کامپوزیت های SiC/SiC برای دمای 1200℃ و دماهای بالاتر (2)

سیستم N26-A CMC

همانگونه که در بالا توصیف شده است، مقادیر اندکی سیلیکون اضافی ( کمتر از 1 % حجمی) در زمینه ی CVI SiC (دقیقاً بعد از تولید) مربوط به سیستم N24-C ، این سیستم را قادر می سازد تا حمله به الیاف SiC در طی فرآوری در دماهای بالا را محدود کند. اثر تخریبی مربوط به سیلیکون اضافی که در طی مرحله ی نفوذ مذاب، وارد می شود، همچنین برای سیستم های N24 CMC نیز مشاهده شده است. در واقع در زمانی که این نوع سیستم ها را در زمان های طولانی در دمای ℃ 1427 و دماهای بالا، مورد استفاده قرار داد، این مشکل نمود دارد. به هر حال، در این مورد، این حمله، جدی تر است و در اصل بواسطه ی وجود مقادیر بالاتر از سیلیکون (حدود 15 % حجمی) ایجاد می شود. تصاویر SEM شکل 1 یک مثال از این حملات را برای سیستم N24-A CMC نشان می دهند. این سیستم به صورت گرمایی در دمای ℃ 1400 به مدت 100 ساعت در محیط آرگون و تحت تنش صفر قرار داده شده است. این را می توان مشاهده کرد که سیلیکون وارد شده از طریق نفوذ مذاب، قادر است تا از مرزدانه های زمینه ی CVI SiC نفوذ کرده و به پوشش BN و الیاف SiC حمله کند و موجب کاهش استحکام کامپوزیت می شود. مقادیری بالاتر CVI SiC مربوط به سیستم N24-C CMC کمک می کند تا این حمله آهسته تر شود اما این آهسته شدن به میزان مناسب کافی نمی باشد تا بتواند کامپوزیت بیش از 1000 ساعت در دمای 2400 F یا 100 ساعت در دمای 2600 F تحمل دمایی داشته باشد.
برای آدرس دهی موضوعات مربوط به دما در ارتباط با سیلیکون اضافی، تمام اجزای مشابه در سیستم N24-C برای نسل های جدید N26 CMC مورد استفاده قرار گرفته اند اما تخلخل های باقیمانده ی موجود در زمینه ی CVI SiC، با سرامیک های بدون سیلیکون، پر می شوند نه با استفاده از مذاب سیلیکون. به طور خاص، برای سیستم N26-A CMC، یک پلیمر برای پر کردن تخلخل های آزاد مورد استفاده قرار می گیرد تا بدین صورت بعد از عملیات حرارتی، SiC تولید گردد. فرایند نفوذ پلیمر و فرایند پیرولیز (PIP) برای پر کردن تخلخل های کامپوزیتی مورد استفاده قرار می گیرد و بعد از این عملیات ها، میزان تخلخل سیستم به 14 % کاهش می یابد. در این زمینه، سیستم CMC کل سپس به صورت گرمایی در NASA تحت عملیات حرارتی واقع شدند و بدین وسیله، رسانایی گرمایی و مقاومت در برابر خزش این CMC ها بهبود می یابد. بنابراین، اگر چه تخلخل های بیشتری نسبت به سیستم های CMC وجود دارد، سیستم N26-A هیچ سیلیکون آزادی در زمینه وجود ندارد و از این رو، اجازه داده می شود تا از این سیستم در ℃ 1427 و دماهای بالاتر استفاده کرد. تحقیقات در NASA بر روی توسعه ی نسل های جدید از سیستم N26-A ادامه دارد و نسل های جدید این کامپوزیت ها، دارای تخلخل های اندکی هستند بنابراین، رسانایی گرمایی CMC ها، می تواند بدون اعمال مرحله ی آنیل بر روی زمینه، افزایش یابد.

خواص

بر اساس خواص اشاره شده در جدول1 بخش قبل و داده های مربوط به فرایند در جدول 2 بخش قبل، این بخش خواص فیزیکی و مکانیکی کلیدی مربوط به 5 سیستم CMC اشاره شده در بالا را مورد بررسی قرار می دهد. مواد کامپوزیتی مورد استفاده برای حصول این داده ها، به صورت زیر تولید شده اند. تافته های تولید شده از الیاف Sylramic SiC به صورت بافته های دو بعدی ارتوگونال هستند. این بافته ها، به 8 نمونه ی 150×230 mm تقسیم شدند که سپس به یک شیوه ی تعادلی و به صورت یک نمونه ی مستطیلی در آمدند. برای سیستم N22، قطعه ی تولید شده، به صورت مستقیم برای در شرکت تولیدی آمده سازی شد و از فرایند CVI نیز برای ایجاد زمینه ی SiC استفاده شده است. برای سیستم های N24 و N26، نمونه ها پیش از ارسال از NASA به شرکت تولید کننده، آماده سازی شد. در این آماده سازی از الیاف Sylramic-iBN استفاده شده است. بعد از فرایند ایجاد زمینه که فرایند نهایی محسوب می شود، نمونه ی ایجاد شده به صفحات مسطح مورد استفاده در آزمون CMC تبدیل شدند که ابعاد این صفحات برابر با 2×15×230 mm بود. همچنین درصد حجمی الیاف در این کامپوزیت ها، بین 32 تا 40 % بود. این مسئله باید تذکر داده شود که انواع مختلفی از اجزای بالقوه ای که می توان از CMC ها تولید کرد، همچنین از روش لایه گذاری یا روش قرارگیری پارچه ها بر روی هم، تولید شده اند به نحوی که داده های مربوط به خواص صفحات که در اینجا وجود دارد، به صورت مستقیم برای یادگیری کارایی این اجزا، مورد استفاده قرار می گیرند.
برای اندازه گیری استاندارد رفتار تنش- کرنش و رفتار خزش- گسست (ASTM C 1337- 96)، نمونه هایی شبیه نمونه ی کشش با طول 150 میلی متر با طول گیج 10 میلی متر و عرض 25 میلی متر از هر پانل سیستم CMC، ماشین کاری گردید. رسانایی گرمایی کامپوزیت ها از داده های مربوط به دانسیته ی نمونه و داده های وابسته به دما برای نمونه، اندازه گیری شد. نفوذ گرمایی بوسیله ی روش فلش گرمایی اندازه گیری گردید. بر مبنای یک اصل مطلق، رسانایی عرضی یک سیستم CMC معین، همواره کمتر از رسانایی محور یا داخل صفحه ای این کامپوزیت هاست. علت این مسئله رسانایی پایین فاز میانی BN می باشد.
جدول 1 برخی از خواص فیزیکی مهم مربوط به 5 سیستم CMC تولید شده بوسیله ی NASA آورده است. دانسیته های این سیستم ها می تواند با استفاده ی از روش قانون مخلوط ها و بر اساس دانسیته و کسرهای حجمی هر کدام از اجزا، تعیین شود. تمام صفحات شامل یک میزان متوسط 36 % حجمی فیبر و 8 % حجمی BN دوپ شده با سیلیکون بودند. وقتی ظرفیت دمایی مورد نیاز، افزایش یابد، مقدار CVI SiC زمینه، از 23 % حجمی به 35 % حجمی افزایش می یابد تا بتوان از طبیعت محافظتی سیلیکون، افزایش مقاومت به خزش و رسانایی گرمایی کامپوزیت های CVI SiC استفاده کرد. برای چهار سیستم اول، مقدار MI Si در سطح 15 % حجمی باقی می ماند تا بدین صورت از مزیت های مربوط به رسانایی گرمایی و ظرفیت پر کردن تخلخل ها بهره برد اما در سیستم N26-A ، این عنصر به طور کامل حذف می شود تا اجازه دهد عمر سیستم طولانی تر شود. از انجایی که تمام سیستم هایی که در زمینه و الیاف، تا 70 درصد حجمی دانه های SiC با فاز بتا دارند، رفتار انبساط حرارتی خطی آنها ضرورتاً برابر با رفتار انبساط حرارتی خطی مربوط به فاز بتای مونولیتیک است. شکل 2 انبساط عرضی و محوری مربوط به صفحات N22 و N24 را نسبت به SiC با فاز بتا، نشان می دهد که این انبساز می تواند با دقت بالایی بوسیله ی رابطه ی زیر تعریف گردد:
λ(%)=T[2.62×〖10〗^(-4) ]+T^2 [2.314×〖10〗^(-7) ]-T^3 [0.518×〖10〗^(-10) ]
که در اینجا، λ کرنش انبساط خطی و T دمای بر حسب سلسیوس می باشد. در دماهای بالاتر از ℃ 1300، CMC ها اندکی انحراف نسبت به فاز بتای SiC از خود نشان می دهد. این ویژگی، یکی از ویژگی های مربوط به مواد SiC دارای مقادیر اندکی سیلیکون می باشد. این مسئله را باید تذکر داد که معادله ی بالا نه تنها برای تعیین کرنش انبساطی خطی CMC ها مفید است، بلکه همچنین برای استخراج ضرایب انبساط حرارتی CMC ها (CTE) در دماهای مختلف مناسب است.
داده های مربوط به رسانایی گرمایی معکوس برای پانل های CMC در جدول 1 در دمای 204 و ℃ 1204 نشان داده شده است. این داده ها بر اساس تابعی از دما در شکل 3 آورده شده است. مشابه مواد SiC مونولیتیک، مقادیر رسانایی تا ℃200 افزایش و سپس به صورت تدریجی، با دما، کاهش می یابد. وابستگی این پارامتر به دما تقریباً به صورت عکس می باشد. اگر چه هر دو فاکتور رسانایی مهم می باشد، در طراحی اجزای CMC، رسانایی عرضی نسبت به رسانایی صفحه ای، از اهمیت بیشتری برخوردار است. این مسئله به دلیل این است که این اجزا به طور نمونه وار از طریق بخش های با دیواره ی بسیار نازک، سرد می شوند و به دلیل اینکه رسانایی عرضی معمولاً از لحاظ عددی کمتر است، بنابراین، یک تخمین با دقت ضروری می باشد. این رسانایی به طور قابل توجهی بوسیله ی ترکیب و تخلخل زمینه، تحت تأثیر است که این تخلخل ها نه تنها تخلخل های باز و بسته ای هستند که در طی فرایند نفوذ زمینه، ایجاد می شوند، بلکه همچنین تخلخل هایی طویل هستند که بواسطه ی رسانایی ضعیف پوشش های بین فازی بر روی الیاف، ایجاد شده اند. رسانایی بین فازی هم به ترکیب و هم به تماس مؤثر فیبر و زمینه، وابسته است. بنابراین، تغییرات گسترده در رسانایی CMC ها، مورد انتظار است و این مسئله نیز مشاهده می گردد؛ اما رویه های کیفی قابل مشاهده می باشد. برای مثال، شکل 3 نشان می دهد که تغییر در نوع فیبر از جنس فیبر Hi-Nicalon نوع S به فیبر Sylramic (سیستم N22) و به فیبر Sylramic-iBN (سیستم N24-A)، رسانایی های عرضی مربوط به سیستم های CMC دارای Si، به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. این مسئله در مقادیر مربوط به رسانایی ذاتی برای انواع مختلف فیبر، نشان داده شده است. به هر حال، همانگونه که در جدول 1 مشاهده می شود، برای سیستم N24-B CMC دارای عدم اتصال خارجی بین فاز میانی، یک جریمه در مورد رسانایی گرمایی مشاهده می شود که به دلیل کاهش سطح تماس بین زمینه - فاز میانی، ایجاد می شود. این اتلاف در زمانی بازیابی می شود که زمینه ی CVI SiC از سیستم N24-C که دارای سیلیکون می باشد، آنیل شود. به هر حال، یکی دیگر از کاهش های در رسانایی برای سسیستم N26-A وقتی ایجاد می شود که سیلیکون حذف گردد و با یک زمینه ی هیبریدی از SiC با میزان تخلخل بالا، پر شود.
صرفنظر از خواص مکانیکی CMC ها، نمودارهای تنش - کرنش داخل صفحه ای نمونه وار در دمای اتاق در شکل 4 و 5 نشان داده شده است. شکل 4 سه سیستم اول از این سیستم ها را مورد مقایسه قرار می دهد که دو مورد، دارای عدم اتصال در بخش داخلی پیوند (N22، N24-A) و یک مورد دارای عدم اتصال در بخش خارجی (N24-B) هستند، این در حالی است که شکل 5 دو سیستم آخری را در حالتی نشان می دهد که تحت عملیات آنیل واقع شده است و دارای میزان قابل توجهی عدم اتصال خارجی است (N24-C، N26-A). با استفاده از نمودارهای مشابه برای نمونه های آزمون چندگانه (هم در دمای اتاق و هم در دمای کاری(UUT))، جدول 2 داده های متوسط گیری شده برای خواص مکانیکی مانند مدول الاستیک، حد تنش، استحکام کششی نهایی، و کرنش کششی نهایی، را آورده است. این را باید تذکر دهیم که میزان کل فیبر مورد استفاده، از 32 تا 40 % حجمی، متغیر است. داده های مربوط به جدول 2 و اشکال مربوطه، بیان کننده ی اعداد متوسط گیری شده اند. این مسئله همچنین باید تذکر دهیم که مدول الاستیک سیستم های مختلف، در UUT خود، کاهش یافته اند اما این داده ها در جدول 2 آورده نشده است زیرا خزش CMC ها به نرخ تنش اعمال شده در آزمون، وابسته است.
همانگونه که در تئوری مربوط به CMC ها پیش بینی شده است، برخی از خواص جدول 2 به طور قابل توجهی با تغییر در میزان الیاف و جهت انجام آزمون، وابسته می باشد. با وجود این، مقدار الیاف انتخاب شده و شرایط آزمایش و رویه ی کیفی، می تواند در خواص مکانیکی CMC ها مشاهده گردد. برای مثال، صرفنظر از مدول الاستیک، تغییرات در سیستم های CMC می تواند با تنظیم میزان مدول الاستیک زمینه ی CVI SiC، و تنظیم میزان تخلخل موجود در این مواد، تنظیم گردد.
نقش عدم اتصال خارجی در کاهش مدول زمینه، به این حقیقت وابسته است که طناب های 90 درجه، المان های تحمل کننده ی بار هستند. این المان ها در داخل یک زمینه ی CMC واقع شده است که در آن در جهت 0 درجه، بار اعمال می شود. بنابراین، وقتی تماس میان فاز میانی و زمینه، بوسیله ی کنده شدن اتصال، کاهش یابد، بار اعمال شده بر روی طناب های 90 درجه، کاهش می یابد و به طور مؤثر موجب ایجاد تخلخل های جدید در زمینه می شود. صرفنظر از حد تنش نسبی CMC ها، اگر چه مکانیزم های متضمن پیچیده است، یک حساب سر انگشتی نشان می دهد که برای صفحات دو بعدی 0/ 90 درجه، نشان می دهد که انحراف اولین ایجاد شده از حالت خطی در نمودار تنش- کرنش، در میزان 0.07 % اتفاق می افتد به نحوی که مقادیر CMC PLS تقریباً با مدول CMC ها در مقایسه است. صرفنظر از استحکام نهایی CMC ها که می تواند به صورت مستقیم بواسطه ی استحکام الیاف، تعیین شود، تمام سیستم های متشکل از الیاف Sylramic-iBN که آنیل شده اند، مقادیر بالایی از استحکام (450 MPa) را از خود نشان می دهند.
همانگونه که در قبل گفته شد، این اثر می تواند در قطعات بزرگ، به دلیل طبیعت محافظتی لایه ی BN رشد داده شده به صورت درجا بر روی این الیاف، ایجاد گردد زیرا استحکام بعد از تولید الیاف Sylramic-iBN کمتر از الیاف Sylramic پیش ماده می باشد (که در پانل N22 استفاده شده است). به هر حال، در مقادیر بالاتر از زمینه ی CVI SiC در سیستم های N24-C و N26-A، سیلیکون اضافی در تولید CVI وجود دارد که موجب حمله به فیبر و ایجاد تخریب آنها می شود، حتی برای الیاف Sylramic-iBN. در نهایت، صرفنظر از کرنش نهایی CMC ها، سیستم های دارای بالاترین UTS و بالاترین میزان عدم اتصال، بالاترین مقادیر را نشان می دهد. اثر عدم اتصال می تواند با استحکام برشی سطح مشکل پایین تر، در ارتباط باشد. این مسئله اجازه ی باز شدن ترک ها و افزایش کرنش در CMC ها را به همراه دارد. برای یک UTS معین، عدم اتصال خارجی می تواند افزایش کرنش شکست را به همراه داشته باشد. این افزایش نسبت به عدم اتصال داخلی، 0.2 % بیشتر است.
همانگونه که در جدول 1 بخش قبل نشان داده شده است، یک خاصیت کلیدی مورد نیاز برای هر سیستم CMC تقویت شده با الیاف SiC ، این است که قابلیت حفظ خواص این CMC ها در دماهای متوسط و دماهای بالا، وجود داشته باشد. در دماهای متوسط، موضوعات کلیدی اکسیژن و حملات رطوبتی مربوط به پوشش بین فازی است که می تواند در سطح طناب های 90 درجه ایجاد شود. این مسئله حتی در تنش های صفر نیز رخ می دهد. برای ارزیابی سیستم های CMC در برابر مشکلات مربوط به فاز میانی، نمونه های تست کشش که از صفحات مختلف بدست آمده اند، تحت گازهای حاصل از احتراق قرار می گیرند. این کار در دمای ℃ 800 و زمان 100 ساعت، انجام می شود. نمودارهای تنش- کرنش در دمای اتاق برای سه سیستم CMC بعد از قرار گرفتن در برابر گازهای احتراقی، در شکل 6 نشان داده شده است. تخریب قابل توجهی در UTS برای سیستم های N22 با الیاف سیلیسیم کاربید Sylramic و Hi-Nicalon نوع S وجو دارد. همانگونه که قبلاً توصیف شده است، این تخریب می تواند مربوط به حذف کربن آزاد موجود بر روی سطح این دو فیبر باشد (زغال موجود در آهار A) که موجب مینیمم شدن تماس مستقیم میان الیاف SiC می شود، اما در اصل هیچ تشخیصی در زمینه ی کربن موجود در سطح مشترک الیاف و BN، انجام نشده است. بنابراین، کربن آزاد غیر عمدی موجود بر روی سطح الیاف، باید برای تولید اجزای CMC، زدوده شود.
برای ارزیابی سیستم های CMC از لحاظ فاز میانی، نمونه های تست کشش از صفحات CMC مختلف تهیه شدند و تحت آزمون تنش- گسستگی در دمای ℃ 815 و محیط گازهای احتراقی، قرار گرفت. گسستگی CMC نهایی به طور نمونه وار در زمانی اتفاق می افتد که اتصال سیلیسی مناسبی میان الیاف ترک خورده، وجود داشته باشد به نحوی که یک فیبر به دلیل رشد آهسته ی ترک، گسسته می شود. این مسئله موجب شکست فیبرهای همسایه در داخل CMC می شود. شکل 7 رفتار گسستگی مربوط به سیستم های عدم اتصال داخلی N22 و N24-A نسبت به سیستم با عدم اتصال خارجی N24-B، را نشان می دهد. این واضح است که سیستم عدم اتصال خارجی، موجب بهبود رفتار CMC ها و طولانی شدن عمر آنها می شود. همانگونه که در شکل 3 بخش قبل و در بخش فرآیند تولید N24-B گفته شد، این رفتار بهبود یافته به دلیل فاز میانی BN دوپ شده با سیلیکون می باشد که بعد از ترک خوردن زمینه، بر روی الیاف Sylramic-iBN ایجاد می شود. بنابراین، اگر یک ترک غیر قابل پیش بینی در داخل زمینه در دماهای متوسط و بالا، ایجاد گردد، سیستم های دارای عدم اتصال خارجی موجب افزایش دوام و عمر CMC ها می شوند.
هدف مهم برای هر سیستم CMC تولید شده بوسیله ی ناسا، قادر ساختن این اجزا برای کار در سطوح تنش بالقوه ای می باشد که موجب افزایش طول عمر مربوط به این قطعات می شود. برای ارزیابی این قابلیت، نمونه های تست کشش از صفحات مختلف CMC بریده شده و تحت آزمون خزش- گسستگی قرار داده شده اند. کارایی اولیه ی به منظور نشان دادن عمر مفید 500 ساعته ی نمونه ها، پیش از گسست، در نظر گرفته شده است.
از آنجایی که گسستگی دما بلای مربوط به CMC های بدون ترک اولیه، به طور نمونه وار بوسیله ی رفتار ذاتی خزشی نمونه، تعیین می شود، یکی دیگر از شاخص های مربوط به کارایی، قابلیت یک سیستم CMC به نشان دادن مقاومت بالا در برابر خزش می باشد.
برای مثال، برای زمان آزمون تقریباً 500 ساعت، سیستم های CMC تولید شده بوسیله ی NASA در دمای بین 2200 تلا 2600 فارنهایت، دارای رفتار خزش- گسست 0.4 % هستند به نحوی که بعد از 500 ساعت، سطح کرنش در همین میزان قرار می گیرد. بنابراین، همانگونه که در جدول 4 نشان داده شده است، سیستم N22 دارای الیاف Sylramic، قادر است تا در زمان 500 ساعت، به این سطح از کرنش برسد. به هر حال، شکل 8 نشان می دهد که تحت تنش های یکسان در دمای 2400 فارنهایت، سیستم N22 دارای عمر 100 ساعت می باشد، در حالی که سیستم N24-A دارای الیاف Sylramic-iBN دارای عمر بیش از 500 ساعت می باشد. شکل 8 همچنین نحوه ی انیل کردن زمینه ی CVI SiC را نشان داده است. این سیستم دارای عمر مفید 1000 ساعت در دمای 2400 فارنهایت است. به هر حال، به دلیل وجود مرحله ی نفوذ مذاب سیلیکون برای تمام سیستم های N24 CMC، این زمان و دما به حد مشخصی محدود است که این محدوده بر اساس پایداری ذاتی این مواد تحت دمای معمولی، ایجاد می شود. در نهایت، شکل 9 تفاوت در رفتار خزش- گسستگی مربوط به سیستم های N24-A دارای سیلیکون و سیستم N26-A عاری از سیلیکون، تحت تنش 69 مگاپاسکال و دمای 2642 فارنهایت را نشان می دهد.

خلاصه و بحث

ناسا با همکاری نزدیک با فروشندگان CMC، قادر شد تا مواد ساختاری پیشرفته و فرایند تولید آنها را شناسایی کند. این الیاف دارای مقادیر مختلفی فیبر SiC هستند و برای کاربردهای دما بالا ، مورد استفاده قرار می گیرند. بر اساس این مسئله که هدف کارایی، رسیدن به زمان 500 ساعت در هوا و تحت تنش 60% می باشد، این سیستم ها، دارای ماکزیمم دماهای استفاده ی 1240 ، 1315 و 1427 درجه ی سانتیگراد می باشند. این دماها، از دمای تحمل شده بوسیله ی بهترین آلیاژها، بالاتر است. این پیشرفت در قابلیت دمایی در ابتدا به توسعه ی الیاف Sylramic-iBN وابسته است. بعد از این، از فرایند آنیل در زمینه ی بهبود CVI SiC، استفاده شد و در نهایت، مرحله ی نفوذ مذاب سیلیکون در داخل تخلخل های CMC ها حذف می گردد. مزیت های مربوط به دوام محیطی CMC ها، همچنین با استفاده از رشد لایه ی BN درجا، بر روی الیاف، استفاده از پوشش های بین فازیBN دوپ شده با Si، سطوح عاری از کربن میان فیبر و پوشش BN و اصلاح رویه های تولید، بهبود می یابند.
اگر چه اطلاعات مربوط به فرآوری و خواص حاصله که در اینجا ارائه شده است، محدود است، این اطلاعات برای تولیدکنندگان CMC کافی هستند. البته علاوه بر این مسائل، هنوز اثرات محیطی بر روی این کامپوزیت ها، مورد ارزیابی واقع نشده است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد