کامپوزیت های زمینه سرامیکی نوعی کامپوزیت با سرامیک به عنوان تقویت کننده و ماده ماتریس هستند. تقویت کننده خواص ویژه خود را فراهم می کند در حالی که ماده ماتریس همه چیز را با هم نگه می دارد. این کامپوزیت ها برای کاربردهایی با نیازهای حرارتی و مکانیکی مورد نیاز، مانند وسایل نقلیه هوافضا، صنایع هسته ای، حمل و نقل زمینی، سازه های فضایی و صنایع شیمیایی توسعه یافته اند. [1].

کامپوزیت های زمینه سرامیکی چیست؟

کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) به طور کلی از الیاف سرامیکی یا سبیل های تعبیه شده در یک زمینه سرامیکی ساخته می شوند. این سرامیک‌ها طیف متنوعی از مواد معدنی را پوشش می‌دهند که معمولاً غیرفلزی هستند و معمولاً در دماهای بالا استفاده می‌شوند. سرامیک ها را می توان به دو دسته طبقه بندی کرد [1]:

• سرامیک های سنتی یا معمولی – که معمولاً به صورت یکپارچه هستند. آنها شامل کاشی، آجر، سفال و طیف وسیعی از مواد هنری هستند.
• سرامیک های پیشرفته یا با کارایی بالا – که اغلب تحت پردازش شیمیایی قرار می گیرند تا تولید شوند. اینها شامل نیتریدها، اکسیدها و کاربیدهای آلومینیوم، سیلیکون، زیرکونیوم و تیتانیوم است.

مواد تقویت کننده CMC

مواد تقویت کننده مورد استفاده برای کامپوزیت های زمینه سرامیکی شامل کربن، آلومینا، کاربید سیلیکون و آلومینا سیلیس است. الیاف نسوز می تواند به شکل سبیل، ذرات، الیاف بلند یا کوتاه و نانوالیاف باشد. این الیاف ساختار پلی کریستالی مشابه سرامیک های معمولی دارند.

الیاف پیوسته یا بلند چقرمگی بهتری را فراهم می‌کنند، زیرا می‌توانند بار را حتی پس از ترک خوردگی سطح سرامیکی تحمل کنند، بنابراین سرعت انتشار ترک را کاهش می‌دهند. از طرف دیگر الیاف کوتاه و سبیل ها مقاومت بهتری در برابر رشد ترک می دهند. این باعث می‌شود کامپوزیت‌ها نسبت به نقص‌ها حساسیت کمتری داشته باشند، اما زمانی که ترک شروع به انتشار کند، شکست می‌تواند فاجعه‌بار باشد. [2].

مواد ماتریس CMC

مواد ماتریسی مورد استفاده مانند تقویت‌کننده‌های ذکر شده در بالا هستند، با افزودن سرامیک‌های غیر اکسیدی و با دمای فوق‌العاده (UHT) که برای کاربردهای خاص استفاده می‌شوند. سرامیک های پیشرفته معمولاً در تولید کامپوزیت های زمینه سرامیکی برای غلبه بر معایب اصلی سرامیک های سنتی استفاده می شوند. یعنی شکنندگی آنها. متداول ترین CMC های مورد استفاده CMC های غیر اکسیدی مانند کاربید کربن/سیلیکون (C/SiC)، کربن/کربن (C/C) و کاربید سیلیکون/کاربید سیلیکون (SiC/SiC) هستند. به طور کلی، نام آنها به دنبال این است نوع مواد فیبر/نوع مواد ماتریسی ساختار [1].

خواص کامپوزیت های زمینه سرامیکی

سرامیک های معمولی مقاومت در برابر شوک حرارتی و چقرمگی شکست کم دارند. این اشکالات با استفاده از تقویت کننده الیاف در کامپوزیت های زمینه سرامیکی برطرف می شود.

خواص متداول کامپوزیت های زمینه سرامیکی عبارتند از [3]:

• مقاومت در برابر شوک حرارتی و خزش بالا
• مقاومت در برابر دمای بالا
• مقاومت عالی در برابر خوردگی و سایش
• بی اثر بودن در برابر مواد شیمیایی تهاجمی
• استحکام کششی و فشاری بالا، بنابراین در مقایسه با سرامیک های معمولی شکست ناگهانی ندارد
• افزایش چقرمگی شکست به دلیل تقویت
• سبک وزن به دلیل کاهش تراکم
• حفظ استحکام بالا در دماهای بالا

تولید کامپوزیت های زمینه سرامیکی

کامپوزیت های زمینه سرامیکی با استفاده از الیاف سرامیکی با ضخامت 3 تا 20 میکرومتر ساخته می شوند. قطر کوچک باعث انعطاف پذیری الیاف (معمولاً به صورت نخ تولید می شود) در صورت نیاز به پردازش نساجی بیشتر می شود. پریفرم CMC از الیاف با ساختار نساجی الیاف پیوسته از طریق بافندگی، قیطاندن و بافندگی یا با برش نخ ها و تشکیل دسته های الیاف کوتاه ساخته می شود.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته معمولاً با روش های نفوذی ساخته می شوند که در آن یک ماتریس سرامیکی توسط سیالی که به ساختار فیبری نفوذ می کند تشکیل می شود. تبدیل سیال به سرامیک بسته به نوع سیال مورد استفاده و فرآیندهای مربوطه متفاوت است. برخی از تکنیک های نفوذ به شرح زیر است [3]، [4]:

• نفوذ سیلیسیم مایع (LSI)
• نفوذ پلیمری و پیرولیز (PIP)
• نفوذ دوغاب سرامیکی (CSI)
• نفوذ بخار شیمیایی (CVI)
• نفوذ مذاب واکنشی (RMI)

کاربرد کامپوزیت های زمینه سرامیکی

کاربردهای رایج کامپوزیت های زمینه سرامیکی عبارتند از [4]:

• مبدل های حرارتی و اجزای مشعل
• اجزای توربین گاز – اینها شامل پره های توربین، محفظه های احتراق، پره های استاتور و موتورهای توربین است که در آن الیاف کاربید سیلیکون پوشش داده شده در یک ماتریس سرامیکی برای ایجاد مقاومت در برابر دما، چقرمگی و چگالی کم تعبیه شده است.
• صنعت هوافضا – از جمله فلاپ‌های بدنه، کفن‌ها و محافظ شاتل فضایی، که در آن کاشی‌های سرامیکی پوشش داده شده از گرمای شدید محافظت می‌کنند.
• سیستم های اگزوز موتور – از جمله نازل های اگزوز سرامیکی برای هواپیماهای تجاری برای افزایش عمر قطعات و کاهش وزن و صدای موتور.
• وسایل نقلیه مافوق صوت – اینها از مواد ساختاری مانند سرامیک های با دمای فوق العاده بالا استفاده می کنند که نامزدهای خوبی برای مناطق با شار حرارتی بالا هستند.
• صنعت برق هسته ای – از جمله ساختارهای راکتور داخلی ساخته شده از کامپوزیت های فاز MAX که می توانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند و دارای تحمل آسیب مکانیکی بالا و سازگاری شیمیایی خوب با خنک کننده هایی مانند سدیم و سرب مذاب هستند.

[1] KK Chawla، 1993، کامپوزیت های ماتریس سرامیکی، لندن: چپمن و هال

[2] “کامپوزیت های ماتریس سرامیکی چیست؟”، 2018، از: https://llfurnace.com/blog/what-are-ceramic-matrix-composites/

[3] “کامپوزیت های ماتریس سرامیکی – جایگزینی برای چالش های ساخت و ساز”، 2013، برنامه های کاربردی سرامیک، pp.45-9.

[4] IM Low، 2018، پیشرفت‌ها در کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی، انگلستان: انتشارات Woodhead