Сверх высокотемпературные композиционные наноматериалы для ракетно-космической техники

1 | 2 | 3 | 4

Авторы: А.А. Касимовский, В.И. Костиков, Л.Е. Агуреев

В последние годы в ракетно-космической технике наблюдается тенденция по применению керамических композиционных материалов в узлах, подвергающихся воздействию высоких температур (более 1500 К) и агрессивных сред. Это связано с тем, что керамика и композиты в этих условиях обладают большими по значению свойствами, чем металлы и сплавы, в частности пределом прочности, жаростойкостью и др. [1]. При этом керамика имеет высокую хрупкость, поэтому наибольшую перспективу имеют композиты на её основе. Армирование керамики различными материалами приводит к существенному увеличению прочности и снижению хрупкости. С повышенным вниманием к развитию нанотехнологий появились новые возможности по улучшению свойств керамики и композитов. В частности, по данным зарубежных авторов, добавление 0,25% масс. углеродных нанотрубок (УНТ) в карбидкремниевую керамику приводит к увеличению прочности на 30% и более (рис. 1) [2].

Рис. 1. Изображение карбида кремния, армированного углеродными нанотрубками.

Механизмы упрочнения композитов, армированных одностенными УНТ (ОУНТ) ведут к получению материала одновременно прочного и износостойкого (рис. 2) [3].

Рис. 2. А – Схема границ зёрен в композите керамика/ОУНТ. Жёлтые фигуры изображают зёрна, чёрные сплетённые линии – пучки ОУНТ (В).
С – Изображение высокого разрешения (ПЭМ) границ зёрен в композите Al₂O₃/10% масс. ОУНТ. D – Фото (СЭМ) поверхности композита Al₂O₃/10% масс. ОУНТ. Тёмные зоны – пучки сетей ОУНТ, светлые – зёрна керамики.

При этом не происходит разматывания и вытягивания нанотрубок, что является ключевым моментом в возможности получения композита, обладающего и высокой трещиностойкостью, и высокой прочностью – нетипичной комбинации для керамических композитов. Кроме того, при армировании керамики усами/стержнями (которые значительно превышают в размерах ОУНТ) при растрескивании происходит их выталкивание (смещение) (рис. 3).

Рис. 3. А – Изображение СЭМ и В – Схема, показывающая выталкивание (смещение) при трении и
связывание трещины усом/стержнем карбида кремния внутри керамики Al₂O₃.

При выталкивании совершается трение, что затрудняет распространение трещины (увеличивая трещиностойкость). Однако, большие по размеру армирующие среды ведут к большим колебаниям, что приводит к снижению прочности – классический взаимообмен трещиностойкость-прочность в керамических композитах. В случае армирования керамики ОУНТ происходит то, что они в виде сплетённых нитей располагаются пучками по границам зёрен (рис. 4).

Рис. 4. А – Иллюстрация композита керамика/ОУНТ с межзёренной трещиной.
В – детальное 3d изображение раздёлённых керамических зёрен (жёлтые) и
связывание трещины пучками ОУНТ. С и D – СЭМ изображения трещин в композитах Al₂O₃/ОУНТ и Si₃N₄/ОУНТ.

При растрескивании керамики пучки ОУНТ вытягиваются и образуют своеобразные мостики, препятствующие трещинообразованию.

В настоящее время потенциальный предел повышения рабочих температур двигателей из жаропрочных металлических сплавов практически исчерпан. Уровень прочностных свойств ряда керамических материалов, в первую очередь карбида и нитрида кремния, сохраняется при температурах, на 200-400 °С более высоких по сравнению с суперсплавами. В Японии в 1978 г. была принята программа «Лунный свет», по которой, температура на выходе в турбину двигателя должна составить 1500 °С. Требуемый уровень свойств керамических материалов: предел прочности при изгибе (трёхточечный метод измерения) при комнатной температуре – более 980 МПа, при 1500 °С – более 590 МПа, при комнатной температуре после окисления на воздухе при 1500 °С в течение 1000 ч – более 490 МПа. Были разработаны технологические варианты получения изделий сложной формы и повышенной плотности. Первый вариант – спекание без добавления порошка нитрида кремния с активирующими добавками Y₂O₃ и Al₂O₃ – даёт возможность получить детали с относительной плотностью 0,96 от теоретической и прочностью более 600 МПа. По другому варианту изделия подвергаются горячему прессованию, при этом пористость практически исчезает и достигается прочность 700 МПа [4].

Сильная ковалентная связь способствует высокой температуре плавления, модулю упругости и твёрдости материалов семейства высокотемпературных керамик. Высокоотрицательные свободные энергии образования также влияют на большую химическую и термическую стабильность во многих состояниях высокотемпературных керамик [5].

1 | 2 | 3 | 4