کامپوزیت های زمینه سرامیکی (معرفی،خواص،انواع و روش تولید)

نویسنده : فاطمه حاجی محمدی

وب سایت عصر مواد مطالبی را در خصوص کامپوزیت ها و انواع و کاربرد آن ارائه داده است که برای دسترسی به آن می توانید اینجا کلیک کنید.و همچنین قصد داریم در طی این مطلب به معرفی کامپوزیت های زمینه سرامیکی و کاربرد و روش های تولید آن بپردازیم.

 

کامپوزیت زمینه سرامیکی چیست:

 

کامپوزیت های زمینه سرامیک (Ceramic Matrix Compozit) یا به اختصار CMC، خانواده-ای از مواد کامپوزیتی هستند که ماده زمینه آن ها یک ماده سرامیکی مانند انواع گوناگون شیشه، شیشه سرامیک ها و سرامیک هایی همچون کربن، کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم، آلومینات ها و اکسیدها است.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMCs) مواد کامپوزیت و سرامیک های فنی هستند. آنها از الیاف سرامیکی تشکیل شده اند که در یک زمینه سرامیکی تعبیه شده اند و یک ماده تقویت شده با الیاف سرامیکی را تشکیل می دهند.

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 .

کامپوزیت های زمینه سرامیکی تنها کامپوزیت هایی هستند که بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می کنند.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMCs) نوع خاصی از مواد کامپوزیت هستند که در آن هم تقویت کننده (الیاف نسوز) و هم مواد ماتریس از سرامیک هستند. در برخی موارد، از همان نوع سرامیک برای هر دو قسمت سازه استفاده می شود و ممکن است الیاف ثانویه اضافی نیز در آن گنجانده شود.

این ترکیب منحصربه‌فرد مواد، صنعت هوافضا را متحول کرد و قطعات را در برابر شرایط شدید مقاوم‌تر و در مقایسه با فناوری‌های قبلی سبک‌تر کرد . مواد CMC بر بسیاری از معایب سرامیک های فنی معمولی، که چقرمگی شکست کم، مقاومت در برابر شوک حرارتی محدود و شکست شکننده هستند، غالب است.

این کامپوزیت ها برای کاربردهایی با نیازهای حرارتی و مکانیکی مورد نیاز، مانند وسایل نقلیه هوافضا، صنایع هسته ای، حمل و نقل زمینی، سازه های فضایی و صنایع شیمیایی توسعه یافته اند.

 

تقویت کننده ها:

 

مواد تقویت کننده مورد استفاده برای کامپوزیت های زمینه سرامیکی شامل کربن، آلومینا، کاربید سیلیکون و آلومینا سیلیس است. الیاف نسوز می تواند به شکل سبیل، ذرات، الیاف بلند یا کوتاه و نانوالیاف باشد. این الیاف ساختار پلی کریستالی مشابه سرامیک های معمولی دارند.

الیاف پیوسته یا بلند چقرمگی بهتری را فراهم می‌کنند، زیرا می‌توانند بار را حتی پس از ترک خوردگی سطح سرامیکی تحمل کنند و در نتیجه سرعت انتشار ترک را کاهش دهند. از طرف دیگر الیاف کوتاه  مقاومت بهتری در برابر رشد ترک می دهند. این امر باعث می‌شود کامپوزیت‌ها نسبت به نقص‌ها حساسیت کمتری داشته باشند، اما زمانی که ترک شروع به انتشار کند، شکست می‌تواند فاجعه‌بار باشد.

 

مواد ماتریس:

 

مواد ماتریسی مورد استفاده مانند تقویت‌کننده‌های ذکر شده در بالا هستند، با افزودن سرامیک‌های غیر اکسیدی و با دمای فوق‌العاده (UHT) که برای کاربردهای خاص استفاده می‌شوند. سرامیک های پیشرفته معمولاً در تولید کامپوزیت های زمینه سرامیکی برای غلبه بر معایب اصلی سرامیک های سنتی استفاده می شوند. یعنی شکنندگی آنها. متداول ترین CMC های مورد استفاده CMC های غیر اکسیدی مانند کاربید کربن/سیلیکون (C/SiC)، کربن/کربن (C/C) و کاربید سیلیکون/کاربید سیلیکون (SiC/SiC) هستند. 

 

خواص کامپوزیت های زمینه سرامیکی:

 

سرامیک های معمولی مقاومت در برابر شوک حرارتی و چقرمگی شکست کم دارند. این اشکالات با استفاده از تقویت کننده الیاف در کامپوزیت های زمینه سرامیکی برطرف می شود.

خواص معمول کامپوزیت های زمینه سرامیکی عبارتند از :

• مقاومت در برابر شوک حرارتی و خزش بالا
• مقاومت در برابر دمای بالا
• مقاومت عالی در برابر خوردگی و سایش
• بی اثر بودن در برابر مواد شیمیایی تهاجمی
• استحکام کششی و فشاری بالا، بنابراین در مقایسه با سرامیک های معمولی شکست ناگهانی ندارد
• افزایش چقرمگی شکست به دلیل تقویت
• سبک وزن به دلیل کاهش تراکم
• حفظ استحکام بالا در دماهای بالا

 

تولید کامپوزیت های زمینه سرامیکی:

 

کامپوزیت های زمینه سرامیکی با استفاده از الیاف سرامیکی با ضخامت ۳ تا ۲۰ میکرومتر ساخته می شوند. قطر کوچک باعث انعطاف پذیری الیاف (معمولاً به صورت نخ تولید می شود) در صورت نیاز به پردازش نساجی بیشتر می شود. پریفرم CMC از الیاف با ساختار نساجی الیاف پیوسته از طریق بافندگی، قیطاندن و بافندگی یا با برش نخ ها و تشکیل دسته های الیاف کوتاه ساخته می شود.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته معمولاً با روش های نفوذی ساخته می شوند که در آن ماتریس سرامیکی توسط سیالی که به ساختار فیبری نفوذ می کند تشکیل می شود. تبدیل سیال به سرامیک بسته به نوع سیال مورد استفاده و فرآیندهای مربوطه متفاوت است. برخی از تکنیک های نفوذ به شرح زیر است

• نفوذ سیلیسیم مایع (LSI)
• نفوذ پلیمری و پیرولیز (PIP)
• نفوذ دوغاب سرامیکی (CSI)
• نفوذ بخار شیمیایی (CVI)
• نفوذ مذاب واکنشی (RMI)

 

کاربرد کامپوزیت های زمینه سرامیکی:

 

• مبدل های حرارتی و اجزای مشعل
• اجزای توربین گاز – اینها شامل پره‌های توربین، محفظه‌های احتراق، پره‌های استاتور و موتورهای توربین هستند که در آن الیاف کاربید سیلیکون روکش شده در یک زمینه سرامیکی برای ایجاد مقاومت در برابر دما، چقرمگی و چگالی کم تعبیه شده‌اند.
• صنعت هوافضا – از جمله فلاپ‌های بدنه، کفن‌ها و محافظ شاتل‌های فضایی، که در آن کاشی‌های سرامیکی پوشش‌داده شده از گرمای شدید محافظت می‌کنند.
• سیستم های اگزوز موتور – از جمله نازل های اگزوز سرامیکی برای هواپیماهای تجاری برای افزایش عمر قطعات و کاهش وزن و صدای موتور.
• وسایل نقلیه مافوق صوت – اینها از مواد ساختاری مانند سرامیک های با دمای فوق العاده بالا استفاده می کنند که نامزدهای خوبی برای مناطق با شار گرما بالا هستند.
• صنعت انرژی هسته‌ای – از جمله ساختارهای راکتور داخلی ساخته شده از کامپوزیت‌های فاز MAX که می‌توانند دماهای بالا را تحمل کنند و تحمل آسیب مکانیکی بالا و سازگاری شیمیایی خوبی با خنک‌کننده‌هایی مانند سدیم و سرب مذاب دارند.

 

انواع کامپوزیت های زمینه سرامیکی:

 

• کامپوزیت های زمینه آلومینا با تقویت کننده ویسکر SiC

آلومینا از معروف ترین سرامیک های صنعتی جدید است و کاربردهای بسیار متنوعی دارد مانند زیر لایه های دستگاه های الکتریکی تا لولای کروی استخوان مصنوعی ران. تقویت کننده ویسکر SiC باعث بهبود استحکام و چقرمگی کامپوزیت زمینه سرامیکی آلومینا می شود .

• کامپوزیت های زمینه آلومینا با تقویت کننده زیرکونیا

بهترین آلومینای تقویت شده ی ذره ای که تاکنون ساخته شده است ، آلومینای چقرمه شده توسط زیرکونیا می باشد .

• کامپوزیت های زمینه سرامیک – شیشه

توسعه این دسته از کامپوزیت ها ، بر روی تقویت کننده های الیاف پیوسته متمرکز شده است . در کارهای اولیه بر روی زمینه شیشه با الیاف کربن مطالعات انجام شده است ، اما امروزه بیشتر تلاش بر روی استفاده از تقویت کنندگی با الیاف SiC صورت می گیرد .

• کامپوزیت های کربن – کربن متخلخل

کاربرد مهم کامپوزیت های کربن کربن با تخلخل بین ۷۰ تا ۹۰ درصد، به عنوان عایق در دماهای بالا می باشد. این کامپوزیت ها را به نام الیاف کربن با زمینه کربن ( CBCF ) نیز می شناسند و تنها در شرایط خلاء یا اتمسفر خنثی در حالی که اکسایش در دمای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد رخ می دهد، به کار گرفته می شوند .

• کامپوزیت های کربن – کربن متراکم

برای تقویت این کامپوزیت های متراکم از الیاف پیوسته و ناپیوسته استفاده می شود . الیاف ناپیوسته بیشتر برای قطعات بزرگتر استفاده می شوند تا مواد همسان گردتری را تولید کرده و استحکام بین لایه ای را افزایش دهند . الیاف ناپیوسته معمولا از ریون ( ابریشم مصنوعی ) ساخته می شوند . الیاف پیوسته تقویت کننده نیز عموما برای دستیابی به خواص مکانیکی خوب ، یا برای تولید ماده ی یا همسان گردی مطلوب به کار می روند . کاربرد این کامپوزیت ها شامل صفحات ترمز ماشین های مسابقه ای و هواپیماها ، قطعات توربین های گاز ، کلاهک ها و لبه های موشک ها و اندام های مصنوعی مانند صفحات استخوانی می باشد .