کامپوزیت زمینه سرامیکى CMC
کامپوزیتى هستند که کاربردهاى زیادى را در صنایع مختلف خصوصاً هوافضا به خود اختصاص دادهاند. سرامیکهاى پیشرفته داراى ویژگىهاى مطلوبى مانند سختى، استحکام بالا، تحمل دماهاى بالا، خنثایى شیمیایى، مقاومت در برابر فرسایش و چگالى کم هستند. ولى در برابر بارهاى کششى و ضربه ضعیف هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطاف پذیرى نشان نمىدهند و مستعد شکست تحت بارهاى مکانیکى و شوک حرارتى هستند.
اگر مقایسهاى بین سرامیکها و دیگر مواد داشته باشید، باید گفت که سرامیکها تنها گروه از مواد هستند که در دماهاى بالا قابل استفادهاند و داراى سختى، استحکام و مدول کشسانى بالاترى از فلزات و پلیمرها هستند. همچنین چگالى، ضریب انبساط حرارتى و هدایت الکتریکى و حرارتى کمى دارند. به ویژه چگالى و انبساط حرارتى کم سرامیکها اهمیت زیادى در اغلب کاربردها دارد.
بزرگترین نقطه ضعف سرامیکها در مقایسه با دیگر مواد به ویژه فلزات، مقاومت فوق العاده پایین آنها در برابر شکست است که در عمل این مواد را در برابر ترک بسیار حساس کرده است. راه حل این مشکل، تهیه کامپوزیتهاى زمینه سرامیکى است. گنجاندن الیاف و ذرات تقویت کننده در یک زمینه سرامیکى مىتواند به تهیه یک ماده سرامیکى مقاومتر منجر شود. کامپوزیتهاى زمینه سرامیکى تنها کامپوزیتهایى هستند که بالاى ۹۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ مىکنند.
معمولاً کاربرد کامپوزیتهاى سرامیکى به دو دسته هوا فضایى و غیرهوا فضایى تقسیم مىشوند. در کاربردهاى هوافضایى مساله اصلى، عملکرد کامپوزیت است. در حالى که در کاربردهاى غیر هوا فضایى عامل قیمت بسیار مهم است. کامپوزیتهاى سرامیکى با الیاف پیوسته، عموماً داراى خواص مکانیکى ویژه بالایى هستند و مىتوانند در کاربردهاى هوا فضایى با دماى بالا به کار گرفته شوند. کامپوزیتهاى کربن/کربن با پوشش سیلیسیم کاربید به عنوان محافظ حرارتى در شاتلهاى فضایى استفاده شده و کامپوزیتهاى کاربید سیلیسیم/ کربن مواد مناسبى براى هواپیماها هستند. از کاربردهاى غیر هوا فضایى کامپوزیتهاى سرامیکى مىتوان به اجزاى موتورهاى دما بالا، مته و ابزار تراش، اجزاى مقاوم در برابر سایش، لوله اگزوز، نازل، لولههاى مبدل گرما و غیره اشاره کرد.
بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا، با وجود احتمال شکست ترد، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنشهای شدید است. به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربینهای گازی هواپیما چرمگی شکست این کامپوزیتها معمول است در حالی که در اغلب فلزات ۱۵ است. چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیتهای زمینه سرامیکی (CMC) که بصورت ذزهای، رشتهای یا ویسکری از مواد سرامیکی است. این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه ایجاد میشود توسط ذرات، رشتهها یا ویسکرها نتنها اشاعه نمییابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِیآید. به این امر کمک میکند.
کامپوزیتهای زمینه سرامیکی را با روشهای پرسکاری گرم، پرسکاری ایزوستاتیک گرم و زینتر کردن فاز مذاب تولید میکنند. آلومیناهای تقویت شده با ویسکرهای SiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده میشود. سرامیکهای پیشرفته دارای ویژگیهای 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 انعطافپذیری نشان نمیدهند و مستعد شکست تحت بارهای مکانیکی و شوک حرارتی هستند.
اگر چه نسبت مدول الاستیسیته تقویت کننده و زمینه در کامپوزیتهای زمینه فلزی و پلمیری عموماً بین ۱۱ و ۱۱۱ است ولی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، این نسبت معمولاً برابر یک یا کمتر از آن است. نسبت مدول بالا در کامپوزیتهای زمینه فلزی و پلیمری، سبب انتقال موثر بار از زمینه به تقویت کننده میشود. 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 آنهایی که زمینه آنها مدول الاستیسیته کمی دارند (مانند زمینههای شیشهای).
حوزههای مهم در تهیه کامپوزیتهای زمینه سرامیکی انواع گوناگون شیشه، شیشه سرامیکها و سرامیکهایی همچون کربن، کاربید سیلیسیوم، نیتریدسیلیسیوم، آلومیناتها و اکسیدها هستند. تقویت کنندههای مورد استفاده عبارتند از کاربیدها، بوریدها، نیتریدها و کربن. کامپوزیتهای زمینه سرامیکی تنها کامپوزیتهایی هستند که بالای ۱۱۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ میکنند. عمدهترین کامپوزیتهای زمینه سرامیکی شامل کامپوزیتهای کربن/کربن، کامپوزیتهای آلومینا، کامپوزیتهایی با زمینه Si3N4 یا SiC تقویت شده با الیاف پیوسته SiC و کربن هستند.
معمولاً کاربرد کامپوزیتهای سرامیکی به دو دسته هوافضایی و غیرهوافضایی تقسیم میشوند. در کاربردهای هوافضایی مساله اصلی، عملکرد کامپوزیت است. در حالی که در کاربردهای غیر هوافضایی عامل قیمت بسیار مهم است. کامپوزیتهای سرامیکی با الیاف پیوسته، عموماً دارای خواص مکانیکی ویژه بالایی هستند و میتوانند در کاربردهای هوافضایی دمای بالا به کار گرفته شوند. کامپوزیتهای کربن/کربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتی در شاتلهای فضایی استفاده شده و کامپوزیتهای کاربید سیلیسیم/کربن مواد مناسبی برای هواپیماها هستند.