کامپوزیت پایه سرامیک

کامپوزیت پایه سرامیک
بخشی از متن
کامپوزیت های زمینه سرامیک (Ceramic Matrix Compozit) یا به اختصار CMC، خانواده-ای از مواد کامپوزیتی هستند که کاربردهای زیادی را در صنایع مختلف خصوصاً هوافضا به خود اختصاص داده اند. متن زیر که از مجله کامپوزیت، شماره ۳ نقل می شود به معرفی این تکنولوژی و کاربردهای آن پرداخته است:
سرامیک های پیشرفته دارای ویژگی های مطلوبی مانند سختی، استحکام بالا، تحمل دماهای بالا، خنثایی شیمیایی، مقاومت در برابر فرسایش و چگالی کم هستند. ولی در برابر بارهای کششی و ضربه ضعیف هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطاف پذیری نشان نمی دهند و مستعد شکست تحت بارهای مکانیکی و شوک حرارتی هستند.
اگر مقایسه ای بین سرامیک ها و دیگر مواد داشته باشیم، باید گفت که سرامیک ها تنها گروه از مواد هستند که در دماهای بالا قابل استفاده اند و دارای سختی، استحکام و مدول الاستیک بالاتری از فلزات و پلیمرها می باشند. همچنین چگالی، ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی و حرارتی کمی دارند. به ویژه چگالی و انبساط حرارتی کم سرامیک ها اهمیت زیادی در اغلب کاربردها دارد.
بزرگترین نقطه ضعف سرامیک ها در مقایسه با دیگر مواد به ویژه فلزات، چقرمگی شکست (FractureToughness) فوق العاده پایین آن هاست که در عمل این مواد را در برابر ترک بسیار حساس کرده است. بنابراین نیاز شدیدی به افزایش چقرمگی سرامیک ها احساس می شود. یکی از راه های مهم دستیابی به چقرمگی بالاتر، تهیه کامپوزیت های زمینه سرامیکی است. گنجاندن الیاف و ذرات تقویت کننده در یک زمینه سرامیکی می تواند به تهیه یک ماده سرامیکی چقر (Tough) منجر شود و کنترل مناسب ویژگی های مرز مشترک زمینه و تقویت کننده از اهمیت زیادی برخوردار است .
نکته قابل توجه دیگر این است که اگر چه نسبت مدول الاستیسیته تقویت‌کننده و زمینه در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلمیری عموماً بین ۱۰ و ۱۰۰ است ولی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، این نسبت معمولاً برابر یک یا کمتر از آن است. نسبت مدول بالا در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلیمری، سبب انتقال موثر بار از زمینه به تقویت کننده می شود. در حالی که در یک کامپوزیت سرامیکی، زمینه و تقویت کننده در توانایی تحمل بار اختلاف زیادی ندارد؛ به این معنا که هدف از ساخت کامپوزیت سرامیکی، افزایش استحکام نیست. مگر آن هایی که زمینه آنها مدول الاستیسیته کمی دارند (مانند زمینه های شیشه ای).
حوزه های مهم در تهیه کامپوزیت های زمینه سرامیکی عبارتند از:
انواع گوناگون شیشه، شیشه‌ سرامیک ها و سرامیک هایی همچون کربن، کاربیدسیلیسیوم، نیتریدسیلیسیوم، آلومینات ها و اکسیدها. تقویت کنندهای مورد استفاده عبارتند از کاربیدها، بوریدها، نیتریدها و کربن. کامپوزیت های زمینه سرامیکی تنها کامپوزیت هایی هستند که بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می کنند.
عمده ترین کامپوزیت های زمینه سرامیکی عبارتند از: کامپوزیت های کربن/کربن، کامپوزیت های آلومینا/SiC و کامپوزیت هایی با زمینه Si3N4 یا SiC تقویت شده با الیاف پیوسته SiC و کربن.

کاربردها
معمولاً کاربرد کامپوزیت های سرامیکی به دو دسته هوافضایی و غیرهوافضایی تقسیم می شوند. در کاربردهای هوافضایی مساله اصلی، عملکرد کامپوزیت است. در حالی که در کاربردهای غیر هوافضایی عامل قیمت بسیار مهم است.
کامپوزیت های سرامیکی با الیاف پیوسته، عموماً دارای خواص مکانیکی ویژه بالایی هستند و می-توانند در کاربردهای هوافضایی دمای بالا به کار گرفته شوند. کامپوزیت های کربن/کربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتی در شاتل های فضایی استفاده شده است و کامپوزیت های کاربید سیلیسیم/کربن مواد مناسبی برای هواپیماها هستند .
از کاربردهای غیر هوافضایی کامپوزیت های سرامیکی می توان به اجزای موتورهای دما بالا، مته و ابزار تراش، اجزای مقاوم در برابر سایش، لوله اگزوز، نازل، لوله های مبدل گرما و غیره اشاره کرد.
سرامیک ها محدودۀ وسیعی از مواد معدنی غیرآلی و غیرفلزی اند که در دماهای بالا شکل داده شده و معمولاً به دو دسته تقسیم میشوند:
۱- سرامیک های سنتی: این سرامیک ها عموماً یکپارچه اند؛ مانند آجر، سفال و کاشی.
۲- سرامیک های پیشرفته: که معمولاً به روش های شیمیایی بسیار پیشرفته تولید میشوند و ویژگیهای آنها بستگی زیادی به کیفیت و ویژگیهای مواد اولیه دارد. یکی از ویژگیهای مهم این مواد، مقاومت بالای آنها در برابر گرما، مواد شیمیایی، سایش و فرسایش است. به هرحال این ویژگیها، ساخت آنها را از روشی ساده و اقتصادی مشکل می کند. این گروه سرامیک های پیشرفته هستند که عموماً در ساخت کامپوزیت های زمینه سرامیکی به کار می روند.

سرامیک های پیشرفتۀ یکپارچه دارای ترکیبی از ویژگیهای مطلوبی مانند سختی و استحکام بالا، تحمل دماهای بالا، خنثایی شیمیایی، مقاومت در برابر فرسایش و چگالی کم هستند. ولی در برابر بارهای کششی و ضربه ضعیفند و برخلاف فلزات، از خود پلاستی سیته نشان نمی دهند و مستعد شکست تحت بارهای مکانیکی و شوک حرارتی هستند.

اگر بخواهیم مقایسه ای بین سرامیک ها و دیگر مواد داشته باشیمف باید گفت که سرامیک ها تنها گروه موادی هستند که در دماهای بالا قابل استفاده اند، و دارای سختی، استحکام و مدول الاستیک بالاتری از فلزات و پلیمرها هستند. همچنین چگالی، ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی و حرارتی کمی دارند. به ویژه چگالی و انبساط حرارتی کم سرامیک ها اهمیت زیادی در اغلب کاربردها دارد. بزرگ ترین نقطه ضعف سرامیک هادر مقایسه با دیگر مواد به ویژه فلزات، چقرمگی شکست (Fracture Toughness) فوق العاده پایین آنهاست که در عمل یعنی، این مواد دربرابر ترک بسیار حساسند. بنابراین نیاز شدیدی به افزایش چقرمگی سرامیک ها احساس میشود. یکی از راههای مهم دستیابی به چقرمگی بالاتر، تهیه کامپوزیت های زمینه سرامیکی است. گنجاندن الیاف و ذرات تقویت کننده در یک سرامیک میتواند به تهیه یک ماده سرامیکی چقر (Tough) منجر شود و کنترل مناسب ویژگیهای مرز مشترک زمینه و تقویت کننده از اهمیت زیادی برخوردار است.

نکته قابل توجه دیگر این است که اگرچه نسبت مدول الاستی سیتۀ تقویت کننده و زمینه در کامپوزیت های فلزی و زمینه پلیمری عموماً بین ۱۰ و ۱۰۰ است ولی برای یک کامپوزیت زمینه سرامیکی، این نسبت معمولاً برابر یک و یا کمتر از آن است. نسبت مدول بالا در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلیمری، سبب انتقال مؤثر بار از زمینه به الیاف میشود، در حالی که در یک کامپوزیت سرامیکی، زمینه و تقویت کننده در توانایی تحمل بار اختلاف زیادی ندارند؛ به این معنا که هدف از ساخت کامپوزیت سرامیکی، افزایش استحکام نیست. مگر آنهایی که زمینۀ آنها مدول الاستی سیتۀ کمی دارند (مانند زمینه های شیشه ای).

در این پژوهش به تفصیل کاپوزیت های زمینه سرامیکی مورد بررسی قرار گرفته است.
مورد استفاده برای :
مقاله کارشناسی و کارشناسی ارشد
سمینار
کنفرانس کلاسی
مقاله های دانشگاهی

این فایل در قالب word به شما عزیزان ارائه می شود