Back

3.5.4. Compozite cu matrice ceramică

 

Acest tip de materiale a fost cercetat şi dezvoltat în special pentru a obţine valori foarte mari ale durităţii dar şi a altor proprietăţi mecanice: rigiditate, tenacitate, rezistenţă. În acest scop se pot utiliza două tipuri de agenţi de ranforsare: (1) particule sau (2) fibre şi microfibre. Utilizări speciale sunt legate de obţinerea de conductori, semiconductori şi supraconductori.

Ceramicile ranforsate cu fibre se pot obţine pe cale umedă sau în fază de gaz (CVD şi CVI).

Compozite cu matrice de sticlă sunt dintre cele mai fiabile deoarece matricea de sticlă poate fi controlată din punctul de vedere al proprietăţilor prin compoziţia ei chimică.

Fibrele utilizate ca agenţi de ranforsare sunt, din punct de vedere chimic, combinaţii anorganice; ele pot fi:

-         fibre carbon care imprimă compozitei rezistenţă şi rigiditate ridicată, duritate foarte bună şi densitate mică. În plus faţă de compozitele polimerice de acelaşi tip ele au un domeniu termic de utilizate mult mai larg, fiind stabile în atmosferă oxidantă până la 400o – 500oC. Datorită coeficientului de dilatare, a, negativ al fibrelor carbon, compozita are a aproape nul. Aceste materiale au şi un coeficient de fricţiune foarte redus;

-         fibre din oxizi care prezintă o legare mai puternică fibră – matrice ceea ce duce la o scădere a rezistenţei la rupere. Compozitele de aluminiu - sticlă aluminosilicat sau aluminosilicat de litiu s-au dovedit deosebit de stabile la oxidare, până la temperaturi de 1000oC;

-         fibre de SiC utilizate ca agenţi de ranforsare cu matrice de sticlă sau ceramică vitroasă combină duritatea cu rezistenţa şi stabilitatea la oxidare. Ele prezintă şi o foarte bună rezistenţă la fisurare şi rupere în atmosferă inertă până la temperaturi ridicate.

Compozite ceramice refractare sunt materialele care au matricea alcătuită dintr-un material puternic refractar, care nu poate fi prelucrat în stare viscoasă. Din punct de vedere istoric primele astfel de compozite au fost cele C-C. Compozitele fibroase C-C s-au preparat prin impregnarea fibrelor C cu un material organic urmată de carbonizare, obţinându-se un material incasabil şi inert în atmosferă neoxidantă până la 20000C. În prezenţa oxigenului materialul începe să se oxideze la 600oC. Protecţia împotriva oxidării se poate realiza prin acoperiri succesive cu SiC, AlN sau alumină. Firma Rossigniol a adus pe piaţă (1987) compozita C-C-TiC în care fibrele rămân din carbon iar o parte din matricea de carbon este înlocuită cu carbură de titan şi care are rezistenţă la uzură şi stabilitate termică mai mare dar este casantă şi mai puţin stabilă la oxidare.

Materiale gradient funcţionale sunt materialele cu compoziţie variată treptat de la ceramică la metal, de la o suprafaţă la alta. Această modificare continuă a compoziţiei duce la o modificare treptată a proprietăţilor. În aplicaţii spaţiale de exemplu materialele trebuie să reziste la temperaturi de până la 1800oC şi gradienţi de 1300oC, trebuie să fie rezistente la oxidare superficială, dure pe partea rece şi să facă faţă gradientului de temperatură. Exemple de astfel de materiale sunt ZrO2 parţial stabilizat (PSZ) - oţel inoxidabil, Ni-MgO, Al -AlN, Ni - Si3N4, TiB2-Cu sau TiC-aliaj NiAl.

Compozitele ceramice ranforsate cu particule, microfibre sau peleţi au ca principală caracteristică faptul că pot fi procesate în acelaşi mod cu ceramicile monolit adică prin prepararea pulberilor, compactare şi sinterizare. Introducerea de materiale de ranforsare poate produce probleme legate de micşorarea densităţii, dispersia fazei introduse şi reacţiile chimice care pot apare între componenţii celor două faze. Microfibrele utilizate la ranforsarea ceramicilor pot fi de SiC, Si3N4, Al2O3. Fiind anizotrope, microfibrele au permis obţinerea de texturi foarte diferite, funcţie de tehnologia aleasă. Scăderea densităţii induse de către microfibre a impus utilizarea cu precădere a presării la cald iar compozita rezultată avea microfibrele orientate statistic. Acelaşi rezultat s-a obţinut prin turnare. Structuri cu microfibre orientate longitudinal au fost obţinute prin extrudere. Structurile izotrope sunt dificil de obţinut şi numai prin metalurgia pulberilor sau prin presare izostatică în vid sau la cald. Cel mai des utilizate sunt microfibrele de SiC care în matrice de alumină formează compozite utilizate în fabricarea de scule aşchietoare iar dacă matricea este de SiC se utilizează la obţinerea de părţi componente ale motoarelor. Se pot fabrica materiale compozite şi cu matrice de Si3N4. În măsură mai mică se cunosc compozite cu microfibră de Si3N4 şi de safir. Particulele utilizate la ranforsarea ceramicilor au dimensiuni de ordinul micronilor şi realizează o creştere moderată a durităţii materialului comparativ cu ceramica monolit. Materialele prezintă avantajul procesării cu procedee convenţionale iar dezvoltarea lor iniţială a fost datorată cerinţelor tribologiei. Cele mai larg răspândite clase de compozite de acest tip sunt de alumină ranforsată cu SiC, TiC, BN, TiN; carbură de siliciu, SiC, ranforsată cu TiB3, TiC, AlN; nitrură de siliciu, Si3N4 ranforsată cu SiC sau TiC. Peleţii sunt structuri monocristaline în care raportul lungime: diametru este cuprins între 70mm:6mm şi 15mm:1mm. Ei au apărut ca înlocuitori ai microfibrelor atunci când problemele de toxicitate ridicate de acestea au devenit acute. În practică se utilizează compozite de Si3N4 cu peleţi de SiC care au tenacitate  bună, cu atât mai remarcabilă cu cât dimensiunile peleţilor sunt mai mici.

Materiale nanocompozite au stârnit interesul relativ recent dar proiectarea lor se bazează pe o observaţie mult mai veche, aceea că proprietăţile interfaciale diferă substanţial faţă de proprietăţile din interiorul unui material. În cazul materialelor nanocompozite interfaţa este majoritară. Ceramicile nanocompozite au fost cercetate şi produse în special pentru că reprezintă materiale cu plasticitate mărită chiar şi la temperaturi coborâte. Materialele de acest tip pot fi cu particule dispersate inter- sau intragranular, cristaline sau amorfe, structurile dorite fiind rezultatul reglării fine a parametrilor de fabricaţie. Se cunosc materiale nanocompozite ca Al2O3 – SiC, Al2O3 – TiC, Al2O3 – Si3N4, SiC amorf – SiC, sau Si3N4 – SiC. Tenacitatea acestor materiale este comparativă cu a compozitelor ceramice ranforsate cu microparticule dar au rezistenţe remarcabile la temperatura camerei (1000 MPa) şi duritate mare. Tehnologiile de obţinere sunt chimice sau de depunere de vapori pe cale chimică.

 

Tabel 3.7 Proprietăţile unor compozitelor ceramice

Matrice

Agent de ramforsare

Fracţie volumică

Rezistenţă

[MPa]

Temperatura de oxidare în aer, [oC]

Sticlă

Fibră C

0,5

600 - 700

400 - 500

Sticlă pyrex

SiC

0,3 – 0,5

800

800

C

Fibră C

0,3 – 0,5

50 - 100

600

SiC

SiC

0,3 – 0,5

25

600

Al2O3

Microfibră SiC

0,3

700

1000

Si3N4

Microfibră SiC

0,3

980

1400

 

Materiale structurate complexe sunt materiale compozite disperse alcătuite dintr-o structură complexă care are o textură macroscopică de mari dimensiuni. Este cazul de exemplu al aşa numitelor ceramici duplex, alcătuite din zone sferice largi conţinând fracţii variabile de particule de ZrO2, dispersate într-o matrice ceramică. Este de asemenea cazul compozitelor stratificate alcătuite din straturi cu compoziţii diferite.

În testarea materialelor ceramice compozite se urmăresc o serie de proprietăţi mecanice ca tenacitatea, duritatea, rezistenţa la microfisurare. În Tabelul 3.7 sunt prezentate câteva compozite ceramice şi proprietăţile lor:

     

Schema de mai sus prezintă o sinteză a informaţiilor expuse în acest subcapitol.

Gama compozitelor este practic inepuizabilă şi dezvoltarea lor determină noi utilizări la fel cum şi noile tehnologii şi proiecte din domeniul energiei, explorării spaţiului cosmic, electronicii, construcţiei de maşini, de nave şi de rachete sau din domeniul militar determină intensificarea cercetărilor pentru găsirea de noi şi noi materiale. Recent şi domenii care nu sunt tradiţional axate pe materiale sintetice, cum este medicina, vin să apeleze la această categorie de materiale în producerea de proteze compatibile cu organismul uman precum şi de părţi componente ale sondelor care investighează din interior diferite organe de exemplu prin tehnicile laparoscopice.