Introduction to Ceramic Composites
9
Κεφάλαιο 1 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στην Τεχνολογία των Σύνθετων Κεραμικών Υλικών Εισαγωγή στην Τεχνολογία των Σύνθετων Κεραμικών Υλικών Σύνθετα υλικά Με τον όρο «Σύνθετα Υλικά» ονομάζουμε τα υλικά εκείνα που αποτελούνται από μία ή περισσότερες χημικά ή φυσικά διακριτές φάσεις ενσωματωμένες σε μια συνεχή φάση. Καθώς σχεδόν κανένα υλικό δεν είναι ελεύθερο προσμίξεων, ατελειών σε ατομικό ή μοριακό επίπεδο, ως σύνθετα υλικά χαρακτηρίζουμε εκείνα στα οποία η «διακριτές φάσεις» έχουν διαστάσεις κατά πολύ μεγαλύτερες από αυτές τις ατομικής κλίμακας. Βασικό χαρακτηριστικό των συνθέτων υλικών είναι η εμφάνιση, κατά κανόνα, ανώτερων ιδιοτήτων από τα επιμέρους υλικά που τα αποτελούν. Η ανάπτυξη των συνθέτων υλικών είχε, όπως και σε πολλά άλλα επιτεύγματα της τεχνολογίας, ως πρότυπο την ίδια τη φύση. Κλασικά παραδείγματα «φυσικών» συνθέτων υλικών στο ζωικό βασίλειο είναι αρκετά όργανα που αποτελούνται από ινώδεις ιστούς και κυρίως τα οστά. Στον φυτικό κόσμο συναντάμε επίσης δίκτυα ινών με σημαντικότερο παράδειγμα το ξύλο το οποίο είναι ίσως το υλικό που ενέπνευσε περισσότερο από όλα την ανθρώπινη δραστηριότητα στην ανάπτυξη των σύνθετων υλικών. Η ιδέα της ενίσχυσης συνεχών μέσων εμφανίστηκε αρκετά νωρίς στην ανθρώπινη ιστορία. Μία από τις πρώτες εφαρμογές συνθέτων υλικών ήταν η κατασκευή κατοικιών, όπου χρησιμοποιούνταν πλίνθοι με ανάμιξη πυλού και άχυρου. Άλλα παραδείγματα εφαρμογής της φιλοσοφίας των συνθέτων υλικών βρίσκουμε στην τεχνολογία των όπλων, όπου ο συνδυασμός στρώσεων διαφόρων μετάλλων και δέρματος οδήγησε στην κατασκευή αποτελεσματικών αμυντικών όπλων (ασπίδες, πανοπλίες). Σήμερα τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών υψηλής τεχνολογίας (αεροναυπηγική, διάστημα, εμβιομηχανική) αλλά και της καθημερινότητας (οπλισμένο σκυρόδεμα, ελαστικά αυτοκινήτων, βιομηχανικά πλαστικά κλπ). Τα σύνθετα υλικά όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο αποτελούνται από μια συνεχή φάση, που καλείται μήτρα και από την φάση ενίσχυσης. Η τελευταία συνήθως βρίσκεται σε μία από της παρακάτω μορφές: σωματίδια, φολίδες, ασυνεχείς ίνες, συνεχείς ίνες ή στρώσεις πλακών. Η ταξινόμηση των συνθέτων υλικών έχει καθιερωθεί να γίνεται με βάση το μητρικό υλικό. Έτσι έχουμε ως κύριες κατηγορίες τα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας (Polymer Matrix Composites ή PMC’s), τα σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας (Metal Matrix Composites ή MMC’s) και τα σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας (Ceramic Matrix Composites ή CMC’s). Η φάση ενίσχυσης μπορεί να είναι επίσης πολυμερής, μεταλλική ή κεραμική δημιουργώντας έτσι ένα αρκετά μεγάλο αριθμό συνδυασμών. Μια περαιτέρω ταξινόμηση μπορεί να γίνει σύμφωνα με την μορφή της ενίσχυσης σε σωματιδιακά/φολιδωτά, απλά ινώδη, συνεχών ινών κλπ. Από τις παραπάνω κατηγορίες, τα σύνθετα πολυμερούς μήτρας (ΣΠΜ) είναι τα πιο διαδεδομένα και χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Στην πλειοψηφία τους συναντώνται με ενίσχυση κεραμικών ινών (γυαλί, άνθρακας, κλπ), αλλά και πολυμερών (π.χ. Nylon, Cevlar, Aramid), κυρίως σε μορφή συνεχών ινών. 1-1
-
Upload
dimitris-vlachos -
Category
Documents
-
view
219 -
download
3
description
Introductory chapter in PhD dissertation
Transcript of Introduction to Ceramic Composites
1 1 u u au a a a u oc c u . o c u o a, aao, u u a oc cu o a a uc. Bucu , , o a acu u au a. Hauucu, a aa, auao. aouucu aua ao u. u u a ou ao a u au cau a a a o au u. H oc u u c a . a a c uc u u , au a a au uu. Aao ucu u a, au uou o oc o u a u a (ao, aa). ua c u (ua, o, ) (acuo, u, a a). u a c a a a a u , au au. Huu a a c: o, o, u , u a. H ucuc u. 1cu u au (Polymer Matrix Composites PMC`s), u (Metal Matrix Composites MMC`s) u (Ceramic Matrix Composites CMC`s). H u a a au,ouc cuou. ac a uo/o, a o, u a. Aaaa, au(H)aoooca c a . a u u u (u, , a), au (a.. Nylon, Cevlar, Aramid), u u .1-1 a au u u u (Continuous Fiber Ceramic CompositesCFCC`s) a auu o oc o u. u , -c a a u aucuau aa. Iu, aou (au, a, u a) a o c a c a. u u, uc au oc uac cua u au u 25 ac u, a u c c. ac u a u u . Ho ac u o, o o a au, u, a oooc o o u auu (Si2O3, SiC), o u uu (Al2O3), o u u (ZrO2) . ac u uouu c c c o. 1 u c c aua oa u ( u), au, u , ou,, o, u o. A a u auu o a c ac o ua c .Bc, uc ao ac a aa ou a au o oa a u.H a u a u auu c , u. c, u , a ocu a c (a) cu (c, c au a uau a) ac a u . uaaaccauaaou o u, o au u.A a c uc u o c c o u a u u c c . ua aa a au u. Oucouac ou u au uo c o uc u u u .Huc uc u uu a, ac a u (au u uau a).Hc a u u ocu u aao o au acau a c a 1-2u uc ouu. a c a oa -, a oa u, u o . acu u u uo oaac acu( uc) o c cu u au a. 1 u u a auaaaoo c u ucu u u. u , c u c a a ocuao . uuaacoaua a uocu aoaa. uc au ua u co a a uc oo au u, u au aau a uc c u. !"" #! $%&'()*+, -+./0 123),40+4)/2 5 %-16H co CVI a a X a Au (Chemical Vapor DepositionCVD) c ao a u. H uc ua oo a co CVI o u a, a a (au ac o - a) c oou co CVI. H a u u u a. Ac a o c a ac a. c oou ao a u o a . ac o a a u o c ua a. A au ua co a a a ac.I. ccou c aao .O o. ao o au o au a. c au u a o au o.I-c . u c o c a a a.O o- c . u o c a u a a.H . c cu c c a a u oo a.1-7Oa XA a oooc a oc a. O a a a oo o au u a u a a ouc a aa u cu. XA c a c c a oo c a c ou. u u u u a o u u ac u a ou a oo. c a a a c o a au oo ua.u a c o u a. o a ao u u u c c . o a u o a c a a a au . O a a a c o o , o uaa o a. a o o o a SiC co CVI. 1.1: C! 1 u X oC C CH4 C 2H2SiC C, Al2O3, SiC CH3SiCl H2 SiC 3HClTiC C TiCl4 CH4 H2 TiC 4HClB4C C 4BCl3 CH4 H2 B4C 12HClZrC (HIC) C ZrCl4 CH4 H2 ZrC 4HClCr3C2Al2O3CrClx CH4 H2 Cr3C2 HClTaC C TaCl5 CH4 H2 TaC HClSi3N4C, Al2O3, SiC 3SiCl4 4NH3 H2 Si3N4 12HClBN BN, C, Al2O3, SiC BX3 NH3 H2 BN 3HX,(XCl, F)1-89:" :;: % ? %-1;9" @)% %-1A "!;9" @)% B9 " ?;: !"" $6""9 A""! #" " Al2O3C, Al2O32AlCl4 3CO2 3H22AlCl4 3H2O 3CO Al2O3 3CO 6HClZrO2C, Al2O3, mulliteZrCl4 2CO2 2H2ZrCl4 2H2O 2CO ZrO2 2CO 4HClTiB2C, Al2O3, SiC TiCl4 2BCl3 H2 TiB2 10HCl" 1.1: #$ $$ % C! & & '. a a oooc oo aca a o aoa uou -. H 1.1 au u u au a co CVI, a u c c o au u oo a.H co oou a ua o u a a u u ( aa o acuu) o. aca u u o .uaccuauaco CVI( , ), u, ao , , u, au, o (o, a), a.C" D9 EF!" G $H)0'*4'I G'4+, EJ)I+4)/2 5 H1GEK6 H A Kuu Oo Mu co a c o u c o a. H oo uu o o u c a oo u cu u a u ou au c a c u o. a u a a c o ouooc ou ou a uu. Hco a a ou u uu o c o u ac a o u uu u auu.H a co DIMOXu a u u (auaau au ac) a o,ao, c (aua ua,injectionmoldinga). O ac a ca auaucuua oucuu. c a u900-1200C o u u c a c ou o ou u uu a u u ocu aou a. uc a c c c ocu (ocu c) c ou u ou au u a au a a u u u cao. Hauou a a au ac o oa a c. oo o ua u u 1-Laa a. Iouuuaoco DIMOX a 1-3 c. c ou a a u u c o u ou .. a au u 5 30 . I c 660C ( uu) u o ou o a. H u uc c au u uu a u aoo aac ouu . H ou a ou a u cu. u a co O o , u u, o a. M9" NHcoua cucaa c c u uc u au . Hoo a u au a c auu ao au u u (polymer ceramic precursor). Xa c c a ac , ua (vacuum bagging) aac u, ua, RTM a., u ao (greenstate) au u . uc ao ua c auu,aaucca ac. Hooauu o u (u u) a a 700C, ua900-1200C. caa auuo a o auu u au o auc o aoac ac oo (a a SiN). H o auu u (1-2c) auou o a ou a aa auu (H2,CO) c a u . A a u u, a ao u 20-30. a, u aa auc au . A o auco, ua3-10 a-auu a au au au. CO C $%+0P/2O%+0P/2 */(./Q)4'Q6A oa uuacuu, u auuou u, . O o uc (~2200C) au uu , cu o a o ou.Oaca, a a u C/C co CVI. H a co u auu au a au (u ) uc , ua auu aoo. Oauaa oou u o u u. I a u u ao, a a u ucu 1-R 2000-3000 oC a u o u . Aa ou u c o uC/C u. uac c 266 Pa u, 70 GPa c , (6 - ~100W/mK) 1.1 /m/ u o. c C/C u u u o. u 500C a uu o ua o. u c u 1600C ( c o), a a (a SiC) c o u u au ou u au aou ac oou u uu u u. O u o uou au ou au c o C/Co c . a ac oooc ua oc c a a a uc c (a u, o a).!"" $G',4 123),40+4)/26Hcoua ooucuuou ac u . I oo u o a a a a a a u u au o - a. Hau a co u a u a c a ou u.HooAou ou a o c ou . Aou , Huu Ao (Resin inIiltration, pyrolysis and reaction) Xu o (Slurry casting).Aou, Huu Ao. uooaa u a a auu aoo ou a (u ) a oou u cu u o u u ou u .Xu o. u oo ou u u o au c u au a. u u au oou u a acu aa o u uSuauaua coMI au ouauu(SiC) u ou u auu . ac ou auao uaac uc o . H a ou c o u u a. @/,-T',1-UO sol-gel a a u u solution-gelation (ou-a) a c a u ao o . a oo ac ou o o (sol) au u c (gel), u auca cu. Aauu a aa, co c ac a a u a- u, acu c o ua. ao au a , o, o o o o au a a . H co u a a u u a uc a ac , au a. I a co a ac u a c ou. u o cacououucau o ao (a ). ac ou sol-gel a c aau1000Cauca o u. u, a u a a u a 300C au aca o u o u u ucu uc o c ua c uc u u. o ou aca o u aa oaoaucaoua o u ou a u ac.oou, uu ou ou au a u ao. I au a ua u ou aac a-au-- ua. ou ua c o vacuumbagging u (autoclave) . H co sol-gel a a o, u u uu u auu. A ua auu o c o ou au au o (a ). Hco a a a ( c au a uc ), au ouao aau, o oooc o u au . u a u u aou au a .Hc cu o au u aao a c ucosol-gelou o aao a. 1-V" " A !"O a o au u au au ac o. u a ua co DIMOX Aou au a. I oo au ac ac c uac a u au o c, u aoou c c u.c co a auo a ou ouu auu. a a X u (ReactionSintering) Hu (Combustion synthesis). oua c ocacuuoa . c aa a aou ua u ao auu c ao/u a. WN Io a a c . H uc ou a a u ua, auu c o u o u o u. o a a o oc . H a a aauuauoaouuauc a .H .. a u 80-95 u a ua u (a Si3N4,SiC,ZrB2,HIB2,HIC,ZrO2,Al2O3), ouu a a c c (aNi,Ni-Cr,Nb) a u o o (a o u u).H oo au a. H o a u. Houu a a o u a a. O uc a u u a o au u u. a a c a cua. Hoo a u au aau cu a c c c o. H u u c ,auuc u cu a c .
