металлокерамика

Кермет , это композиционный материал из керамики состоящий и металлов . –

Кермет может сочетать в себе привлекательные свойства как керамики, такие как устойчивость к высоким температурам и твердость, так и свойства металла, такие как способность подвергаться пластической деформации . Металл используется в качестве связующего для оксида , борида или карбида . Обычно в качестве металлических элементов используются никель , молибден и кобальт . В зависимости от физической структуры материала керметы также могут представлять собой композиты с металлической матрицей , но керметы обычно содержат менее 20% металла по объему.

Керметы используются при производстве резисторов (особенно потенциометров ), конденсаторов и других электронных компонентов, которые могут подвергаться воздействию высоких температур.

Керметы используются вместо карбида вольфрама в пилах и других напаянных инструментах из-за их превосходных износостойких и коррозионных свойств. Нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN), карбид титана можно паять, как карбид вольфрама (TiC) и аналогичные материалы при правильной подготовке , однако они требуют особого обращения во время шлифования.

Композиты MAX-фаз , нового класса тройных карбидов или нитридов со алюминия или титана сплавами , изучаются с 2006 года как ценные материалы, демонстрирующие благоприятные свойства керамики с точки зрения твердости и прочности на сжатие, а также пластичности и вязкости разрушения, обычно присущих металлам. Такие металлокерамические материалы, в том числе фазовые композиты алюминий-МАКС, ^[1] имеют потенциальное применение в автомобильной и аэрокосмической промышленности. ^[2]^[1]

противостоят высокоскоростным ударам микрометеороидов и орбитального мусора Некоторые типы металлокерамики также рассматриваются для использования в качестве защиты космических кораблей, поскольку они гораздо эффективнее , чем более традиционные материалы для космических кораблей, такие как алюминий и другие металлы.

История [ править ]

Источник: ^[3]

После Второй мировой войны необходимость разработки материалов, устойчивых к высоким температурам и нагрузкам, стала очевидной. Во время войны немецкие ученые разработали металлокерамику на оксидной основе в качестве заменителя сплавов. Они увидели в этом применение для высокотемпературных секций новых реактивных двигателей, а также высокотемпературных лопаток турбин. Сегодня керамику обычно используют в камерах сгорания реактивных двигателей, поскольку она обеспечивает термостойкую камеру. Также были разработаны керамические турбинные лопатки. Эти лезвия легче (менее массивны), чем стальные, и обеспечивают большее ускорение вращения («время раскручивания») узлов лезвий.

ВВС США увидели потенциал в технологии материалов и стали одним из главных спонсоров различных исследовательских программ в США. Одними из первых университетов, начавших исследования, были Университет штата Огайо , Университет Иллинойса и Университет Рутгерса .

Слово «кермет» на самом деле было придумано ВВС США , идея заключалась в том, что они представляют собой комбинацию двух материалов: металла и керамики . К основным физическим свойствам металлов относятся пластичность , высокая прочность и высокая теплопроводность . Керамика обладает основными физическими свойствами, такими как высокая температура плавления , химическая стабильность и особенно стойкость к окислению .

В первом разработанном металлокерамическом материале использовались оксид магния (MgO), оксид бериллия (BeO) и оксид алюминия (Al ₂ O ₃ для керамической части ). Особое внимание уделяется прочности на разрыв при высоких нагрузках при температуре около 980 °C. ^[4] Университет штата Огайо был первым, кто разработал керметы на основе Al ₂ O ₃ с высокой прочностью на разрыв при температуре около 1200 °C. Kennametal , металлообрабатывающая и инструментальная компания, расположенная в Латробе, штат Пенсильвания , США, разработала первый кермет из карбида титана с давлением 19 мегапаскалей (2800 фунтов на квадратный дюйм) и прочностью на разрыв в течение 100 часов при температуре 980 °C. Реактивные двигатели работают при этой температуре, и были вложены дополнительные исследования по использованию этих материалов для изготовления компонентов.

Контроль качества при производстве этих металлокерамических композитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось вести небольшими партиями, и внутри этих партий свойства сильно различались. Разрушение материала обычно было результатом необнаруженных дефектов, обычно возникающих во время обработки.

Существующая технология в 1950-х годах достигла предела для реактивных двигателей, и мало что можно было улучшить. Впоследствии производители двигателей неохотно разрабатывали металлокерамические двигатели.Интерес возобновился в 1960-х годах, когда к нитриду и карбиду кремния стали присматриваться более внимательно. Оба материала обладали лучшей термостойкостью, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.

Производство металлокерамики, Helipot Division компании Beckman Instruments г. 1966 ,

1. Взвешивание стеатитовых ингредиентов
2. Процесс грануляции стеатита
3. Прессование стеатитовой стружки
4. Высокотемпературный обжиг стеатитовой крошки.
5. Потенциометр Beckman Model 61 (металлокерамический экран).
6. Окончательный обжиг металлокерамики.
7. Проверка электрического сопротивления
8. Окончательная сборка

^[5]

Приложения [ править ]

Соединения и уплотнения керамика-металл [ править ]

Керметы впервые широко использовались в соединениях керамики с металлом. Изготовление электронных ламп было одной из первых критически важных систем, когда электронная промышленность использовала и разрабатывала такие уплотнения. Немецкие ученые признали, что электронные лампы с улучшенными характеристиками и надежностью можно производить, заменив стекло керамикой. Керамические трубки могут выделять газ при более высоких температурах. Благодаря высокотемпературному уплотнению керамические трубки выдерживают более высокие температуры, чем стеклянные. Керамические трубки также механически прочнее и менее чувствительны к тепловому удару, чем стеклянные трубки. ^[6] Сегодня металлокерамические покрытия вакуумных трубок оказались ключевыми для солнечных систем горячего водоснабжения.

керамика-металл механические уплотнения Также используются . Традиционно они использовались в топливных элементах и других устройствах, преобразующих химическую, ядерную или термоэлектронную энергию в электричество. Уплотнение «керамика-металл» требуется для изоляции электрических частей турбогенераторов, предназначенных для работы в агрессивных парах жидкого металла. ^[6]

Биокерамика [ править ]

Биокерамика играет обширную роль в биомедицинских материалах. Развитие этих материалов и разнообразие технологий производства расширили возможности их применения в организме человека. Они могут быть в виде тонких слоев на металлических имплантатах, композитов с полимерным компонентом или даже просто пористых сеток. Эти материалы хорошо работают в организме человека по нескольким причинам. Они инертны, а поскольку они рассасываются и активны, материалы могут оставаться в организме в неизмененном виде. Они также могут растворяться и активно принимать участие в физиологических процессах, например, когда гидроксилапатит , материал, химически аналогичный структуре кости, может интегрироваться и помогать кости врастать в нее. Обычные материалы, используемые для биокерамики, включают оксид алюминия, диоксид циркония, фосфат кальция, стеклокерамику и пиролитический углерод.

Одним из важных применений биокерамики является операция по замене тазобедренного сустава . Материалами, используемыми для замены тазобедренных суставов, обычно были металлы, такие как титан , а тазобедренный сустав обычно был покрыт пластиком. Многоосный шар представлял собой прочный металлический шар, но в конечном итоге был заменен более долговечным керамическим шаром. Это уменьшило шероховатость металлической стенки по отношению к пластиковой облицовке искусственного тазобедренного сустава. Использование керамических имплантатов продлило срок службы запасных частей тазобедренного сустава. ^[7]

Стоматологические металлокерамики также используются в стоматологии как материал для пломб и протезов.

Транспорт [ править ]

Керамические детали использовались вместе с металлическими деталями в качестве фрикционных материалов для тормозов и сцеплений . ^[6]

Электрические обогреватели [ править ]

Металлокерамики используются в качестве нагревательных элементов в электронагревателях сопротивления . Одна из технологий изготовления начинается с использования металлокерамического материала в виде чернил, которые печатаются на подложке, а затем отверждаются при нагревании. Эта технология позволяет изготавливать нагревательные элементы сложной формы. Примеры применения металлокерамических нагревательных элементов включают нагреватели термостатов, источники тепла для стерилизации бутылок, подогреватели графинов для кофе, нагреватели для управления духовкой и нагреватели фьюзера лазерных принтеров. ^[8]

Другие приложения [ править ]

Армия США и Британская армия провели обширные исследования в области разработки металлокерамики. К ним относятся разработка легкой керамической пуленепробиваемой брони для солдат, а также брони Чобхэма .

Керметы также используются при механической обработке режущих инструментов .

Металлокерамика также используется в качестве материала колец в высококачественных лесопроводах для удочек.

Металлокерамика из обедненного делящегося материала (например, урана , плутония ) и содалита была исследована на предмет ее преимуществ при хранении ядерных отходов. ^[9] Подобные композиты также исследовались на предмет использования в качестве топлива для ядерных реакторов. ^[10] и ядерные тепловые ракеты . ^{[ нужна ссылка ]}

В качестве наноструктурированного кермета этот материал используется в оптической области, например, в качестве поглотителей солнечной энергии/ селективной поверхности . Благодаря размеру частиц (~ 5 нм) на металлических частицах генерируются поверхностные плазмоны, которые обеспечивают передачу тепла.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Ханаор, ДАХ; Ху, Л.; Кан, Вашингтон; Пруст, Г.; Фоли, М.; Караман, И.; Радович, М. (2016). «Сопротивление сжатию и распространение трещин в композитах сплав Al/Ti ₂ AlC». Материаловедение и инженерия А. 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . дои : 10.1016/j.msea.2016.06.073 . S2CID 201645244 .
^ Бинчу, М.; Мин, Ю.; Цзяоцюнь З. и Вейбинг З. (2006). «Получение композитов TiAl/Ti2AlC с порошками Ti/Al/C методом горячего прессования in situ». Журнал Уханьского технологического университета-Матер. Наука . 21 (2): 14–16. дои : 10.1007/BF02840829 . S2CID 135148379 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
↑ Тинклепо, Джеймс Р.: «Керметы», Reinhold Publishing Corporation, 1960.
^ Металлургические концепции, «Ползучесть и разрушение под напряжением». «Ползучесть и стрессовый разрыв» . Архивировано из оригинала 5 января 2007 г. Проверено 12 декабря 2006 г.
^ «Изготовление металлокерамического триммера». Helinews (36 Весна). Инструменты Бекмана: 4–5. 1966.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с Патти, HE «Соединение керамики и графита с другими материалами, отчет». Управление использования технологий Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Вашингтон, округ Колумбия, 1968 г.
^ Design Fax Online, «Гибридный тазобедренный сустав». «Конструктор медицинского оборудования — идеи применения: гибридный тазобедренный сустав и печень из поликарбоната» . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 г. Проверено 7 декабря 2006 г.
^ Лемон, Тодд Дж. (сентябрь 1995 г.). «Печатные толстопленочные обогреватели». Производитель бытовой техники . 43 (9). Троя: 32. ISSN 0003-679X .
^ http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000532000001000089000001&idtype=cvips&gifs=yes ^{[ мертвая ссылка ]}
^ «Приготовление композиционного топлива на основе карбида кремния и оксида урана методами полимерной инфильтрации и пиролиза» . Архивировано из оригинала 26 ноября 2007 г. Проверено 11 октября 2007 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Тинклепо, Джеймс Р. (1960). Металлокерамика . Нью-Йорк: Издательская корпорация Рейнхольд. АСИН B0007E6FO4.

Внешние ссылки [ править ]

Обзор пятидесяти лет программ разработки космического ядерного топлива (не работает)

[maxcom-1] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Ханаор, ДАХ; Ху, Л.; Кан, Вашингтон; Пруст, Г.; Фоли, М.; Караман, И.; Радович, М. (2016). «Сопротивление сжатию и распространение трещин в композитах сплав Al/Ti ₂ AlC». Материаловедение и инженерия А. 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . дои : 10.1016/j.msea.2016.06.073 . S2CID 201645244 .

[2] Бинчу, М.; Мин, Ю.; Цзяоцюнь З. и Вейбинг З. (2006). «Получение композитов TiAl/Ti2AlC с порошками Ti/Al/C методом горячего прессования in situ». Журнал Уханьского технологического университета-Матер. Наука . 21 (2): 14–16. дои : 10.1007/BF02840829 . S2CID 135148379 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[JRT-3] Тинклепо, Джеймс Р.: «Керметы», Reinhold Publishing Corporation, 1960.

[4] Металлургические концепции, «Ползучесть и разрушение под напряжением». «Ползучесть и стрессовый разрыв» . Архивировано из оригинала 5 января 2007 г. Проверено 12 декабря 2006 г.

[5] «Изготовление металлокерамического триммера». Helinews (36 Весна). Инструменты Бекмана: 4–5. 1966.

[joining-6] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с Патти, HE «Соединение керамики и графита с другими материалами, отчет». Управление использования технологий Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Вашингтон, округ Колумбия, 1968 г.

[7] Design Fax Online, «Гибридный тазобедренный сустав». «Конструктор медицинского оборудования — идеи применения: гибридный тазобедренный сустав и печень из поликарбоната» . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 г. Проверено 7 декабря 2006 г.

[8] Лемон, Тодд Дж. (сентябрь 1995 г.). «Печатные толстопленочные обогреватели». Производитель бытовой техники . 43 (9). Троя: 32. ISSN 0003-679X .

[9] ttp://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000532000001000089000001&idtype=cvips&gifs=yes ^{[ мертвая ссылка ]}

[10] «Приготовление композиционного топлива на основе карбида кремния и оксида урана методами полимерной инфильтрации и пиролиза» . Архивировано из оригинала 26 ноября 2007 г. Проверено 11 октября 2007 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]