کامپوزیت های اکسید- اکسید (1)

نیاز به مواد مقاوم در برابر اکسیداسیون و با تحمل دماهای بالا، موجب شده است تا تحقیقات در زمینه ی کامپوزیت های اکسید- اکسید گسترده تر شود. این مواد نیازمند این هستند که دارای یک مکانیزم برای ایجاد انحراف در ترک باشند تا بدین صورت از ایجاد شکست ترد در ماده جلوگیری شود. اثبات شده است که هم پوشش سطح مشترک و هم زمینه ی متخلخل به طور موفقیت آمیز می تواند این عملکرد را انجام دهد. کامپوزیت های دارای پوشش های سطح مشترک هنوز هم در مرحله ی تحقیقات است در حالی که مواد زمینه ای متخلخل، هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند. یک بررسی بر روی خواص کامپوزیت های با زمینه ی متخلخل به همراه اطلاعاتی در مورد تکنولوژی کامپوزیت های اکسید- اکسید، در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در این مقاله، کاربردهای بالقوه، موضوعات تحقیقاتی کنونی و محرک های آینده ی این زمینه ی تحقیقاتی، مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسی بر روی کامپوزیت های اکسید- اکسید دما بالا (با تحمل دمایی بالاتر از 1000℃) تمرکز دارد.

مقدمه

پیشرفت تکنولوژی هوافضا موجب ایجاد محرک در زمینه ی کار بر روی مواد ساختاری شده است که دارای ظرفیت گرمایی مناسبی هستند. برای مثال، تمام انواع مزیت های مهندسی از لحاظ ترمودینامیکی در زمانی ایجاد می شود که مواد امکان کار در دماهای احتراقی بالاتر را فراهم آورد و الزامات مربوط به خنک سازی را کاهش دهد. علاوه بر این، طراحی های آینده ی وسایل فضایی به طور قابل توجهی از سیستم های محافظت گرمایی بهره می برند. سرامیک های تقویت شده با الیاف پیوسته (CFCC) و کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی تقویت شده با الیاف اکسیدی (CFMC) عملکرد گرمایی مناسبی دارند که بیشتر از حد تحمل فلزات دما بالا می باشد. همچنین میزان تخریب این مواد نسبت به مواد مونولیتیک تا حد زیادی کمتر است. پیشرفته ترین کامپوزیت های کنونی بر اساس الیاف SiC تولید می شوند و مواد قدرتمندی هستند اما عمر مفید آنها نیز در نهایت، به دلیل خطر اکسیداسیون، محدود است. پایداری محیطی فوق العاده و البته در صورت کاهش اندکی در کارایی مکانیکی، می تواند با استفاده از ترکیبات اکسیدی، بدست آیند. علاوه بر این، الیاف اکسیدی و برخی از کامپوزیت های اکسیدی همچنین دارای مزیت هزینه ای قابل توجه نسبت به کامپوزیت های بر پایه ی SiC هستند. در نهایت، دو نوع از کامپوزیت ها، دارای نقاط قوت خوبی هستند و هر کدام برای استفاده های خاص، مناسب هستند. کاربردهای بالقوه ی مربوط به کامپوزیت های اکسید- اکسید، به طور خلاصه در بخش های بعدی این مقاله، بحث می شود.
نیاز اساسی مربوط به یک کامپوزیت سخت، عبارتست از اجزای تردی که بر اساس ویژگی هایشان، ترک هایی که در زمینه ایجاد می شوند، در داخل الیاف گسترش نمی یابند و بدین صورت ترد منحرف گشته و این منحرف شدن با جدایش پیوند فیبر- زمینه، ایجاد می شود. در واقع این نیاز است که قبل از شکستن الیاف، اطراف فیبر و زمینه و سطح مشترک آنها تحت فشار قرار گیرد. بیشتر کامپوزیت های اکسیدی موجود، بر تخریب سطح مشترک فیبر- زمینه، تکیه دارد. این مسئله موجب تمرکز تنش بر روی فیبر می شود و موجب شکسته شدن آن می شود. ضرورتاً تمام کامپوزیت های اکسیدی کنونی، از زمینه ی متخلخل بهره می برند. به هر حال، کنترل سطح مشترک فیبر- زمینه که با اعمال پوشش اکسیدی ایجاد می شود، روش مطمئن محسوب می شود. این موضوعات در بخش های بعدی بحث خواهد شد.
پایداری محیطی فوق العاده ی مربوط به کامپوزیت های اکسیدی عموماً با کاهش خواص مکانیکی این کامپوزیت ها، همراه است (در مقایسه با کامپوزیت های سرامیکی غیر اکسیدی). این مسئله به طور خاص برای مقاومت به خزش، صحیح می باشد. از آنجایی که این ویژگی یک ویژگی محدود کننده ی عمر قطعه در بسیاری از کاربردهای دما بالاست، این مسئله یکی از دغدغه های مهم می باشد. علاوه بر این، اکسیدها، دارای انبساط گرمایی بسیار پایین تری نسبت به سرامیک های بر پایه ی سیلیکون هستند و همچنین رسانایی گرمایی آنها نیز پایین است. در نتیجه، کرنش های گرمایی در کامپوزیت های غیر اکسیدی، بزرگتر است. تا حدی نیز مدول الاستیک پایین تری دارند اما به طور نمونه وار استحکام این کامپوزیت ها نیز پایین تر است. از این رو، طراحی اجزا در حالت گرادیان گرمایی و حالت گذار مورد استفاده قرار می گیرد و بدین صورت، باید توجه بیشتری به این موضوعات معطوف گردد. به هر حال، جای بیشتری به منظور بهبود تمام اجزا و بهبود خواص در آینده ی نزدیک، وجود دارد. خواص مکانیکی به طور خلاصه در بخش های بعدی، مورد بحث قرار می گیرد.
موضوعات بیشماری در ارتباط با فرآوری کامپوزیت های سرامیکی، وجود دارد. وظیفه ی نفوذ و استحکام بخشی به سرامیک ها در حضور الیاف ساختاری در حالتی که در الیاف تخریب ایجاد نشود، یکی از موارد مسأله ساز می باشد. این موضوع، در بخش های بعدی مورد بررسی قرار می گیرد.
در این مقاله، یک بررسی بر روی تکنولوژی کامپوزیت های اکسیدی- اکسیدی، کاربردهای بالقوه، موضوعات تحقیقاتی کنونی و چیزهایی انجام شده است که ممکن است در آینده، کارساز باشند. این موضوعات با تمرکز بر روی کامپوزیت های اکسید- اکسیدی دما بالا مورد بررسی قرار می گیرد. زمینه های شیشه ای و شیشه- سرامیکی و یا الیاف در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته نشده است.

کاربردها

در حقیقت، تمام اشکال موتورهای گرمایی می توانند از مزیت های مربوط به کامپوزیت های اکسید- اکسیدی، بهره مند شوند. اجزای مورد استفاده در اگزوز به احتمال زیاد ساده ترین اجزا و کم خطرترین این اجزا هستند. یک مثال از خروجی های سبک وزن مربوط به اگزوز که به عنوان قطعات عایق کاری و محافظت کننده استفاده می شود در شکل 1 نشان داده شده است.
با توجه به بخش های مختلف موتورهای توربین، اجزای مختلف دیگری وجود دارد که کاندیدای مناسبی برای جایگزین شدن با این کامپوزیت ها هستند (مثلاً پوشش های آب بندی کننده و در برگیرنده ی توربین، محفظه ی احتراق، مسیرهای عبور جریان داغ و پره های ثابت). این به نظر می رسد که اجزای چرخنده احتمال کمتری برای جایگزین شدن، دارند. چندین تلاش وجود دارد که بر طبق آن، کامپوزیت های اکسید- اکسیدی برای کاربردهای استاتیک، مورد ارزیابی قرار می گیرند. نتایج محدود نشاندهنده ی این است که استحکام و مقاومت به خستگی این مواد، موجب می شود تا این مواد، کاندیداهای جذابی باشند. به هر حال، حداقل در یکی از مثال ها، سایش این قطعات بوسیله ی اجزای فلزی کناری، مسئله ساز است. استفاهد از CMC های اکسیدی در محفظه های احتراق، با امکان عملکرد در دماهای بالا، نیاز به سرد کردن کاهش می یابد و انعطاف پذیری طراحی موجب کاهش میزان تولید اکسیدهای نیتروژن و افزایش بازده موتور می شود.
این انتظار وجود دارد که بهترین نوع موتورهای تولید شده از این گروه، هیچ سیستم خنک سازی ندارند. این مسئله در حقیقت نیازمند استفاده از اجزای با توانایی تحمل دماهای بالا می باشد. به طور خاص برای موتورهای سبک وزن، این به نظر می رسد که اجزای اکسیدی برای استفاده در سری سیلندر، سیلندر، پیستون، ولوها و همچنین سیستم اگزوز، مناسب هستند.
همچنین کاربردهای شبه ساختاری مختلفی وجود دارد که ممکن است بتوان در آنها از اجزای اکسیدی، استفاده شود. سیستم های حفاظت گرمایی (TPS) ترکیبی از چندین عملکرد هستند. این سیستم ها شامل بخش عایق کاری، پوسته ی خارجی و برخی اجزای دیگر هستند که می توانند موجب محافظت ساختار در برابر دماها بالا و گازهای گرم، شود. یک مثال از یک چنین سیستمی کامپوزیت های بر پایه ی سیلیس است که هم اکنون در پتوهای حرارتی مورد استفاده در شاتل های فضایی، مورد استفاده قرر می گیرد. دوام یک چنین سیستم هایی در صورتی افزایش می یابد که سطح خارجی در برابر تخریب های ضربه ای و ایروژن، مقاوم باشد. تحقیق کنونی نشاندهنده ی این است که کامپوزیت های نکستل 440 / مونازیت موجب افزایش 50 % در ظرفیت دمای ماکزیمم سیستم TPS کنونی می شوند، در حالی که دوام بیشتری دارد. البته، شرایط بهینه برای سطح گرم است زیرا این بخش به عنوان یک بخش ساختاری عمل می کند و بار اعمالی را این بخش، تحمل می کند. کامپوزیت های سرامیکی بهترین گزینه هستند اما نیاز است تا توسعه ی مناسبی پیدا کند.
این به نظر غیر محتمل به نظر می رسد که الیاف اکسیدی پلی کریستال بتوانند در دماهایی استفاده شوند که در آنها الیاف SiC و الیاف کربن، استفاده می شوند. از این رو، این مسئله می تواند تفسیر گردد که حتی در استفاده های طولانی مدت، انتخاب مواد برای کامپوزیت های دیرگداز، موجب به تعادل رساندن خواص کامپوزیت های غیر اکسیدی در برابر دوام کامپوزیت های اکسیدی گردد.

طراحی کامپوزیت ها برای اینکه تافنس بالا از خود نشان دهند

یک کامپوزیت سرامیکی با تافنس بالا، نیازمند این است که ترک های ایجاد شده در داخل آن، در سطح مشترک فیبر/ زمینه یا در نزدیکی آن، منحرف گردد. دو مکانیزم اصلی برای طراحی کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی با تافنس بالا، مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از این مکانیزم ها، استفاده از سطح مشترک مهندسی شده است که به طور نمونه شامل پوشش کاری الیاف است. مکانیزم دوم، استفاده از زمینه ی متخلخل می باشد. در نهایت، رفتار ایجاد ترک، نتیجه ای از رقابت میان شکسته شدن الیاف ، پوشش و زمینه می باشد.

کنترل سطح مشترک

رویکرد اولیه به منظور قادر سازی یک کامپوزیت سرامیکی به منظور انجام یک رفتار با تافنس بالا، استفاده از یک سطح مشترک فیبر- زمینه ی با پیوند تضعیف شده، می باشد (شکل 2a). در این مورد، وقتی یک ترک زمینه ای به یک فیبر پوشش داده شده، نزدیک می شود، این ترک در سطح مشترک زمینه/ پوشش، در داخل لایه ی پوشش و یا در سطح مشترک پوشش/ فیبر، منحرف می شود. در نهایت فیبر در نقطه ای می شکند و صفحات شروع به کشش می کنند. کشیده شدن فیبر نیازمند این است که بر زبری و اثرات اصطکاکی بین فیبر و زمینه، فایق آییم. یک سطح شکست نمونه وار که نشاندهنده ی کشیده شدن فیبر است، در شکل 2b نشان داده شده است. برای مقایسه، یک مثال از سطح شکست ترد بدون وجود کشیدگی در فیبر، در شکل 2c نشان داده شده است.
خواص سطح مشترک بهینه مانند ضخامت پوشش، تنش های اصطکاکی، طول جدایش پیوند و ... به اجزای کامپوزیت وابسته است و باید مورد به مورد، بررسی گردد. برخی گرادیان های عمومی وجود دارد که با پوشش سطح مشترک و خواص مناسب، در ارتباط است. یکی از متداول ترین الزامات مورد استفاده، این است که نسبت انرژی های شکست سطح مشترک و فیبر، کمتر از 0.25 باشد.
طراحی و ارزیابی مربوط به اجزای اکسیدی فیبر/ پوشش از لحاظ خواص سطح مشترک، یک مسئله ی چند جانبه می باشد. کربن (C) و نیترید بور (BN) گزینه های ایده آل برای استفاده در پوشش های مورد استفاده برای فیبرها هستند. البته تنها ویژگی نامناسب آنها، مقاومت به اکسیداسیون آنهاست. درک ایجاد شده در اینجا در مورد پوشش های کربنی و BN در کامپوزیت های مزبور، یک اساس خوب برای ما ایجاد می کند، اما می توان این انتظار را داشت که کامپوزیت های بر پایه ی پوشش های اکسیدی می توانند به شکلی متفاوت عمل کنند. برای مثال، پوشش های اکسیدی مقبولیت کمتری دارند و از این رو، ضخامت بهینه ی پوشش به احتمال زیاد متفاوت است. حتی با استفاده از پوشش های ضخیم تر، سطوح پایین از اصطکاک با استفاده از کربن قابل حصول است و به احتمال زیاد قابل حصول نیست. این مسئله موجب می شود تا اولویت بیشتری در مورد الیاف قوی تر وجود داشته باشد و یا نیاز باشد تا استحکامی ایجاد گردد تا بدین صورت، طول های جدایش طولانی تری در سطوح تخریب توزیع شده، ایجاد گردد.
علارغم چالش های قابل توجه، چندین پوشش مانند LaPO_4 (مونازیت) و CaWO_4 (اسچلیت) به صورت قطعی نه تنها توانسته است عملکرد انحراف ترک ایجاد کند، بلکه همچنین در مورد آخر بهبودهای قابل توجهی را در خواص کامپوزیت های بر پایه ی آلومینا، ایجاد کرده است. برای مثال، استفاده از پوشش های مونازیت در کامپوزیت های آلومینایی تقویت شده با آلومینا، موجب شده است تا عمر مفید کامپوزیت ها در مقایسه با کامپوزیت های دیگر، افزایش یابد. یک چنین بهبودهای قابل توجهی در مواد ساختاری نادر هستند و بهبودهای قابل توجهی در سیستم های کامپوزیتی آینده، ایجاد می کند.

زمینه های متخلخل

یک راه جایگزین برای پوشش های میانی فیبر- زمینه، استفاده از زمینه های نسبتاً ضعیف می باشد. این مشاهده شده است که یک نوع از سطح مشترک تضعیف شده، بوسیله ی استفاده از پوشش های فیبری اکسیدی و با تخلخل بالا می باشد. با گسترش کارهای تحقیقاتی، تولید این کامپوزیت ها به نحوی است که کل زمینه، متخلخل است و این مسئله منجر به انحراف مؤثر ترک و افزایش تافنس می شود.
در کامپوزیت های دارای زمینه ی متخلخل، یک ترک زمینه ای در داخل زمینه و در ناحیه ی سطح مشترک میان فیبر/ زمینه، منحرف می گردد. اتصال قوی میان فیبر و ذرات زمینه وجود دارد. این مسئله بدیهی است که ترک ها عموماً برای رسیدن به هم سختی بیشتری پیدا می کنند و از این رو، این ترک ها به الیاف موجود در این ترک ها می رسند و موجب می شود تا تمرکز تنش کمتری ایجاد گردد. در هر مورد، این زمینه قادر به تحمیل تمرکز های تنش کافی نیست و الیاف در زمانی می شکند که تنش فیبر به میزان کافی بالا باشد. شکست فیبر به صورت آماری و در نقاط و صفحات مختلف داخل فیبر رخ می دهد. این مسئله زمانی رخ می دهد که صفحات تنش موازی شوند. یک مقایسه ی میکروسکوپی بر روی رفتار کامپوزیت دارای زمینه ی متخلخل و رفتار کامپوزیت های ترد در شکل 3 نشان داده شده است.
باید به این مسئله توجه کرد که عبارت کامپوزیت های با زمینه ی متخلخل و کامپوزیت های با زمینه ی با دانسیته ی بالا، اغلب تفاوت میان دو خانواده از کامپوزیت ها، را نشان می دهد که با توجه به دانسیته ی واقعی مواد، تعریف شده است. کامپوزیت های کنونی که دارای زمینه ی متخلخل هستند، به طور کامل زینتر نمی شوند و دارای 35 - 50 % تخلخل در زمینه ی خود هستند. این میزان از تخلخل موجب می شود تا تخلخل کل در نمونه 25 تا 40 % افزایش یابد. عبارت تخلخل (p_m) اشاره به حفرات و سوراخ های موجود در زمینه دارد به نحوی که فرض شده است که الیاف به طور کامل دانس هستند . بنابراین، تخلخل کل موجود در کامپوزیت با فرمول p_c=p_m (1-f) بیان می شود. برای مثال، اگر f=0.4 باشد، یک تخلخل 30 % در زمینه، برابر تخلخل کل 18 % می باشد. زمینه در طی خشک شدن و یا زنیترینگ تمایل به ترک خوردن دارد زیرا توده ی ماده بوسیله ی الیاف تحت فشار است. یک ریزساختار نمونه وار برای کامپوزیت های با زمینه ی متخلخل، در شکل 4 نشان داده شده است. وجود زمینه ی تضعیف شده، یکی از ضروریت ها برای انحراف ترک می باشد.
رفتار مکانیکی مربوط به کامپوزیت های زمینه ی متخلخل، مدل سازی شده است اما تشخیص سهم مشارکت زمینه و الیاف به خوبی مشخص نشده است. تخمین های اولیه، نشاندهنده ی این است که یک تخلخل 30 % برای ایجاد انحراف ترک ضروری است. تلاش های بعدی به شناسایی بهتر انتقال بین حالت های متخلخل و با دانسیته، کمک کرده است. به هر حال، بررسی های دیگری ضروری است مخصوصاً با در نظر گرفتن طبیعت وابستگی دمایی ریزساختار متخلخل.
در حالی که جزئیات مکانیزمی هنوز یکی از نواحی است که باید مورد بررسی بیشتر قرار گیرد، محدوده ی استفاده ی زمان- دما برای کامپوزیت های زمینه ی متخلخل، در نهایت بوسیله ی زینترینگ زمینه، محدود می شود. در دماهای بالا، زمینه در هنگام زینتر شدن، استحکام می گیرد تا زمانی که دیگر ماندن در دمای زینترینگ، نمی تواند موجب افزایش استحکام نمونه گردد. نسل های کنونی الیاف پلی کریستال دارای ظرفیت های زمان- دمایی مشابه مواد زمینه هستند بنابراین، محدودیت های مربوط به زمینه، تا حدودی پوشش داده می شود. در حالی که این تصادفی نیست که محدودیت های زمینه و الیاف، مشابه هستند، روش های ظاهری وجود دارد که بوسیله ی آنها، الیاف بهبود یافته مورد استفاده قرار می گیرند. این در حالی است که واضح است که این الیاف، فاکتورهای محدود کننده، هستند. علاوه بر این، نتایج اخیر در مورد کامپوزیت های دارای پوشش های سطح مشترک، نشان دهنده ی این است که بهبودهای بیشتری در موقع استفاده از این روش ها، ایجاد شده است. این مسئله در بخش های بعدی به تفصیل مورد بحث قرار می گیرد.
در نهایت، واژه ی زمینه ی تضعیف شده (weak matrix) به کامپوزیت های زمینه ی متخلخلی اشاره دارد که در برخی موارد نیز بحث انگیز هستند. یک سرامیک متخلخل مطمئناً در مقایسه با مواد با دانستیه ی بالا، ضعیف تر است اما زمینه های با دانسیته ی بالا در کامپوزیت های تقویت شده با فیبر نیز به ندرت ایجاد می شوند و احتمالاً رسیدن به آنها، بسیار سخت و ایده آل است. از این رو، تفاوت در تخلخل زمینه و مشکلات مربوط در زمینه ی خواص این کامپوزیت ها، ممکن است، اندک باشد و از این رو، تنوع گسترده ای در زمینه ی استفاده از زمینه های متخلخل در کامپوزیت هایی باشد که در آنها از پوشش سطح میانی، استفاده نشده است. با وجود این، این انتظار وجود دارد که در نهایت، استفاده از پوشش های میانی دارای مقاومت در برابر اکسیداسیون، کامپوزیت های بهبودیافته و طراحی مناسب فرایند، منجر به ایجاد خواص بهبود یافته در این مواد می شود.

سیستم های کامپوزیتی

در حالی که دلایل فراوانی برای ملاحظات آکادمیک مربوط به کامپوزیت های زمینه ی متخلخل وجود دارد، بیشتر علایق عملی و فرصت های مربوط به بررسی آنها، بر روی دو فاکتور تمرکز دارد: یکی دسترسی اقتصادی به انواع مختلف الیاف و دیگری، عدم نیاز برای پوشش دادن الیاف می باشد. هر دوی این فاکتورها، به طور قابل توجهی بر روی سهولت و هزینه های آزمایش ها، اثر می گذارد. از این مهم تر، هزینه های نهایی نیز فاکتور بسیار مهمی است. یک مزیت قابل توجه دیگر، این است که در بسیاری موارد، تولید می تواند مشابه چیزی باشد که برای کامپوزیت های پلیمری، استفاده می شود.

الیاف

برای کامپوزیت های اکسید- اکسید، الیاف با قطر کوچک نکستل (10 تا 12 میکرون)، الیاف نمونه واری است که انتخاب می شود. یک تعداد محدود از الیاف اکسیدی دیگر موجود می باشند که در اینجا به بررسی آنها نمی پردازیم. به هر حال، الیاف نکستل بهترین نوع از الیافی هستند که در این زمینه، استفاده می شوند. البته فیبر نکستل 610 (آلومینایی) و نکستل 720 (مولایتی) برای کاربردهای دما بالا، مورد استفاده قرار می گیرند، در حالی که نکستل 312 و 440 (آلومینا- سیلیس- اکسید بور) عموماً برای کاربردهای دما پایین (کمتر از 1000℃) مورد استفاده قرار می گیرد (برای عایق کاری). الیاف نکستل 550 تنها شامل گاما آلومینا و سیلیس آمورف است و دمای استفاده ی آن، به دمای شروع کریستالیزاسیون فیبر، وابسته است. حضور فاز شیشه ای در الیاف نکستل 312 و 440 به طور قابل توجهی بر روی خواص خزشی آنها، اثرگذار است. این مسئله در حقیقت، موجب محدود شدن دمای ماکزیمم استفاده از این الیاف می شود.
برای الیاف دما بالا، نکستل 610 دارای استحکام بالاتری نسبت به نکستل 720 است در حالی که نکستل 720 دارای مقاومت به خزش فوق العاده در دمای بالاست. نکستل 650 (آلومینا- YSZ) دارای مقاومت به خزش متوسطی است که این مقاومت بین مقاومت نکستل 610 و نکستل 720 است (بدون وجود سیلیس). 3M همچنین اطلاعاتی در مورد الیاف نکستل 720 ارائه کرده است که در دمای 1200℃ و تحت شرایط خزشی، از خود شرینکیج اندکی نشان می دهند. خواص انتخاب شده برای الیاف نکستل، در جدول 1 نشان داده شده است.
الیاف سافایر (آلومینای تک کریستال) نیز در کامپوزیت های اکسید- اکسیدی، استفاده می شود. الیاف سافایری در اصل ارای قطر بزرگی هستند (بزرگتر از100 میکرون) و قادرند به تحمل دماهای بالاتر از دمای مورد استفاده برای الیاف نکستل پلی کریستال نیستند؛ اگر چه یک استحکام دما متوسط برای این الیاف افت می کند و همچنین رشد آهسته ی ترک برای سافایر گزارش داده شده است. این الیاف تک کریستال در اصل بوسیله ی فرایند EFG تولید شده اند در حالی که الیاف نکستل از روش سل ژل تولید شده اند. فرایند EFG دارای هزینه های بالاتری است که این مسئله عموماً برای کاربردهای عملی، محدود کننده است. علاوه بر این، این الیاف همچنین به سهولت به صورت طناب در نمی آیند زیرا بافتن آنها فرایندی سخت است. علت این مسئله، قطر بزرگ این الیاف است. یک روش جایگزین که در آن از کریستالیزاسیون داخلی الیاف سافایر بهره برده می شود، مورد بررسی قرار گرفته است.
چندین نوع فیبر اکسیدی در مرحله ی تحقیق و توسعه قرار دارد. این الیاف شامل الیاف YAG (ایتریوم - آلومینیوم گارنت) و کامپوزیت های یوتکتیک از جنس این ماده می باشد. YAG به طور مستدل دارای بالاترین مقاومت به خزش را در بین مواد اکسیدی، دارد و بنابراین، یک انتخاب بسیار خوب برای ماست. الیاف YAG با قطر کوچک نیز تولید شده است. کامپوزیت های یوتکتیک از این جنس، استحکام بهبود یافته و مقاومت به خزش مناسبی در دمای بالا دارند. میزان این استحکام به ترکیب تشکیل دهنده ی آنها وابسته است. به هر حال، الیاف یوتکتیک کنونی، از محدودیت های یکسان با الیاف سافایر، رنج می برند. علت این مسئله، اندازه ی بزرگ این الیاف می باشد. کارهای اولیه بر روی تولید الیاف تک کریستال، در واقع روش کریستالیزاسیون داخلی، می باشد.
از لحاظ ساختار فیبر، در کامپوزیت های با توسعه ی بیشتر، از الیاف نکستل بافته شده استفاده می شود. بخش های بافته شده، معمولاً به سادگی از الیاف ایجاد می شوند و می توان اشکال پیچیده را از طریق همین الیاف، تولید کرد. طناب های بافته شده از الیاف، می توانند با استفاده از شکل دهی نوارهای فیبری، تولید شوند. این بافته ها سپس بر روی هم قرار داده می شود و در داخل زمینه ی کامپوزیت، وارد می شود.
این نوارها می توانند از طریق روش ریسندگی فیلمان یا روش ریخته گری نواری، ایجاد شوند. اگر چه مورد آخر برای الیاف با قطر بزرگتر، کاربردی تر هستند. در برخی موارد، کامپوزیت های اکسید- اکسید سه بعدی نیز تولید و مورد ارزیابی قرار گرفت، اگر چه این کامپوزیت ها در اصل بوسیله ی الیاف نکستل 312 دما پایین و الیاف 440 تولید می شوند. هزینه های مربوط به راه اندازی بخش های تولید قطعات سه بعدی بالاست و از این رو، نیاز است تا حجم تولید و همچنین هزینه ی نهایی محصولات، کاهش یابد.

سیستم های دارای زمینه ی متخلخل

الیاف اشاره شده در بالا با انواع مختلفی از مواد ترکیب می شوند و کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی (CMC) مختلف را ایجاد می کنند. CMC های بدون پوشش و با زمینه ی متخلخل که بر اساس تقویت کننده های فیبری تولید می شوند، توسعه یافته ترین نوع از این کامپوزیت ها، محسوب می شوند. مثال هایی از این مواد در جدول 2 بیان شده است. یکی از اولین کامپوزیت های دارای زمینه ی متخلخل، و تمام اکسیدی، GEN-IV تولید شده بوسیله ی جنرال الکتریک است، در حالی که سرامیک های COI هم اکنون فروشنده ی غالب کامپوزیت های اکسید- اکسید می باشد. مواد زمینه ای در ابتدا از جنس آلومینوسیلیکات، آلومینا- مولایت و یا آلومینا بود.
برای زمینه های آلومینوسیلیکاتی، جزء اصلی آلومیناست که در واقع ذرات آلومینا بوسیله ی بایندر سیلیسی به هم متصل شده اند. این سیلیس ممکن است به عنوان یک پرکننده ی متخلخل در بین ذرات آلومینا، تلقی گردد (مشابه مواد بر پایه ی GE) و یا این سیلیس ممکن است یک فیلم سیلیسی پیوسته را بر روی ذرات آلومینا، تشکیل دهد (مانند مواد بر پایه ی COI). تخلخل ها در مورد آخر ریزتر از تخلخل های موجود در مواد COI است (شکل 5).
به طور جایگزین، یک زمینه ی آلومینا- مولایتی، در تلاش به منظور بهبود دراز مدت پایداری گرمایی CMC های با زمینه ی متخلخل، مورد استفاده قرار گرفته است. این زمینه، از یک مخلوط دوتایی از مولایت و آلومینا به صورت پودری، استفاده می کند. مولایت، دارای خاصیت زینترینگ نسبتاً آهسته است و از شرینکیج جلوگیری می کند، از این رو، ساختار متخلخل، حفظ می گردد، در حالی که آلومینای ریز سریعاً زینتر می شود و به ذرات مولایت می چسبد و استحکام مناسبی برای زمینه ی متخلخل، ایجاد می کند. زیرکونیا همچنین به عنوان فاز اولیه با مولایت استفاده می شود و عملکرد تثبیت کنندگی دارد.
یکی دیگر از کامپوزیت های زمینه متخلخل با نام WHIPOX توسعه یافته است. این مواد از فیلمان های بافته شده ی نکستل 720 و نکستل 610 و زمینه ی مولایتی یا آلومینایی متخلخل، بهره می برد.
هم مولایت تک فاز و هم مخلوط های مولایت- آلومینای دو فازی، را می توان موادی عاری از سیلیس نامید. به هر حال، به دلیل فعالیت بالای سیلیس در مولایت و به دلیل وجود برخی فازهای شیشه ای باقیمانده، این مواد در هنگام قرارگیری در محیط، تخریب می شوند. برای مثال، پوشش های رسوب دهی شده از حالت بخار، از تبخیر سیلیس با فشار بالا، استفاده می کنند. در واقع قرارگیری این بخش ها در داخل محیط آب منجر به ترک خوردن و از بین رفتن پوشش می شود. به طور عکس، پوشش های مولایت تولید شده با روش CVD در یک چنین محیط هایی، مقاومت بیشتری دارند.
برای کاربردهای دما بالا، تلاش هایی در زمینه ی حذف تمام سیلیس از این مخلوط ها، انجام شده است که علت این مسئله، دغدغه هایی است که در طی تخریب در هنگام اعمال دما، برخورد با آب، محیط های سوختی و ... با آن روبرو هستیم. علاوه بر این، استفاده از سیلیس در محصولات صنعتی ممکن است مشکلات دیگری را ایجاد کند که علت آن دغدغه های مربوط به آسیب دیدن کارگران می باشد. بنابراین، زمینه هایی مانند زمینه های آلومینایی و زمینه های آلومینا- YAG برای تولید کامپوزیت های اکسید- اکسید مورد استفاده در دمای بالا، مورد ارزیابی قرار گرفتند. COI از جنبه ی دوگانه ی بیان شده برای افزایش پایداری حرارتی یک زمینه ی آلومینایی، بهره برده است. در این مورد، آلومینای کلوئیدی به عنوان فیلتر برای پودر آلومینای درشت، استفاده شده است. در کار بر روی کامپوزیت های با زمینه ی متخلخل تک سویه، که با استفاده از زمینه ی آلومینا- YAG تقویت شده با الیاف نکستل 610 ساخته شده اند، افزودن، حتی یک مقدار اندک از YAG یا Y^+، موجب کاهش سرعت زینترینگ آلومینای ریز دانه در این کامپوزیت ها می شود. کار قبلی بر روی بدنه های مونولیتیک آلومینایی نتایج مشابهی را در زمینه ی افزودن Y^+ نشان داده است. کسر حجمی بالاتر از YAG (حدود 50 % ) در مرفولوژی های دوگانه مانند مولایت- آلومینا، مورد استفاده قرار می گیرد. در این کامپوزیت ها، فاز YAG فاز درشت تر را تشکیل می دهد (نسبت به فاز آلومینا).

کامپوزیت های دارای پوشش سطح مشترک

کامپوزیت های زمینه ی متخلخل که در آنها از پوشش میانی استفاده نمی شود، دارای مزیت های متمایزی هستند، اما دارای ویژگی های خاصی هستند. مهم ترین این ویژگی ها، عبارتند از خواص مکانیکی وابسته به زمینه و دمای ماکزیمم استفاده ی وابسته به زمینه می باشد. هر دوی این مسائل قبلاً مورد بررسی قرار گرفته اند اما برای تکرار به طور خلاصه باید گفت که وقتی استحکام از میزان استحکام بحرانی فراتر می رود، عملکرد انحراف ترک، تسهیل می شود. علاوه بر این، ظاهراً این سطح می تواند بوسیله ی زینترینگ ایجاد شود بدون آنکه استحکام بخشی به طور کامل انجام شود و در این حالت، حتی اگر تخلخل زمینه حفظ گردد، انحراف ترک از دست می رود. در نتیجه، حصول بهترین تعادل در خواص و بالاترین قابلیت دمایی، نیازمند وجود مقاومت به اکسیداسیون، وجود پوشش منحرف کننده ی ترک و ایجاد بالاترین دانسیته ی ممکنه در زمینه می باشد.
تفسیر نتایج مربوط به کنترل سطح مشترک به دلیل وجود چندین فاکتور، پیچیده است. از این رو، مطالعه ی این موضوع، با توجه به چندین نکته باید انجام شود. همانگونه که بحث شد، انحراف ترک یک رقابت میان شکست سطح مشترک/ پوشش و شکست فیبر و بسیاری فرایند های دیگر است که بر روی فیبر اثر می گذارند. این مشکل است که میان تخریب یک مکانیزم انحراف ترک و تخریب فیبر، تمایز برقرار کنیم. به عبارت دیگر، به دلیل طبیعت مسئله ساز در مورد ایجاد زمینه های با دانسیته ی بالا، این مسئله مشکل است که بین مکانیزم های منتج شده از پوشش های موفق و مکانیزم های جدایش تخلخل- زمینه، تمایز ایجاد کنیم.
علاوه بر این، تحقیقات بر روی مسئله ی کنترل سطح مشترک بر روی کامپوزیت های دارای کسر حجمی متفاوت از فیبر، انجام شده است. این الیاف از الیاف تکی با کسر حجمی زمینه ی بالا تا طناب های تک فیبره و چند فیبری- تک سویه ی و همچنین بافته های فیبری تشکیل شده اند. از آنجایی که استحکام های کششی مربوط به کامپوزیت ها به طور قابل توجهی به کسر حجمی فیبر در جهت اعمال بار، وابسته است، این مسئله را باید در هنگام تولید کامپوزیت، مورد توجه قرار دهیم.
در نهایت، این فاکتورها موجب می شود تا مسئله ی انتخاب نمونه های کنترلی مناسب و آزمون های کنترلی، مهم جلوه کند تا بوسیله ی آنها، ارزیابی خوبی بر روی اثر پوشش بر روی رفتار کامپوزیت، انجام شود. بدبختانه، این مسئله اغلب اتفاق نمی افتد. تمام این موضوعات، باید در زمان مقایسه ی استحکام کامپوزیت ها و موفقیت مکانیزم های کنترل سطح مشترک، در نظر گرفته شود.