و سپس فیبر پیش آماده پرورده شده را در فیبر سرامیکی، تجزیه در اثر فرار کند.

محتویات اکسیژن بالای Nicalon (12%) در دمای باعث مشکلات عدم پایداری شده و منوکسیدکربن گازی تولید می­کند.

بنابراین تنوع محتویات اکسیژن پایین (0.5%)، با عنوان Hi-Nicalon، گسترش یافت که دارای مقاومت خزش و پایداری گرمایی بهبود یافته­ای می­باشد.

محتویات اکسیژن از طریق پرورش تاشی با استفاده از پرتو الکترون در اتمسفر هلیوم، کاهش پیدا می­کند.

جدیدترین فیبر آنها با نام Hi-Nicalon-S دارای محتویات اکسیژن پایین­تری (0.2%) و اندازه دانه بزرگتر (20-200nm) برای مقاومت خزش دست یافته است.

نوع دیگر فیبر Sic با Tic در ساختار آن، Tyranno می­باشد که توسط صنایع Ube تولید می­شود.

شامل 2 درصد وزنی تیتانیوم برای کمک به رشد دانه­ها در دماهای بالارونده می­باشد.

در فیبر Tyranoo ZM زیر کونیوم به جای تیتانیوم استفاده می­شود تا قدرت خزش را تقویت کرده و مقاومت در برابر خوردگی نمک را بهبود دهد.

یک فیبر کربیدسیلیکونی جدید با نام Sylramic-iBN حاوی بورن اضافی در فیبر است که به سطح نفوذ کرده و در آنجا با نیتروژن واکنش می­دهدتا بر روی سطح فیبر پوشش نیترید بورون را بوجود آورد.

حذف بورون از توده فیبر، به فیبر امکان نگه­ داشتن قدرت کششی بالایش را می­دهد و مقاومت خزشی و هدایت الکتریکی آنرا نیز بهبود می­دهد.

علی­رغم اینکه قدرت­های خزش فیبرهای استوکیومتریک مانند Hi-Nicalon-S، Tyanno SA و Sylramic بهتر از فیبرهای کربیدی قبلی غیر استوکیومتریکاست، ضریب آنها 50 درصد بالاتر و مقاومت در برابر شکست آنها، 3/1 پایین­تر است که به طور معکو، بر توانایی آنها برای سفت کردن زمینه­های سرامیکی، تأثیر می­­گذارد.

با این وجود، از بین فیبرهای تجاری موجود، فیبرهای Tyranno و Nicalon پیشرفته، از لحاظ قدرت، قطر و هزینه کامپوزیت­های زمینه سرامیکی برای دماهای بالاتر از ، بهترین انواع هستند.

علیرغم اینکه قدرتهای خزش فیبرهای استوکیومتریک مانند Hi-Nicalon-S، Tyanno SA و Sylramic بهتر از فیبرهای کربیدی قبلی غیر استوکیومتریکاست، ضریب آنها 50 درصد بالاتر و مقاومت در برابر شکست آنها، 3/1 پایینتر است که به طور معکو، بر توانایی آنها برای سفت کردن زمینههای سرامیکی، تأثیر میگذارد.

با این وجود، از بین فیبرهای تجاری موجود، فیبرهای Tyranno و Nicalon پیشرفته، از لحاظ قدرت، قطر و هزینه کامپوزیتهای زمینه سرامیکی برای دماهای بالاتر از ، بهترین انواع هستند.

فیبرهای مبتنی بر اکسید، معمولاً د دماهای بالا، نسبت به فیبرهای غیراکسیدی، از لحاظ قدرت محدودترند.

با این وجود فیبرهای اکسیدی در داشتن پایداری کامپوزیتی بالاتر در محیطهای اکسیدکننده دما بالا، مزیتهای منحصر به فردی دارند.

در حالیکه خزش فیبر میتواند با فیبرهای اکسیدی و غیراکسیدی، یک مشکل محسوب شود، به طور کلی با فیبرهای اکسیدی، اشکال بزرگتری است.

اندازه ذره فیبر نوعی سازش است، با ذرههای کوچک که به قدرت بالاتر کمک میکنند در حالیکه ذرههای بزرگ به مقاومت خزش بهتر، کمک میکنند.

10-2 مواد زمینه انتخاب مواد زمینه سرامیکی معمولاً با پایداری گرمایی و ملاحظات پردازش، صورت میگیرد.

نقطه ذوب یک نشانه اولیه مناسب از پیداری دمانی بالا است.

با این وجود، هر چقدر دمای ذوب بالاتر باشد، پردازش آن سخت تر است.

سازگاری شیمیایی و مکانیکی زمینه با تقویت، تعیین میکند که آیا یک کامپوزیت مفید را میتوان ساخت یا نه.

برای سرامیکهای تقویت شده، الیاف ریز، حق واکنشهای متعادل با زمینه در طی پردازش میتواند کل تقویت را مصرف کند.

همچنین تفاوتهای عمده را انبساط گرمایی بین فیبرها و زمینه میتواند منجر به فشارهای باقیمانده بالا و ترکخوردگی زمینه شود.

چند ماده مهم زمینه در جدول 10-3 آورده شده است.

جدول 3-10 انتخاب مواد ماتریکس سرامیک کربن، یک ماده پایدار استثنایی در نبود اکسیژن است که قادر به حفظ دماهایی بیشتر از در اتمسفرهای ساکن و خلأ میباشد.

به علاوه، کربن دارای وزن سبک با چگالی حدود 0.0721b/in میباشد.

با این وجود، گرافیت یکپارچه، شکننده و دارای قدرت پایین است و نمیتواند به راحتی در شکلهای پیچیده، ساخته شود.

برای غلبه بر این محدودیتها، کامپوزیت کربن-کربن گسترش یافتهاند که در آن فیبرهای کربنی قدرت بالا، در زمینه کربن، شرکت دارند.

برای کاربردهای دما بالا، کامپوزیت کربن- کربن، پایداری گرمایی استثنایی () در اتمسفرهای غیراکسیدکننده به همراه چگالیهای پایین (0.054-0.0721b/in) ارائه میدهد.

کامپوزیت کربن-کربن در نازلهای راکت، دماغه مخروطی برای وسیله، لبههای هدایت، روکشها، صفحات گرمایی، ترمزهای هواپیما، ترمزها برای ماشینهای مسابقه و عایقها و پایههای شومینهای دما بالا، مورد استفاده قرار میگیرند.

این خصوصیات، ویژگیهای نامی زیر کمپوزیت کربن- کربن را به کار میگیرند.

(که بستگی به نوع فیبر، معماری فیبر و چگالی زمینه دارد): قدرت نهایی کشش مدول الاستیکی هدایت حرارتی چگالی انبساط حرارتی پاینی و میزان هدایتهای حرارتی، به کامپوزیت کربن- کربن، مقاومت شوک گرمایی بالایی میدهد.

همانطور که قبلاً ذکر شد، یک عیب مهم کامپوزیت کربن-کربن، آسیب پذیری اکسیداسیون آنهاست.

در دماهایی بالاتر از ، فیبر و زمینه در صورتیکه در معرض اکسیژن قرار بگیرند، اکسیداسیون در آنها صورت میگیرد.

دو روش محافظت در برابر اکسیداسیون، پوششدهی بیرونی و بازدارندههای اکسیداسیون داخلی میباشد.

پوششدهی سطح مانند کربید سیلیکونی، مانع بیرونی به نفوذ اکسیژن را ایجاد میکند.

افزودن بازدارندههای داخلی اکسیداسیون به صورت موانع داخلی نسبت به ورود اکسیژن یا به عنوان شناورهای اکسیژن عمل میکنند (مانع حفاظتی را شکل میدهند).

در محیطهای اکسیدکننده دما بالا، قابلیتهای چرخه- دمایی- زمانی این موانع اکسیداسیون، اولین محدودیت برای قابلیتهای دمایی کامپوزیت فعلی کربن- کربن محسوب میشود.

از آنجاییکه آنها میتوانند نسبت به مواد سرامیکی کریستالینی، در دماها و فشارهای پایینتر یکپارچه شوند، سرامیکهای شیشهای، مواد زمینه مطلوبی به شمار میآیند.

چون همه سرامیکهای شیشهای پس از سرامیک کردن بعضی شیشههای باقیمانده را دارا هستند، دمای استفاده بالاتر، از طریق نقطه نرم کننده شیشه باقیمانده، کنترل میشود.

با این وجود سرامیکهای شیشههای مبتنی بر سیلیکا میتوانند برای کاربردهای دمایی متعادل، به کار گرفته شوند.

معمولترین سیستمهای سرامیک شیشهای عبارتند از: سرامیکهای شیشهای دارای این مزیت هستند که به خاطر شیشهای بودن میتوانند در طی فشار گرم، تا حدی به چسبندگیهای پایین، ذوب شوند تا دسته فیبری بارور شود و دماهای پردازش، نسبت به سرامیکهای کریستالینی قدیمی، پایینتر است بنابراین، تحلیل فیبر کاهش پیدا میکند.

پس از فشاردهی گرم، آنها با عملکرد گرمایی (مثلاً سرامیکی کردن) تبدیل به سرامیک شیشهای میشوند.

مقدار فاز کریستالینی میتواند تا 95-98% بالا باشد.

با این وجود، حضور فاز شیشهای باقیمانده، مقاومت خزشی بالارونده آنها را محدود میکند.

زمینههای غیراکسیدی شامل کربن (C)، کربید سیلیکون (Sic) و نیترید سیلیکونی () میباشد.

کربن بسیار مقاوم است و چگالی پایینی دارد.با این وجود برای کاربردهای دمای بالارونده، بایستی از اکسیداسیون، محافظت شود.

کربید سیلیکون دارای نقطه ذوب بالا و خصوصیات مکانیکی عالی در دمای بالارونده است.

کربید سیلیکون نسبت به کربن، تا حدی مقاومت کمتری دارد و چگالی نسبتاً بالاتری دارد و با اکسیداسیون، تبدیل به سیلیکا () میشود.

با این وجود میتواند در هوا تا مورد استفاده قرار گیرد.

زمینههای نیترید سیلیکون دارای خصوصیاتی مشابه با کربید سیلیکون هستند بجز اینکه از لحاظ گرمایی، پایداری کمتری دارند و هدایتهای کمتری از خود نشان میدهند.

زمینههای اکسیدی شامل آلومینا ()، مولیت ()، کوردیریت () و زیرکونیا () میباشند.

زمینههای اکسیدی، هزینه نسبتاً کمتری دارند، در دماهای متعادل، سخت شدن سرامیک نشان میدهند و مقاومت اکسیداسیون را در دمای بالا دارند.

محدودیتها شامل تطابقهای انبساط گرمایی ضعیف با بیشتر فیبرها، قدرت متوسط و خصوصیات دما بالای، پایین میباشند.

آلومینا، رایجترین زمینه اکسیدی است که حاوی بهترین تعادل خصوصیاتهاست.

مولیت، نسبت به آلومینا، انبساط گرمایی پایین دارد، به خوبی با متدهای سل- ژل پردازش میکند و سفتی خوبی از خود نشان میدهد.

کوردیریت دارای انبساط گرمایی بسیار پائینی است و اغلب در ترکیب با سایر اکسیدها مانند مولیت، برای زمینهها مورد استفاده قرار میگیرد.

زیرکونیا ()که دارای سفتی بسیار عالی میباشد وقتی به صورت پتانسیلی تثبیت میشود، بیشتر سفتی خودش را در دماهای بالارونده، از دست میدهد.

در انتخاب ترکیب زمینه و فیبر برای یک کامپوزیت زمینه سرامیکی، چندین فاکتور بایستی مدنظر قرار گیرد.

اول اینکه مواد بایستیاز دیدگاه CTE، سازگار باشند.

اگر CTE زمینه ببیشتر از CTE شعاعی فیبر باشد، زمینه در سرد شدن از دمای پردازش، فیبرها را محکم میکند که منجر به پیوند زمینه به فیبر قوی میگردد که در نتیجه شکستهایی رخ میدهند.

از سویی دیگر، از CTE زمینه، کمتر از CTE شعاعی فیبرها باشد، فیبرها ممکن است در هنگام سرد کردن، از زمینه جدا شوند.

سازگاری شیمیایی مواد تشکیل دهنده نیز فاکتور بسیار مهمی به شمار میرود.

به دلیل دماهای پردازشی بالا برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، واکنشهایی بین زمنیه و فیبر رخ میدهد که منجر به کاهش قدرتهای فیبر میشود.

به عنوان مثال، فیبرهای Sic با سرامیکهای شیشهای مبتنی بر سیلیکا واکنش میدهند بنابراین فیبرها بایستی با روکش دو رویه محافظتی، پوشش داده شوند.

برای دماهای بیشتر از ، زمینههای انتخاب شامل کربن، کربید سیلیکون، نیترید سیلیکون و آلومینا هستند.

علیرغم اینکه این ترکیبات ممکن هستند، نیازمندیهای عملکردی که مواد زمینه دارند، دارای CTE بسیار نزدیک به کربید سیلیکون، کربن هستند و فیبرهای مبتنی بر آلومینا، به طور مؤثری، نیترید سیلیکون و آلومینا را به عنوان انتخابهای زمینه برای فیبرهای کربید سیلیکون و نیترید سیلیکون و کربید سیلیکون را به عنوان انتخابهای زمینه برای فیبرهای مبتنی بر آلومینا، حذف میکند.

عدم هدایت گرمایی بالا و وجود فیبرهای مبتنی بر اکسید که مقاومت خزشی برای مدت طولانی بالاتر از دمای دارند، دو فاکتوری هستند که در حال حاضر، قابلیت تجاری کامپوزیت زمینه سرامیکی اکسید/اکسید را محدود میکنند.

10-3 پوششهای دو رویه پوششهای دو رویه یا فاز میانی اغلب برای 1) حفاظت فیبرها از تحلیل در طی پردازش در دمای بالا 2) کمک به کند کردن اکسیداسیون در طی سرویس 3) ارائه پیوند زمینه به فیبر ضعیف مورد نیاز برای سفتی، مورد استفاده قرار میگیرند.

پوششها که ضخامت آننها بین 0.1 تا است، مستقیماً در فیبرها قبل از پردازش، توسط CVD، به کار گرفته میشوند.

CVD، پوششهایی با ضخامت نسبتاً یکپارچهای، ساختار و ترکیب حتی با الیاف پیش ساخته معماری فیبر پیچیده را ایجاد میکنند.

نیترید بورن (BN) و کربن، پوششهای معمولی هستند که جداگانه یا در ترکیب با یکدیگر، استفاده میشوند.

اغلب مواقع علاوه بر پوششهای دورویه، روپوشهایی نیز مانند لایه نازکی از ، به کار گرفته میشود که قسمتی از زمینه در طی پردازش میشود.

رویش Sic به پوشش دو رویه کمک میکند تا از واکنش دادن به زمینه در طی پردازش محافظت کند.

از آنجاییکه پوششهای دو رویه C و BN در محیط پیرامونی، تحلیل پیدا خواهند کرد.

روپوش، معمولاً بلافاصله پس از پوشش دو رویه، به کار گرفته میشود.

در طی سرویس، روپوش نیز برای محافظت از فیبرها و پوششهای دو رویه از محیط آسیبرساننده، مانند اکسیژن و بخارآب، کمک میکند.

روپوشش و پوشش دو رویه، گاهی اوقات به عنوان پوششهای چندلایهای تکراری میشوند تا لایههای محافظتی محیطی را در هنگام وجود ترکهای زمینه ایجاد شده در سرویس، ارائه دهند.

10-4 معماران فیبر معماری فیبر بسیار مشابه با معماری استفاده شده برای کامپوزیت زمینه پلیمری است.

به صورت تک سویه یا به صورت روکش یافته میتوانند از پیش آغشته شوند یا تکنیکهای نساجی مانند یافتن یتا نواری کردن میتواند برای شکل دادن یک الیاف پیش ساخته نزدیک شبکهای، به کار گرفته شوند.

برای ساخت پیش آغشته تک سویه، رشتهها از قبل با سیستم محافظتی دو رویه، پوشش داده میشوند و رشته روی یک طبل پیچیده میشود که میتواند با مواد پیش ماده زمینه سرامیکی پیش آغشته شود یا برحسب فرّار به هم متصل شود.

سپس صفحات از طبل بریده شده و در جهتهای مطلوب، لایهبندی میشوند.

برای ساختارهای فابریک، رشتهها معمولاً قبل از به کارگیری پوششهای دورویه، بافته میشود تا کمترین آسیب به پوششها برسد.

این روشهای پیش آغشته کردن در شکل 5-10 نشان داده شدهاند.

شکل 10-5 ساخت سرامیک آغشته الیاف پیش ساختههای نزدیک شبکه هم میتوانند با استفاده از تکنیکهای نساجی مانند بافتن، نواری کردن و بخیه زدن، ساخته شوند.

مجدداً برای ممانعت از آسیب به پوشش، سیستم دو رویه به طور نرمال پس از تکمیل عملیات نساجی به کار گرفته میشود.

(در شکل 10-6 نشان داده شده است) شکل 10-6 ساخت سرامیک پریفرم 10-5 روشهای ساخت ساخت کامپوزیت زمینه سرامیکی میتواند با استفاده از پردازش گاز مایع، جامد یا مایع برای نفوذ زمینه به تقویت، صورت گیرد.

در هر فرآیندی، هدف، رسیدن به حداقل تخلخل، پراکندگی نظم در تقویت و کنترل اتصال فیبر به زمینه میباشد.

علیرغم اینکه بیشتر مسیرهای ساخت، مورد جستجو و بررسی قرار گرفتهاند، رایجترین روشهای ساخت برای کامپوزیت زمینه سرامیکی از قرار زیرند: پردازش پودری برای کامپوزیت زمینه ناپیوسته یکپارچه سازی و نفوذ دوغاب برای کامپوزیتهای سرامیک – شیشهای و شیشهای نفوذ پلیمری و تجزیه در اثر حرارت (PIP) نفوذ بخار شیمیایی (CVI) اکسیداسیون فلز هدایت شده (DMO) نفوذ سیلیکون مایع (LSI) 10-6 پردازش پودری در حالتی مشابه به حالت استفاده شده برای مواد سرامیکی یکپارچه، مسیر پردازش پودر میتواند برای ساخت کامپوزیت زمینه سرامیکی تقویت شده ناپیوسته، مورد استفاده قرار گیرد.

در حالیکه این فرآیندی برای تقویتای بسیار ریز مانند الیاف و ذرات به خوبی عمل میکند، فیبرهای ناپیوسته بلندتر، در طی فرآیندهای یکپارچهسازی و مخلوط کردن، میشکنند.

مراحل اصلی پردازش از این قرارند: مخلوط کردن پودر (زمینه و تقویت) ساخت بدنه سبز ماشین کاری در صورت نیاز حذف چسب یکپارچهسازی و متراکمسازی بازرسی جریان پروسه برای مسیر پودر، در شکل 10-7 نشان داده شده است.

پراکندگی واحدی از پودر زمینه و تقویت به کم کردن جاهای خالی در کامپوزیت منجمد کمک میکند.

زمانیکه مواد سازنده، به طور مؤثری بستهبندی نمیشوند، متراکمسازی بسیار سختتر میشود و نیاز به فشارهای بالا و زمانهای طولانیتر دارد.

بستهبیندی بهینه، زمانی رخ میدهد که توزیع سایز ذره حاوی حدود 30 درصد حجمی ذرات ریز و 70 درصد حجمی ذرات درشت باشد.

اختلاط مواد سازنده، اغلب از طریق فرزکاری توپی صورت میگیرد.

فیبرهای کوتاه یا الیاف ریز، اغلب با دوغاب پودری سرامیکی، مخلوط شده، خشک شده و به صورت گرم فشرده میشوند.

فیبرهای کوتاه و الیافریز اغلب در طی فشار گرم، بعضی جهتگیریهایی را تحمل میکنند.

تراکم الیاف ریز در بدنه سبز، یک مشکل عمده محسوب میشود.

حرکت دادن مکانیکی و تنظیم سطح PH محلول (الیاف ریز و پودر زمینه در آب) میتواند کمککننده باشد.

افزودن الیاف ریز به دوغاب میتواند منجر به افزایش غیرقابل قبول چسبندگی شود.

همچنین، الیاف ریز با نسبت منظری بزرگ () تمایل به ساختن گیرهها و دستهها دارند.

دستیابی به الیاف ریز متراکم نشده برای یک کامپوزیت واحد، بسیار مهم است.

روشها و پراکنده سازیهای ارگانیک مانند اختلاط تحریکی که بوسیله آلتراسونیک صورت میگیرد، میتواند به همراه پراکندهسازی از طریق کنترل صحیح PH مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 10-7 مراحل ساخت پردازش پودر چسبهای ارگانیک معمولاً با تقویت و زمینه ترکیب میشوند تا اجزاء شکل یافته نزدیک شبکهای بتوانند از طریق پروسههای شکلگیری مانند فشار تک محوری، فشار ایزواستاتیک سرد، ریختهگری نواری، بیروناندازی و قالبگیری تزریقی، تولید شوند.

پس از یکپارچهسازی سرد، بدنه سبز میتواند بدون آسیبدیدگی جابجا و حتی ماشینکاری شود.

همه چسبهای ارگانیک بایستی قبل یا در طی زمینه یکپارچهسازی، سوزانده شوند.

در حالیکه سخت شدن بدون فشار، اغلب برای ساخت سرامیکهای یکپارچه استفاده میشود، وجود تقویتها، به طور قابل ملاحظهای، مانع از فرآیند سخت شدن میشوند.

علیرغم اینکه آلومینای تقویت شده الیاف ریز Sic با محتویات الیاف ریز کمتر از 10 درصد حجمی میتواند بدون فشار تا بیشتر از 95 درصد چگالی تئوریکی، سخت شود، شکستهای حجم بالاتر، منجر به سطوح تخلخل نامطلوبی میگردند.

برای بهبود یکپارچهسازی و ایجاد سطوح قابل قبول تخلخل، سایزهای دانهای مناسب سرامیکی به همراه فشار از طریق فشاردهی گرم یا فشاردهی گرم ایزواستاتیک (HIP) به کار گرفته میشوند.

فشاردهی گرم و HIP، هر دو محدودیتهایی دارند.

فشاردهی گرم با تناژ و مقدار فشار محدود میشود و برای شکلهای پیچیده، کارا نمیباشد در حالیکه HIP میتواند بسیار گران قیمت و سخت باشد اگر که قسمتها بایستی برای قسمتهای حاوی تخلخل باز به سطح، با محفظه فلزی، در قوطی قرار گیرند.

فشاردهی گرم برای ساخت ابزارهای برشی مانند آنچه در شکل 10-8 نشان داده شده، برای ماشین کردن مواد سخت ماشین شونده مانند سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل، استفاده میشوند.

کامپوزیتهای میتوانند در دمای در فشارهای 3-6ksi، به صورت گرم فشاردهی شوند.

شکل 10-8 ابزارهای برتر ترکیب 10-7 یکپارچهسازی و نفوذ دوغاب یکپارچهسازی و نفوذ دوغاب، رایجترین فرآیند استفاده شده برای ساخت کامپوزیتهای سرامیک شیشهای و شیشهای است.

این رایج بودن، به این دلیل است که دماهای فشاردهی استفاده شده برای سرامیکهای شیشهای و شیشهای، پایینتر از موارد استفاده شده برای سرامیکهای کریستالی هستند.

نقطه ذوب سرامیکهای کریستالی بسیار بالاست که حتی فیبرهایی با پوششهای دو رویه، حل شده یا بسیار تحلیل میشوند.

مشکل دیگر، تفاوت بالای دمایی بین دماهای بالای فشاردهی و دمای اتاق است که میتواند منجر به انقباض و ترک خوردگی زمینه شود.

به علاوه، سرامیکهای کریستالینی گرم شدهای که از نقطههای ذوبشان گذشتهاند، چنان چسبندگی دارند که نفوذ الیاف پیش ساخته بسیار سخت و حتی غیرممکن میباشد.

سرامیکهای شیشهای به عنوان شیشههای غیرشفاف شروع میشوند که میتوانند به صورت شکلهایی ساخته شوند و سپس از طریق عملکرد گرمایی دمای بالا، تبدیل به سرامیکهای کریستالینی شوند.

در طی عملکرد گرمایی، کریستالیتهای کوچک () تشکیل هسته میدهند و رشد میکنند تا زمانیکه از کریستالیتهای مجاور، پیشتر بروند.

در گرمادهی بیشتر، کریستالیتهای زاویهای بسیار مناسبی تشکیل میشوند.

سرامیک شیشهای بوجود آمده، ماده چند کریستالی مناسبی در یک زمینه شیشهای با محتویات کریستالی تا 95-98% میباشد.

لازم به ذکر است که فقط ترکیبات خاصی از شیشهها، قادر به تشکیل سرامیکهای شیشهای میباشند.

بعنوان مثال، lithum alumino silicate (LAS) یک سرامیک شیشهای با ترکیب میباشد.

Titanium dioxide () به عنوان عامل تشکیل هسته، اضافه میشود.

زمانیکه این شیشه به مدت یک ساعت و نیم تا گرم میشود، در زمینه شیشهای، هستههای تشکیل شده را تهنشین میکند.

وقتی دما بالاتر مثلاً تا میرود، کریستالی شدن زمینه شیشهای در ذرات تهنشین شده ، آغاز میشود.

در نفوذ دوغاب، رشتههای فیبری با الیاف پیش ساخته در تانکرهای حاوی زمینه دوغاب مایع، بارور میشوند.

شکل 10-9 نفوذ دوغاب و استحکام دوغاب حاوی پودر زمینه، چسب ارگانیک و حامل مایعی مانند آب یا الکل است.

ترکیب دوغاب، بسیار مهم است.

متغیرهایی مانند پودر، توزیع سایز ذره به نوع و میزان چسب و واسط حامل، تأثیر قابل ملاحظهای بر کیفیت قسمت مورد نظر دارد.

به عنوان مثال، استفاده از پودر زمینه که کوچکتر از قطر فیبر باشد.

در بارور کردن کمک خواهد کرد در نتیجه، تخلخل کاهش پیدا میکند.

عوامل مرطوب کننده نیز میتوانند برای نفوذ به رشتههای فیبر یا الیاف پیش ساخته کمک کنند.

پس از نفوذ، حامل مایع اجازه بخار شدن پیدا میکند.

پیش آغشته بوجود آمده سپس میتواند برای یکپارچهسازی، بر روی ابزار، لایهبندی شود.

قبل از یکپارچهسازی، چسب ارگانیک بایستی سوزانده شود.

یکپارچهسازی؛ به طور نرمال در یک فشاردهی گرم صورت میگیرد با این وجود، HIP نیز در صورتیکه شکلهای پیچیدهای مورد نیاز باشند، یک انتخاب مناسب است.

پارامترهای یکپارچهسازی (زمان، دما و فشار) بر کیفیت قسمت مورد نظر، تأثیرگذار خواهند بود.

در حالیکه دماهای بالا، زمانهای طولانی و فشارهای بالا ممکن است به کاهش تخلخل کمک کنند، آسیبدیدگی فیبری میتواند در نتیجه فشارهای بالا (آسیب دیدگی مکانیکی) یا دماهای بالا و زمانهای طولانی (واکنشهای دو رویه) بوجود آید.

فرآیند نفوذ دوغاب، به طور کلی، کامپوزیتی با توزیع فیبر واحد و تخلخل پایین را بوجود میآورد.

عیب اصلی آن، محدود بودن به نقطه ذوب نسبتاً پایین یا مواد زمینه نقطه نرم شدن پایین میباشد.

10-8 نفوذ پلی مری و تجزیه در اثر حرارت (PIP) پروسه PIP، بسیار شبیه فرآیندهای به کار رفته برای ساخت کامپوزیت زمینه پلیمری است.

پیش ماده تقویت شده فیبری که با یک ماده ماتریس ساخته میشود، میتواند یا در عملکرد گرمایی (تجزیه در اثر حرارت) تبدیل به سرامیک شود یا یک الیاف پیش ساخته خشک چندین بار با پیش ماده ارگانیک مایع، نفوذ داده میشود که میتواند از طریق تجزیه در اثر حرارت، به سرامیک تبدیل شود.

در مورد پیش آغشته، پس از اولین تبدیل به سرامیک، نفوذهای بعدی با یک پیش ماده مایع، هدایت میشوند.

به جای رزین پلاستیکی سختی ناپذیر معمول (مثلاً اپوکسی)، یک پلیمر فلزی آلی استفاده میشود.

نفوذ پلیمر و تجزیه در اثر حرارت، در شکل 10-10 نشان داده شده است.

این فرآیند شامل: نفوذ الیاف پیش ساخته با پلیمر یکپارچهسازی الیاف پیش ساخته بارور شده بهبود زمینه پلی مری برای ممانعت از ذوب در طی فرآیند بعدی تجزیه در اثر حرارت پلیمر بهبود داده شده برای تبدیل آن به ماتریس سرامیکی و تکرار فرآیند نفوذ و تجزیه در اثر حرارت به میزان «N» بار برای تولید چگالی مطلوب این بخش شامل سه نوع فرآیند PIP، فرآیند کربن- کربن شاتل فضایی، فرآیند معمول PIP، فرآیند تجزیه در اثر حرارت و نفوذ سل- ژل میباشد.

شکل 10-10 اشباع پلیمر و فرایند تجزیه در اثر حرارت پروسه C-C شاتل فضایی: فرآیند ساخت برای کلاهک دماغه شاتل فضایی کربن- کربن و اجزاء لبه حمله بال (شکل 11-10) یک فرآیند چند مرحلهای است.

نوعی تکنولوژی نفوذ و تجزیه برای تولید کامپوزیت C-C به کار گرفته میشود.

همانگونه که در شکل 12-10 نشان داده شده است، لایهبندی مواد اولیه، مشابه با آنهائی است که برای قسمتهای کامپوزیت ترموست استفاده شده است.

اصل کربن بکار رفته در هواپیما، با رزین فنولیست، باردار شده و بر روی ابزار اپوکسی/فایبرگلاس قرار میگیرد.

شکل 10-11 برنامههای کاربردی کربن شاتل فضایی شکل 10-12 توالی پوشش شاتل فضایی کربن و قطعات ضخامت لمنیت از 19 لایه در پوست بیرونی و نواحی شبکه، تا 38 لایه در مکانهای اتصال، تغییر میکند.

قسمت مورد نظر در محفظه خلأ قرار میگیرد و به مدت 8 ساعت در درجه بصورت پرفشار بهبود پیدا میکند.

قسمت بهبود یافته، تراشیده میشود، در مقابل اشعه ایکس قرار میگیرد و از لحاظ فراصوتی، مورد بازرسی قرار میگیرد.

سپس با قرار دادن آن در تجهیزات مهارکننده گرافیتی، دوباره بهبود پیدا کرده، در کوره، باردهی شده و تا به آرامی گرم میشود تا از لایه لایه شدن و انحراف، جلوگیری به عمل آید.

این چرخه بهبود مجدد به مدت 7 روز به طول میانجامد.