1. Керамические композиты

При создании авиационных двигателей нового поколения для снижения веса, уменьшения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов используются легкие и очень стойкие огнеупорные материалы – керамические композиты.

На рисунке 1 представлена схема технологического процесса, разработанного NASA для производства композитов Melt Infiltrated Ceramic Matrix Composites.

Сначала изготавливается ткань из волокон карбида кремния (торговая марка Sylramic), из нее формуется заготовка заданной формы и размеров, затем заготовка насыщается расплавом карбида кремния и обжигается.

Для изготовления композита могут быть использованы волокна Sylramic или Sylramic с покрытием нитрида бора. Такие композиты выдерживают нагрев до 1200 ^оС.

Схожая технология используется при изготовлении композитных оксид­оксидных материалов, где ткань из материала Nextel 720 (содержащих 85% Al₂O₃ и 15% SiO₂) насыщается в расплаве алюмосиликатов.

Композитные материалы имеют слоистую структуру (см. рис. 2).

По сравнению с монолитными керамическими материалами (например, Si₃N₄) композитная керамика не такая хрупкая и обладает повышенной ударо­ стойкостью (см. рис. 3 и 4).

Керамические композитные материалы широко используются в конст­рукции гиперзвуковых летательных аппаратов (орбитальный БПЛА X37, ракета X51A WaveRider (см. рис. 5 и 6).

При полeте на скорости 68 Мах температура поверхностей передних кромок плоскостей может достигать 2700^оС, а температура в камере сгорания прямоточного воздушнореактивного двигателя со сверхзвуковой камерой сгорания (scramjet) – 3000 ^оС.

Для обеспечения тепловой защиты и высоких прочностных характеристик конструкции при аэродинамическом нагреве используются многослойные сэндвич­структуры Ceramic Matrix Composite/Foam Core (керамический матричный композит с внутренним слоем пористой керамики).

Основным преимуществом таких материалов по сравнению с теплозащитными плитками, используемыми в конструкции Space Shuttle или «Буран», является высокая прочность, позволяющая встроить теплозащиту в несущую конструкцию. У «Шатла» и «Бурана» тепловая защита устанавливалась поверх несущих конструкций и создавала «паразитный вес», т.к. не несла нагрузки.

Композитная сэндвич–панель, имеющая плотность порядка 1,06 г/cм³ обладает высокой прочностью и жесткостью. Коэффициент теплового расширения, керамического композитного материала обшивки и пористого керамического материала сердцевины подобраны таким образом, чтобы обеспечить градиент температур на наружной и внутренней поверхности сэндвич–панели около 1000^оС без расслоений и растрескивания.

, имеющая плотность порядка 1,06 г/cм обладает высокой прочностью и жесткостью. Коэффициент теплового расширения, керамического композитного материала обшивки и пористого керамического материала сердцевины подобраны таким образом, чтобы обеспечить градиент температур на наружной и внутренней поверхности сэндвич–панели около 1000С без расслоений и растрескивания.

В камере сгорания scramjet используются керамические композиты на основе высокотемпературной керамики. Такая керамика, состоящая из диборида циркония и карбида кремния, спекается с помощью электроискровых разрядов высокой частоты (так называемый метод SparcPlasma Sintering). По сравнению с методом горячего изостатического прессования SparcPlasma Sintering позволяет получить более плотную структуру (см. рис.7 и 8).

Кроме этого, для камеры сгорания разрабатываются «самовосстанавливающиеся» абляционные материалы, в которых замещение вещества обеспечивается на микроуровне. Это так называемые «secondary polymer layered impregnated tile» (SPLIT) (слоистые плиты с пропиткой из вторичного полимера), имеющие неоднородный состав. Термин «вторичный» использован потому, что каждый элемент плиты содержит, по крайней мере, два полимерных слоя, вторичная эндотермическая реакция между которыми поглощает значительное количество тепла, помогая предотвращать перегрев материала, находящегося за теплозащитной плитой.

Для защиты композитной керамики на основе карбида кремния от реакций с продуктами горения топлива в камере сгорания и парами воды используются нанокомпозитные коррозионно­стойкие покрытия.

2. Конструкционные нанокомпозитные материалы

Металл­керамические нанокомпозитные сплавы

В качестве легких конструкционных материалов используются алюминиевые и магниевые сплавы, армированные керамическими наночастицами.
Основной проблемой при литье таких сплавов является равномерное распределение керамических наночастиц в объеме отливки. Из­за плохой смачиваемости наночастиц в расплаве они агломерируются и не размешиваются. В университете WisconsinMadison (США) разработана технология размешивания наночастиц в расплаве с помощью ультразвуковых волн, которые создают микропузыри в расплаве. При схлопывании таких микропузырей образуются микроударные волны. Интенсивные микроударные волны эффективно рассредоточивают наночастицы в объеме расплава металла.

Керамические нанокомпозитные материалы

Добавка углеродных нанотрубок и фуллернов (в том числе, нановискеров углерода) в керамическую матрицу улучшает механические свойства керамики (обеспечивают повышение пластичности, снижение хрупкости).

На рис. 9 показаны микрофотографии углеродных нанотрубок в матрице оксида алюминия. Видно развитие микротрещины, углеродные нанотрубки (CNT), являясь армирующим элементом, препятствуют развитию трещины.

Кроме углеродных нанотрубок в качестве армирующих элементов в нанокомпозитной керамике используют неорганические фуллеренподобные материалы (многослойные наносферы или нанотрубки бисульфидов вольфрама, титана, ниобия и молибдена).

Экспериментально подтверждено, что неорганические фуллеренподобные материалы обладают стойкостью к динамическим нагрузкам до 210 тонн/см², (по сравн. 40 тонн/см² у высокопрочной стали), что делает его очень перспективным материалом для наполнителей в полимерные или керамические композиты, используемые в качестве легкой брони.

Очень перспективным материалом для применения в различных отраслях промышленности является керамика МАКСфазы (Mn+1AXn phases) – поликристаллические наноламинированные тройные нитриды, карбиды или бориды переходных металлов.

В зависимости от состава этих материалов они могут обладать совершенно уникальными многофункциональными свойствами: быть прочными, в то же время легко обрабатываться, выдерживать высокие температуры, обладать высокой теплопроводностью, очень низким коэффициентом трения. Образно говоря – это керамика, которую можно резать обычной ножовкой.

Материалы МАКСфаз были открыты американским исследователем Prof. M. Barsoum (университет Drexel – США) в 1996 г.

были открыты американским исследователем Prof. M. Barsoum (университет Drexel – США) в 1996 г.

Области применения: энергетика (высокая электропроводность, способность выдерживать высокие механические нагрузки, высокую температуру), газовые и паровые турбины (обладает низким коэффициентом трения при высоких температурах), авиация и космонавтика. На рис. 10 представлена микрофотография наноламинантной структуры МАКСфаз керамики.

Обработка композитных материалов

Появление новых композитных материалов с улучшенными свойствами накладывает новые требования на разработку технологий и инструмента для их обработки. За рубежом используется комплексный подход: к участию в проектах по разработке новых материалов привлекаются технологи по обработке металлов и керамики. В частности, в проектах NASA участвуют специалисты Армейской исследовательской лаборатории и Лаборатории ВВС США.

Например, для сверления отверстий в пластинах и панелях из композитной керамики используют инструмент с вставками из поликристаллического алмаза, а также цельный твердосплавный инструмент с нанокомпозитными многослойными покрытиями.

Для соединения деталей, изготовленных из высокотемпературной керамики на основе диборида циркония используются специальные припои.

В частности, сплавы AgCuTi (торговая марка CusilABA и Ticusil), а также сплавы на основе палладия – кобальта и палладия никеля (торговая марка Palco и Palni) обеспечивают надежное соединение такой керамики с конструкционными материалами, изготовленными из тугоплавких сплавов молибдена.

А.В. Федотов
Директор по развитию
НПФ «Элан­Практик»