Materiales compuestos de matriz ceramica

 Materiales compuestos de matriz ceramica

La motivación para desarrollar CMC fue superar los problemas asociados con las cerámicas técnicas convencionales como alúmina , carburo de silicio , nitruro de aluminio , nitruro de silicio o zirconia ; se fracturan fácilmente bajo cargas mecánicas o termomecánicas debido a grietas iniciadas por pequeños defectos o raspaduras. La resistencia al agrietamiento es muy baja, como en el vidrio. Para aumentar la resistencia al agrietamiento o la tenacidad a la fractura , se incrustó en la matriz partículas (los llamados bigotes o plaquetas monocristalinos ).

Sin embargo, la mejora fue limitada y los productos han encontrado aplicación solo en algunas herramientas de corte de cerámica. Hasta ahora, solo la integración de fibras largas de múltiples hebras ha aumentado drásticamente la resistencia al agrietamiento, el alargamiento y la resistencia al choque térmico , y ha dado lugar a varias aplicaciones nuevas. Los refuerzos utilizados en los compuestos de matriz cerámica (CMC) sirven para mejorar la tenacidad a la fractura del sistema de material combinado mientras se aprovechan la alta resistencia inherente y el módulo de Young de la matriz cerámica. La realización de refuerzo más común es una fibra cerámica de longitud continua, con un módulo elástico que es típicamente algo más bajo que la matriz

 Se diferencian de las cerámicas convencionales en las siguientes propiedades, que se presentan con más detalle a continuación:

• Alargamiento a la rotura hasta 1%
• Dureza a la fractura fuertemente incrementada
• Resistencia extrema al choque térmico
• Capacidad de carga dinámica mejorada
• Propiedades aniso trópicas siguiendo la orientación de las fibras.

Fabricación

Los procesos de fabricación suelen constar de los siguientes tres pasos:

1. Lay-up y fijación de las fibras, con la forma del componente deseado
2. Infiltración del material de la matriz
3. Mecanizado final y, en caso necesario, tratamientos posteriores como recubrimiento o impregnación de la porosidad intrínseca .

El primer y el último paso son casi iguales para todas las CMC: en el paso uno, las fibras, a menudo denominadas mechas, se colocan y fijan utilizando técnicas utilizadas en materiales plásticos reforzados con fibras, como el laminado de telas , enrollado de filamentos, trenzado y anudado . El resultado de este procedimiento se denomina preforma de fibra o simplemente preforma .

Para el segundo paso, se utilizan cinco procedimientos diferentes para rellenar la matriz cerámica entre las fibras de la preforma:

1. Deposición de una mezcla de gases
2. Pirólisis de un polímero precerámico
3. Reacción química de elementos
4. Sinterización a una temperatura relativamente baja en el rango de 1,000–1,200 ° C (1,830–2,190 ° F)
5. Deposición electroforética de un polvo cerámico

Los procedimientos uno, dos y tres encuentran aplicaciones con CMC sin óxido, mientras que el cuarto se utiliza para CMC con óxido; También se practican combinaciones de estos procedimientos. El quinto procedimiento aún no está establecido en los procesos industriales. Todos los procedimientos tienen sub-variaciones, que difieren en detalles técnicos. Todos los procedimientos producen un material poroso.

El tercer y último paso del mecanizado (rectificado , taladrado , lapeado o fresado ) debe realizarse con herramientas de diamante. Las CMC también se pueden procesar con un chorro de agua , láser o mecanizado ultrasónico .

Propiedades

Esquema de puentes de fisuras en la punta de fisuras de composites cerámicos.

Propiedades mecánicas

Mecanismo básico de propiedades mecánicas.

La alta tenacidad a la fractura o resistencia al agrietamiento mencionada anteriormente es el resultado del siguiente mecanismo: bajo carga, la matriz cerámica se agrieta, como cualquier material cerámico, con un alargamiento de aproximadamente 0,05%.

Otras propiedades mecánicas

En muchos componentes de CMC, las fibras están dispuestas como telas de tejido liso o satinado apiladas bidimensionales (2D) . Por tanto, el material resultante es anisotrópico o, más específicamente, ortotrópico . Una grieta entre las capas no está cubierta por fibras. Por lo tanto, la resistencia al corte interlaminar (ILS) y la resistencia perpendicular a la orientación de la fibra 2D son bajas para estos materiales. La delaminación puede ocurrir fácilmente bajo ciertas cargas mecánicas. Las estructuras de fibras tridimensionales pueden mejorar esta situación (ver micrografía arriba).

Material	CVI-C / SiC	LPI-C / SiC	LSI-C / SiC	CVI-SiC / SiC
Resistencia al corte interlaminar (MPa)	45	30	33	50
Resistencia a la tracción vertical al plano de la tela (MPa)	6	4	-	7
Resistencia a la compresión vertical al plano de la tela (MPa)	500	450	-	500

Las resistencias a la compresión que se muestran en la tabla son inferiores a las de las cerámicas convencionales, donde los valores superiores a 2000 MPa son habituales; esto es el resultado de la porosidad.

Propiedades térmicas y eléctricas

Las propiedades térmicas y eléctricas del material compuesto son el resultado de sus componentes, a saber, fibras, matriz y poros, así como de su composición. La orientación de las fibras produce datos anisotrópicos. Las CMC de óxido son muy buenos aislantes eléctricos y, debido a su alta porosidad, su aislamiento térmico es mucho mejor que el de las cerámicas de óxido convencionales.

El uso de fibras de carbono aumenta la conductividad eléctrica , siempre que las fibras entren en contacto entre sí y con la fuente de voltaje. La matriz de carburo de silicio es un buen conductor térmico. Eléctricamente, es un semiconductor y, por lo tanto , su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. En comparación con el SiC (poli) cristalino, las fibras de SiC amorfas son conductores relativamente pobres de calor y electricidad.

Material	CVI-C / SiC	LPI-C / SiC	LSI-C / SiC	CVI-SiC / SiC	SiSiC
Conductividad térmica (p) [W / (m · K)]	15	11	21	18	> 100
Conductividad térmica (v) [W / (m · K)]	7	5	15	10	> 100
Expansión lineal (p) [10 −6 · 1 / K]	1.3	1.2	0	2.3	4
Expansión lineal (v) [10 −6 · 1 / K]	3	4	3	3	4
Resistividad eléctrica (p) [Ω · cm]	-	-	-	-	50
Resistividad eléctrica (v) [Ω · cm]	0.4	-	-	5	50

 

Propiedades de corrosión

Los datos sobre el comportamiento a la corrosión de las CMC son escasos, excepto por la oxidación a temperaturas superiores a 1000 ° C. Estas propiedades están determinadas por los componentes, a saber, las fibras y la matriz. Los materiales cerámicos, en general, son muy estables a la corrosión. El amplio espectro de técnicas de fabricación con diferentes aditivos de sinterización, mezclas, fases vítreas y porosidades son cruciales para los resultados de las pruebas de corrosión. Menos impurezas y una estequiometría exacta conducen a una menor corrosión. Las estructuras amorfas y los productos químicos no cerámicos que se utilizan con frecuencia como coadyuvantes de sinterización son puntos de partida del ataque corrosivo.

Alúmina

La alúmina pura muestra una excelente resistencia a la corrosión contra la mayoría de los productos químicos. Las fases de vidrio amorfo y sílice en los límites de los granos determinan la velocidad de corrosión en ácidos y bases concentrados y dan como resultado fluencia a altas temperaturas. Estas características limitan el uso de alúmina. Para metales fundidos, la alúmina se usa solo con oro y platino.

Fibras de alúmina

Estas fibras muestran propiedades de corrosión similares a las de la alúmina, pero las fibras disponibles comercialmente no son muy puras y, por lo tanto, menos resistentes. Debido a la fluencia a temperaturas superiores a 1000 ° C, hay solo unas pocas aplicaciones para CMC de óxido.

Carbón

La corrosión más significativa del carbono ocurre en presencia de oxígeno por encima de aproximadamente 500 ° C (932 ° F). Se quema para formar dióxido de carbono y / o monóxido de carbono . También se oxida en agentes oxidantes fuertes como el ácido nítrico concentrado . En metales fundidos, se disuelve y forma carburos metálicos . Las fibras de carbono no se diferencian del carbono en su comportamiento frente a la corrosión.

Carburo de silicio

El carburo de silicio puro es uno de los materiales más resistentes a la corrosión. Solo las bases fuertes, el oxígeno por encima de aproximadamente 800 ° C (1470 ° F) y los metales fundidos reaccionan con él para formar carburos y siliciuros . La reacción con oxígeno forma SiOy CO, donde una capa superficial de SiO ralentiza la oxidación posterior ( oxidación pasiva ). Las temperaturas por encima de aproximadamente 1600 ° C (2910 ° F) y una presión parcial de oxígeno baja dan como resultado la llamada oxidación activa , en la que CO, COy SiO gaseoso se forman provocando una rápida pérdida de SiC. Si la matriz de SiC se produce de otra forma que no sea CVI, la resistencia a la corrosión no es tan buena

Fibras de carburo de silicio

Las fibras de carburo de silicio se producen mediante pirólisis de polímeros orgánicos y, por lo tanto, sus propiedades de corrosión son similares a las del carburo de silicio que se encuentra en las matrices LPI. Por tanto, estas fibras son más sensibles a las bases y medios oxidantes que el carburo de silicio puro.

Aplicaciones

Los materiales CMC superan las principales desventajas de las cerámicas técnicas convencionales, a saber, rotura por fragilidad y baja tenacidad a la rotura, y resistencia limitada al choque térmico. Por lo tanto, sus aplicaciones se encuentran en campos que requieren confiabilidad a altas temperaturas (más allá de la capacidad de los metales) y resistencia a la corrosión y al desgaste. ^[22] Estos incluyen:

• Sistemas de protección térmica para vehículos espaciales , necesarios durante la fase de reentrada , donde se producen altas temperaturas, condiciones de choque térmico y fuertes cargas de vibraciones.
• Componentes para turbinas de gas de alta temperatura como cámaras de combustión , álabes de estator y álabes de turbina .
• Componentes para quemadores , porta llama y conductos de gas caliente, donde el uso de CMC de óxido se ha abierto camino.
• Discos de freno y componentes del sistema de frenos, que experimentan un choque térmico extremo (mayor que arrojar una parte brillante de cualquier material al agua).
• Componentes para cojinetes deslizantes sometidos a cargas pesadas que requieren una alta resistencia a la corrosión y al desgaste.

Otras aplicaciones y desarrollos

• Aletas de control de empuje para motores a reacción militares ^[46]
• Componentes para reactores de fusión y fisión ^[47]
• Sistemas de fricción para diversas aplicaciones ^[48]
• Aplicaciones nucleares ^[49]
• tratamiento térmico, alta temperatura, dispositivos de soldadura