مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
چکیده
کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) تولید شده از الیاف کربن و سیلیکون کاربید، یک گروه جدید از مواد ساختاری می باشد. در سال های اخیر، فرایندهای تولید و مواد جدید توسعه یافته اند. استفاده از الیاف تقویت کننده ی کوتاه، پیش ماده های پلیمری ارزان قیمت و فرایندهای فاز مایع موجب کاهش هزینه های این کامپوزیت ها در مقایسه با کامپوزیت های C/SiC نسل اول می شود. کامپوزیت های C/SiC نسل اول، در ابتدا برای کاربردهای فضایی و نظامی توسعه یافتند. علاوه بر خواص توده ای خاص و پایداری حرارتی بالا، خواص عملکردی مانند انبساط حرارتی پایین و رفتار تریبولوژیک خوب، در زمینه ی کاربردهای تجاری جدید مانند تولید دیسک ها و لنت، کلاج، صفحات کالیبراسیون و یا دستگاه های شارژ کوره، نقش مهمی ایفا می کنند.مقدمه
ابتدا CMC های غیر اکسیدی بر پایه ی کامپوزیت های کربن/ کربن در دهه ی 1970، توسعه یافتند. از این کامپوزیت ها به عنوان ساختارهای سبک برای استفاده در کاربردهای هوافضا، استفاده شد. این کامپوزیت ها باید به عنوان ساختارهای با طول عمر محدود به شرایط محیطی، طراحی شوند و همچنین رفتار دراز مدت این کامپوزیت ها، هنوز شناخته نشده است. نمونه های از یک چنین اجزایی عبارتست از نازل های راکت، فلپ موتور، لبه های هدایت کننده ی فضاپیما و صفحه های ترمز فضا پیما می باشد. عمر مفید این اجزا از چند دقیقه تا چند ساعت می باشد و در این مدت، این اجزا باید ماکزیمم نیازمندی های ترمومکانیکی را برطرف کنند.به منظور بهبود مقاومت به اکسیداسیون و بنابراین افزایش عمر مفید این کامپوزیت ها، تحقیقات به سمت استفاده از سرامیک ها به جای کربن به عنوان ماده ی زمینه، حرکت کرده است. کاربید سلیکون به طور خاص برای استفاده به عنوان زمینه مناسب می باشد زیرا مقاومت به اکسیداسیون بالایی دارد، پایداری گرمایی و مقاومت به شوک حرارتی بالایی دارد و همچنین مقاومت به خزش آن نیز بالاست. از لحاظ تجربی، روش های تولید مشابهی می تواند برای تشکیل زمینه ی سیلیکون کاربیدی در کامپوزیت های C/SiC مورد استفاده قرار گیرد، مشابه با رویه ی تولید کامپوزیت های کربن/ کربن. عموماً کامپوزیت های زمینه سرامیکی برای ترکیب کردن خواص سرامیک های مونولیتیک با خواص مواد الیافی، توسعه یافته اند. به هر حال، مکانیزم هایی که موجب ایجاد مقاومت قابل توجه می شوند، در هر دو گروه از این ماده ها، متفاوت است. پلیمرها با استفاده از الیاف با سفتی بالا، تقویت می شوند، در حالی که زمینه دارای استحکام، سفتی و پایداری حرارتی پایین می باشد. یک پیوند قوی میان زمینه و الیاف به عنوان نتیجه ای از برهمکنش سطحی بالا میان این دو بخش، ایجاد می شود. بر اساس تفاوت در سفتی های الیاف و پلیمرها، زمین به خودی خود تحت تنش کمتری قرار می گیرد و نرخ آزاد سازی انرژی یک ترک در زمینه، آهسته تر می شود علت این مسئله، استحکام متوسط زمینه می باشد. بنابراین، الیاف با تحمل بار بالا، قادر است تا بدون آسیب دیدن، از گسترش ترک، جلوگیری کند.
کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی به دلیل این حقیقت شاخص هستند که سفتی هر دو ماده، در یک حد قرار دارد. نیروهای پیوند بالای میان فیبر و زمینه، منجر به ایجاد تنش هایی می شود که در فیبر و زمینه، مشابه هستند. مورد مخالف، در مورد پیوندهای بسیار ضعیف میان فیبر و زمینه است که منجر به ایجاد زمینه ای تقریباً عاری از تنش و تافنس شکست بالا می شود. به هر حال، همانگونه که از بین رفتن اتصال و خواص برشی عمدتاً به اثرات سایشی وابسته است. یک چنین کامپوزیت هایی به عنوان مواد ساختاری، مناسب نیستند. بنابراین، CMC های مقاوم در برابر تخریب، باید با استفاده از ایجاد پیوندهای متوسط میان الیاف و زمینه و همچنین استفاده از فازهای میانی، تولید شوند. ریزساختار فاز میانی می تواند از یک حالت تیز، با سطح مشترک غیر فعال تا یک سطح واکنشی درجا متغیر باشد. این فاز میانی همچنین می توانند سطحی متخلخل یا چند لایه ای داشته باشد و همین سطوح است که موجب کاهش گسترش ترک در داخل زمینه می شود.
مشابه کامپوزیت های زمینه پلیمری و زمینه فلزی، رفتار شکست مربوط به CMC ها و خواص آنها به طور غالب بوسیله ی الیاف، تعیین می شود. اما استفاده از میزان بیشتری فیبر در داخل زمینه، موجب می شود تا سفتی و همچنین پایداری گرمایی آن را افزایش داد. الیاف کربنی این الزامات را به یک شیوه ی برجسته، ارضا می کنند. این الیاف، به صورت تجاری در انواع شکل های مختلف، وجود دارند. این الیاف تا دمای ℃ 2000، پایداری خوبی دارند. به هر حال، محدودیت اصلی آنها، تخریب در اتمسفر اکسیدی در دماهای بالاتر از℃ 450 است. این تخریب موجب نیاز به اعمال یک رویه برای محافظت این الیاف در برابر اکسیداسیون خارجی است. از کینتیک اکسیداسیون این الیاف این فهمیده شده است که افزایش دمای عملیات حرارتی نهایی اعمال شده بر روی این مواد، منجربه بهبود خاصیت مقاومت در برابر اکسیداسیون می شود. بنابراین، مقاومت به اکسیداسیون کامپوزیت های این خانواده، همچنین بوسیله ی استفاده از تقویت کننده های با مدول بالا (HM) یا استفاده از الیاف کربنی با مدول بسیار بالا (UHM) در مقایسه با الیاف با سختی بالا (HT)، افزایش می یابد.
محافظت دراز مدت در برابر اکسیداسیون، نیازمند استفاده از پوشش های محافظتی چندلایه می باشد. در کامپوزیت های کربن/ کربن یا کربن/ سلیکون کاربید، از لایه های سیلیکون کاربیدی، لایه های تشکیل دهنده ی شیشه، لایه های مولایتی، آلومینایی یا سیلیکونی، برای محافظت الیاف، استفاده می شود. لایه ی سیلیکون کاربید می تواند از طریق گیرش با سیمان، اعمال گردد اما مقاومت به اکسیداسیون فوق العاده می تواند از طریق اعمال لایه های خالص از جنس بتا سیلیکون کاربیدی ایجاد گردد که از طریق فرایند CVD اعمال می شوند.
به دلیل ضریب انبساط حرارتی (CTE) آنیزوتروپ مربوط به کامپوزیت های C/C، C/SiC و C/C-SiC، محافظت در برابر اکسیداسیون این کامپوزیت ها نسبت به مواد بالک تقویت نشده با کربن یا گرافیت، مشکل است. عدم تطابق میان CTE مربوط به پوشش SiC تولیده شده از روش CVD و الیاف کربن، ترک هایی در طی دوره ی سرد کردن نمونه، ایجاد می شود. تشکیل ترک تقریباً در دمایی 100 درجه پایین تر از دمای پوشش دهی، ایجاد می شود. بنابراین، کامپوزیت هایی که الیاف آن بوسیله ی SiC و با استفاده از روش CVD پوشش دهی شده اند، بالاترین مقاومت به اکسیداسیون را در دماهای بالاتر از ℃ 800 ایجاد می کند. به عنوان یک نتیجه، اکسیداسیون و خوردگی پیچیده ی این پوشش ها، تنها می تواند موجب کاهش تخریب در دماهای خاص و تحت شرایط استاتیک گردد؛ اما تمام پوشش های محافظتی کنونی، قادر به محافظت کامل ماده در برابر اکسیداسیون تحت شرایط دینامیک، نیستند. طراحان و استفاده کنندگان از کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC باید این محدودیت های ذاتی را در نظر بگیرند تا بدین صورت این مواد را به طور مناسب مورد استفاده قرار گیرند.
کاربردها
کاربردهای کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC در زمینه هایی است که در واقع مواد معمولی ، به دلیل خواص مکانیکی نامناسب در دمای بالا یا رفتار مقاومت در برابر تخریب های محدود، نمی توانند مورد استفاده قرار گیرند. همچنین مسئله ی سبک بودن، یکی دیگر از مزیت های مربوط به این کامپوزیت هاست. برخی مثال ها برای دمای بالا (دماهای بالاتر از ℃ 1000) و دماها و فشارهای متوسط (دماهای کمتر از ℃ 450) نیز ارائه شده است.TPS در وسایل فضایی و ساختارهای گرم
دماهای بالاتر از℃ 1800 در طی فاز ورود اربیترها به داخل اتمسفر زمین، ایجاد می شود. سیستم های محافظ گرمایی (TPS) عمده ترین سرامیک های SiC تقویت شده با الیاف کربنی هستند که در ساختارهای فضاپیماها و برخی از پروژه های تکنولوژی محور در اروپا، آمریکا و ژاپن در طی دو دهه ی گذشته، اجرا شده اند. ساختارهای گرم مربوط به فضاپیمای تجربی NASA با نام X-38 هستند که به عنوان حامل تکنولوژیک برای وسایل حامل انسان (CRV) به ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) مورد استفاده قرار می گیرند. این ساختارها به عنوان یکی از مثال های کنونی از کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC تلقی می شوند که برای سیستم های محافظت گرمایی، مورد استفاده قرار می گیرند. کلاهک دماغه که در واقع صفحات محافظ گرمایی هستند و از آنها در سیستم فرمان خودرو استفاده می شود، بوسیله ی آزمون های پایه و بوسیله ی کنسرسیوم آلمان تولید شده اند. این کلاهک ها در طی کارکرد، تنش های دمایی واقعاً بالایی را تحمل می کنند که این تنش ها به دلیل قرارگیری این قطعه در ناحیه ی ایستایی خودرو، ایجاد می شود.ارتباط میان پوسته ی دماغه و بدنه شامل 8 پرچ منفرد می باشد که این پرچ ها نیز از جنس C/C-SiC هستند. در بخش های سرد تر، از آلیاژهای فلزی مقاوم در برابر حرارت، استفاده می شود. این سیستم چفت و بست اهرمی، دوام بالایی را برای این سیستم ایجاد می کند و به آن اجازه می دهد تا بدون مانع نسبت به پوسته، انبساط حرارتی بدهد که میزان این انبساط می تواند تا سه میلی متر نیز برسد (شکل 1).
حتی زمان های عملیاتی کوتاه تری نسبت به زمان های بوجود آمده در طی ورود فضاپیماها به داخل جو، برای پره های جت ضروری است. این پره ها برای منحرف کردن نیروی پرتاپ مربوط به راکت های سوخت جامد، مورد استفاده قرار می گیرند اما آنها تحت تنش های بالاتری قرار می گیرند(شکل 3). پره های قابل کنترل موجب افزایش قدرت مانور راکت می شود. این افزایش در درجه ی اول، در طی فاز سرعت پایین دقیقاً بعد از برخاستن، اتفاق می افتد. تنها یک زمان چند ثانیه تحمل، نیاز است اما این چند ثانیه، نیازمند این است که ماده ی مورد استفاده، پایداری ترمومکانیکی و مقاومت در برابر ایروژن خوبی داشته باشد. علاوه بر این، سطوح پره های تولید شده از C/SiC باید که با یک لایه ی سرامیکی محافظ (مثلاً CVD-SiC)، پوشش دهی شوند تا بدین صورت پره قابلیت تحمل برخورد ذرات را داشته باشد. این ذرات در طی سوختن ماده ی احتراقی جامد در موتور ایجاد می شوند. در همین حال، میزان سرامیک ماده ی ساختاری باید در سطح بالایی باشد تا به صورت تدریجی، از بین نرود به نحوی که سطح پره در طی دوره ی سوختن، حفظ گردد. فرمولاسیون ریزساختاری مربوط به کامپوزیت های C/SiC نیازمند بهینه سازی هستند تا بدین صورت تافنس سطحی بالا رود و همچنین مقاومت در برابر سایش نیز بهبود یابد.
چندین جزء تولید شده با استفاده از C/SiC مانند شعله دان ها، مخروط های خروجی اگزوز و فلپ های موتور، در موتورهای جت نظامی, مورد استفاده قرار می گیرند. فلپ ها خارجی در موتور SNECMA M 88-2 موجب کاهش 50 % وزنی نسبت به استفاده از فلپ های سوپرآلیاژ (اینکونل 718) را در بر دارد. همچنین 300 فلپ از این نوع، برای آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است (شکل 4). فلپ هاس ساخته شده از C/SiC اولین مورد مطلوب برای استفاده در موتورهای نظامی می باشد. با استفاده از این فلپ ها، می توان میزان جریان خنک سازی مورد نیاز برای موتور را کاهش داد و بنابراین، موجب افزایش کارایی موتور شد.
سیستم های سایش پیشرفته
کامپوزیت های C/C-SiC تولید شده از روش نفوذ سیلیکون خالص (فرایند LSI)، خواص تریبولوژیک فوق العاده ای را در ضرایب اصطکاک (CoF) و مقاومت به سایش بالا، مقدور می سازد. الیاف کربنی منجر به ایجاد مقاومت به تخریب بهبود یافته ای در مقایسه با SiC مونولیتیک می شوند، در حالی که زمینه ی سیلیکون کاربیدی موجب بهبود مقاومت به سایش در مقایسه با کربن می شود. کامپوزیت های C/C-SiC بنابراین، مواد مناسبی برای استفاده در ترمز ها و کلاژهای ماشین های با سرعت بالا و ترمزهای اورژانسی در موتورهای مکانیکی و سیستم های انتقال می باشد.اولین تلاش ها در مورد بررسی کامپوزیت های C/C-SiC برای استفاده در مواد ضد سایش مورد استفاده در لنت و دیسک ترمز، در اوایل قرن 19 انجام شد. کامپوزیت های C/C-SiC در مقایسه با کامپوزیت های کربن / کربن، دارای تخلخل بسیار کمتری می باشند (کمتر از 5 %) ، دارای دانسیته ی بالاتری می باشند (حدود 2 گرم بر سانتی متر مکعب) و سهم سرامیک در میزان جرم کل، حداقل 20 % می باشد. چندین فعالیت در انستیتوهای مختلف و صنایع هم اکنون در حال انجام است تا بوسیله ی آن، استفاده از CMC به عنوان مواد ضد سایش مورد استفاده در لنت ها و صفحات ترمز، مورد ارزیابی قرار گیرد. مواد منتج شده از لحاظ ساختار متفاوت هستند. با وجود این، بیشتر آنها از الیاف کربن به عنوان تقویت کننده و سیلیسیم کاربید به عنوان فاز زمینه استفاده کرده اند. الیاف کربن عموماً موجب کاهش تردی مربوط به سیلیکون کاربید می شود به نحوی که میزان تحمل در برابر آسیب دیدن این اجزای تولید شده از C/C-SiC، به حد چدن خاکستری می رسد.
برای استفاده در اتومبیل، مخصوصاً دیسک های با کارایی بالا، هزینه های مربوط به استفاده از الیاف پیوسته و استفاده از روش های متداول تولید قطعات مورد استفاده در هوافضا، بسیار بالاست. بهترین راه مورد استفاده برای کاهش هزینه ها و ساده سازی تولید، استفاده از الیاف کوتاه و استفاده از فرایند پرس می باشد. استفاده از الیاف کوتاه موجب کاهش هزینه های مربوط به ماده ی اولیه می شود. این کاهش در اصل بوسیله ی کاهش ضایعات در مقایسه با روش های متداول تولید این قطعات با استفاده از الیاف پیوسته، ایجاد می شود. به دلیل جهت گیری با ایزوتروپی بالاتر الیاف کوتاه در کامپوزیت های C/C-SiC، رسانایی گرمایی عمود بر سطح سایش دیسک های ترمز، در مقایسه با مواد ارتوروپیک مشابه که دارای الیاف بافته شده هستند، بالاتر است. این مسئله منجر به کاهش دمای سطحی بر روی دیسک های ترمز می شود و در نتیجه ضریب اصطکاک سطح در طی ترمز کردن ثابت می ماند و در مواردی بالاتر می رود. با این رویه، میزان سایش کاهش می یابد. در آزمون تریبولوژی مختلف، کارایی و مقاومت به سایش این مواد به اثبات رسیده است و ساختارهای جدیدی از این نوع ترمزها، توسعه یافته اند(شکل 5).
ترمزهای اورژانسی متوقف کنند با ساختارهای مختلف، برای بسیاری از زمینه های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند. برای مثال، این ترمزها در آسانسور، بالابر، جرثقیل، ابزارهای و ماشین آلات برقی مورد استفاده قرار می گیرند. Electromagnetic spring از ترمزهایی استفاده می کند که از آنها معمولاً در حمل بار استفاده می شود. سیستم ترمز اغلب شامل یک دیسک ترمز متحرک و دو دیسک ثابت می باشد که ساختاری مشابه با بسته ی حرارتی مورد استفاده در ترمزهای فضاپیما دارند. افزایش سرعت های مربوط به حرکت و سرعت های پیرامونی بیشتر در سیستم های انتقال مدرن، نیازمند جنبه های جدید می باشد.
کامپوزیت های C/C-SiC تولید و کاربرد آنها در افزایش کارایی ترمزهای اورژانسی، مورد ارزیابی قرار گرفته است. آزمون های تریبولوژیک نشاندهنده ی نرخ سایش پایین و بازده بالای سایش در این اجزا می باشد. این مسئله حتی در زمان هایی که انرژی ورودی قابل توجه می باشد، مشاهده می شود، در حالی که مواد متداول مورد استفاده برای این بخش ها، با اعمال این بارها، دچار مشکل می شوند. مزیت های مربوط به افزایش توان ترمز گرفتن و کوچک تر شدن ابعاد سیستم ترمز، با استفاده از لنت های C/C-SiC مقدور می شود. هم اکنون، سرامیک های مختلف تقویت شده با الیاف کربنی، تولید شده است و به صورت تجاری در سیستم های ترمز با کارایی بالا، مورد استفاده قرار می گیرند.
ساختارهای با انبساط پایین
انبساط پایین در سرامیک های کامپوزیتی C/SiC به همراه وجود خاصیت صلبیت بالا، در سیستم های با انبساط پایین، مورد استفاده قرار می گیرند. در این کاربرد، خاصیت دمای بالای این کامپوزیتی ها، مورد نیاز نیست اما، به جای آن نیاز به تولید اجزای بزرگ با دقت بالا و خواصی است که بوسیله ی شرایط محیطی، تحت تأثیر قرار نگیرند.بدنه های کالیبراسیون در تکنولوژی اندازه گیری صنعتی، یکی از کاربردهای جالب برای کامپوزیت های C/C-SiC است. در بین سایرین، بدنه های کالیبراسیون شبه صفحه ای، برای بررسی ماشین های اندازه گیری کوئوردیناسیونی، مورد استفاده قرار می گیرد. بوسیله ی این ماشین ها، قادر هستیم تا بی دقتی ها در طول های اندازه گیری شده و جابجایی های زاویه ای را برای سیستم های اندازه گیری اتوماتیک، تشخیص دهیم. این اجزای با دقت بالا باید دارای ضریب انبساط بسیار پایین و ثابتی باشند. این مسئله باید در یک گستره ی دمایی بین -30℃ تا +50℃، صدق کند. علاوه بر این، صفحات کالیبره کننده باید به آسانی جابجا شوند یعنی سبک و مقاوم باشند. این مسئله بوسیله ی کامپوزیت های C/C-SiC تضمین می شود. شکل 6 یک چنین صفحه ی کالیبراسیونی را با طول گوشه های 420 میلی متر و ضخامت 8 میلی متر نشان می دهد. این ساختار شامل 25 سوراخ اندازه گیری است.
مزیت های مربوط به مشتری که در اینجا، ایجاد می شود، سهولت حمل و نقل می باشد. در واقع حمل و نقل این صفحات با سهولت بیشتری انجام می شود. همچنین زمان مورد نیاز برای تعدیل دمای کابین اندازه گیری نیز با استفاده از این کامپوزیت ها، کاهش می یابد.
سیستم های ارتباط ماهواره ای بر اساس جنبه های نوری قابلیت انتقال حجم قابل توجهی داده را با مصرف میزان اندکی انرژی در مقایسه با ارتباطات رادیویی، می دهند. به هر حال، یک سیستم بهینه نیازمند دقت و پایداری بالایی است. در این کاربردها، تقاضا برای وجود پایداری ساختاری و گرمایی، بسیار بالاست. کامپوزیت های C/C-SiC جدید تحت یک سری جنبه های خاص طراحی شده اند تا بتواند این اهداف را پوشش دهی کند. شکل 7 واحد نوری مربوط به آیینه های اولیه و ثانویه را نشان می دهد. این آینه ها به تلسکوپ وصل می شوند و المان عنکبوتی از جنس C/C-SiC به این بخش متصل می گردد. این بخش دارای انبساط پایینی است. در مونتاژ نهایف تیوب با محور نوری آینه موازی، است. آینه ی ثانویه در روبروی آینه ی اولیه قرار گرفته است و تیغه های مستطیلی مربوط به تیوب، با استفاده از چسب به سلول آینه، متصل می باشد.
زمینه های آینده ی کاربرد
کاربردهای تجاری جذاب برای استفادهل از کامپوزیت های C/SiC در اصل، ساختارهای مورد استفاده در صنایع انرژی می باشد. علارغم محدودیت های ذاتی و مقاومت پایین این کامپوزیت ها در برابر اکسیداسیون، تحقیقات بین المللی در حال بهبود فرایند تولید و فرایند پوشش دهی این کامپوزیت ها می باشد تا بتواند میزان مقاومت این کامپوزیت ها در برابر محیط های خورنده را افزایش دهد. در مرحله ی اول در جهت حرکت به سمت ساختارهای سرامیکی در مهندسی برق و انرژی، می توان به توسعه ی روش های تبادل انرژی با لوله های دوتایی در تکنولوژی لوله های سرنیزه ای، اشاره کرد. در این روش، از یک فرایند ترکیبی استفاده شده است (شکل 8). در اینجا، مبدل حرارتی HT برای سوختن غیر مستقیم یک توربین گازی، استفاده شده است. هوا از طریق لوله های سرامیکی تقویت شده با فیبر، حرارت دهی می شوند.
اجزای مربوط به محفظه ی کوره ی تأسیسات سوزاندن نیازمند الزامات مکانیکی قابل توجه و مقاومت به خوردگی می باشد، مخصوصاً اگر زباله های مشکل دار در این تأسیسات سوزانده شوند. توری های متحرک مورد استفاده در این تأسیسات که از جنس C/SiC با مقادیر بالای سرامیک می باشد، به طور پیوسته مواد را به داخل بخش سوزاندن تزریق می کنند. این اجزای C/SiC به صورت بدنه های توخالی طراحی می شوند به نحوی که هوای اضافی بتواند وارد حفرات آن شود و بنابراین، بهینه ترین حالت سوختن ایجاد شود.
در مهندسی کوره، سرامیک های C/C-SiC به عنوان وسایل شارژکننده و بخش های حمایت کننده از قطعات در حال عملیات حرارتی، مورد استفاده قرار می گیرند. این اجزای سرامیکی به طور قابل توجهی سبک تر از فلزات مقاوم در برابر حرارت های بالا می باشند. این قطعات در دماهای بالا، تمایل زیادی برای تاب و اعوجاج دارند. وسایل شارژکننده می توانند از بخش های بافته شده ساخته شوند به نحوی که مشابه محصول نهایی باشند و بدین صورتت، تنها اندکی ماشین کاری بعد از عملیات پخت مورد نیاز باشد. اجزای مهندسی دیگری نیز که از C/C-SiC ساخته می شوند، پره های فن های مورد استفاده برای انتقال اتمسفر کوره های عملیات حرارتی می باشد. تیوب های پروب اکسیژن، تیوب های محافظ ترموکوپل، ناودان های مورد استفاده برای ریختن مذاب در متالورژی، یا نازل های HT نیز از جمله کاربردهای عملی مربوط این کامپوزیت ها می باشد.
در زمینه ی محافظت بالستیک وسایل و هواپیماها، استفاده از سرامیک های مونولیتیک در سیستم های ترکیبی اجازه ی کاهش وزن به میزان 50 % را در مقایسه با فولاد زره، می دهد. کاهش بیشتر جرم که در مورد این تکنولوژی بوجود آمده است موجب سبک شدن زره های مورد استفاده و جایگزینی این زره ها با زره های سیلیکون کاربیدی و آلومینایی شده است. آزمون های بالستیک نشان داده اند که الیاف سرامیکی موجب بهبود محافظت در برابر ضربه های چندگانه می شود زیرا این کامپوزیت ها دارای تافنس شکست بالایی هستند.
یک زره سبک نمونه وار در اصل شامل یک بخش ساندیچی چندلایه است که سمت جلوی آن، از یک ماده ی سرامیکی و بخش داخلی از یک ماده ی جاذب انرژی ماند الیاف مصنوعی (مانند آرامیدها) یا فلزات داکتیل، تشکیل شده اند. علاوه بر وزن نسبتاً پایین تر بر واحد حجم یک چنین زره های سبکی، تغییر در طراحی سرامیک های فیبری یکی دیگر از مزیت های این الیاف در مقایسه با سرامیک های متداول است. تولید آنها بر اساس روش های کلاسیک مورد استفاده در تکنولوژی های کامپوزیت، انجام می شود. بالاترین حجم الیاف سرامیکی تولید شده، علاوه بر استفاده در دیسک های ترمز، معمولاً در سیستم های محافظ بالستیک کاربرد دارند
فرایند تولید
عموماً، رویه های فرآوری مختلفی برای نفوذ در بافته های فیبری وجود دارد. روش های متداول پودری که برای تولید سرامیک های مونولیتیک مورد استفاده قرار می گیرند، عموماً برای تولید این کامپوزیت ها، مطلوب نمی باشند و در واقع، روش های غیر متداول برای ساخت این کامپوزیت ها استفاده می شود تا بدین صورت از تخریب ساختارهای فیبری، جلوگیری گردد. این روش ها همچنین می تواند از لحاظ نحوه ی اشباع کردن به دو روش نفوذ فاز گازی یا نفوذ فاز مایع، تقسیم بندی شود (شکل 9). سه روش مختلف هم اکنون در مقیاس صنعتی برای تولید کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC مورد استفاده قرار می گیرند. هر کدام از این روش ها، منجر به ایجاد ریزساختار و خواص خاص می شود (شکل 10):
2) نفوذ پلیمر مذاب (LPI) یا نفوذ پلیمری و پیرولیز (PIP)
3) نفوذ سیلیکون مذاب (LSI)
از لحاظ تاریخی، روش های فرآوری از فرآوری ایزوترمال CVI به سمت روش های مؤثری مانند روش CVI گرادیانی و نفوذ پلیمر مذاب یا سیلیکون مذاب حرکت کرده است. این روش ها سریع تر هستند و منجر به کوتاه شدن سیکل تولید می شود مخصوصاً دو روش LPI و LSI از جمله روش های سریع نسبت به روش CVI محسوب می شوند.
یکی از جنبه های مهم دیگر در این زمینه، این است که بفهمیم کدام فرایند باید به عنوان روش اصلی مورد استفاده در سنتز این CMC ها استفاده شود. جهت گیری الیاف، ابعاد قطعه ی اولیه ی ساخته شده با فیبر و شرایط عمل اوری حرارتی، از جمله پارامترهای مهم تأثیرگذار بر روی کارایی محصولات نهایی، محسوب می شوند.
نفوذ شیمیایی از فاز بخار (CVI)
عموماً روش نفوذ بخار شیمیایی، اجازه می دهد تا انواع مختلفی از زمینه ها و اشکال مختلف، تحت عملیات نفوذ قرار گیرند. ساختارهای فیبری دارای جهت گیری های چندگانه در الیاف، در داخل کوره قرار داده می شود و بر روی آن رسوب دهی انجام می شود.زمینه ی سرامیکی بوسیله ی تجزیه ی گونه های گازی در داخل تخلخل های باز نمونه ی فیبری، انجام می شود. معمولاً متیل تری کلروسیالان (MTS) به عنوان ماده ی اولیه و گاز هیدروژن نیز به عنوان عامل کاتالیست برای تولید زمینه ی SiC، مورد استفاده قرار می گیرد. دو پدیده ی مختلف، موجب کنترل رشد زمینه در داخل سوراخ های نمونه ی فیبری می شود:
1) کینتیک واکنش شیمیایی
2) انتقال جرم مربوط به محصولات واکنشی به داخل تخلخل ها
کیفیت و خلوص سیلیکون کاربید رسوب دهی شده، بوسیله ی نرخ اختلاط میان هیدروژن و MTS تعیین می شود. مقادیر بیش از حد گاز هیدروژن منجر به پدید آمدن یک زمینه ی غنی از سیلیکون می شود، در حالی که افزایش مقدار MTS منجر می شود تا در داخل زمینه، کربن وارد شود. به منظور ایجاد رسوب دهی عمقی و مناسب، دماهای پایین (800-900℃) و فشارهای پایین (50–100 hPa) مورد استفاده قرار می گیرد و این فشار باید در طی کل فرایند ثابت باشد. فرایند CVI هم دما یا هم فشار منجر به خواص ترمومکانیکی خوب و تافنس شکست بالا می شود.
محدودیت هایی مانند زمان طولانی فرایند که می تواند هفته ها یا ماه ها طول بکشد و همچنین نفوذ عمقی محدود در این روش، وجود دارد.
برای فایق آمدن بر محدودیت های هندسی و افزایش نرخ رسوب دهی SiC، فرایندهای CVI با فشار یا دمای گرادیانی، توسعه و صنعتی سازی شده اند. برخلاف فرایند CVI ایزوترمال، یک جریان جرمی از MTS، که بواسطه ی گرادیان دمایی یا فشاری در داخل قطعه ایجاد می شود، اعمال می شود و اجازه داده می شود تا دما و فشار فرایند تا حد قابل توجهی بالا رود. دانسیته ی گازی بالاتر و سرعت واکنش بالاتر موجب می شود تا زمان تولید در این روش نسبت به CVI ایزوترمال افزایش یابد. به طور نمونه وار، 40 تا 60 ساعت مورد نیاز است تا یک ساختار تشکیل شده از الیاف بوسیله ی نفوذ SiC پر شود و به ضخامت 5 میلی متر و تخلخل 12 % برسد. از آنجایی که جریان جرمی تحت فشار برای پر کردن و سرد کردن ساختار فیبری ضروری است، این تغییر در CVI، بر روی هندسه های استاندارد مانند پروفایل ها، تیوب ها و صفحات تمرکز دارد.
علاوه بر کیفیت خوب کامپوزیت های C/SiC تولید شده با استفاده از روش فرایند نفوذ شیمیایی از فاز بخار، یکی از مزیت های اصلی این روش تولید، این است که به ما اجازه ی کنترل سطح مشترک فیبر/ زمینه را می دهد. بنابراین، کامپوزیت های C/SiC به طور کوتاه و در یک مرحله با کربن رسوب دهی می شوند تا بدین صورت، نیروی پیوند میان فیبر/ زمینه، افزایش یابد. به طور خلاصه، تولید اجزای C/SiC از طریق فرایند CVI گرادیانی، از مراحل زیر تشکیل شده است:
1) ساختار فیبری از یک عامل پیوند دهنده ی پلیمری، ساخته شده است.
2) پیرولیز پلیمر که منجر به ایجاد استحکام مناسب در ساختار می شود.
3) رسوب دهی کربن برای پوشش دهی الیاف (تشکیل فاز میانی).
4) رسوب دهی SiC به عنوان زمینه با روش نفوذی
5) ماشین کاری نهایی اجزای تولید شده به منظور رسیدن به شکل مشخص
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
/ج
