کامپوزیت های اکسید- اکسید (2)

مرزهای فازی اکسید- اکسید/ اکسیدهای تضعیف شده

مونازیت ها و اگزونوتیت ها (Monazites and xenotimes) دو گروه از پوشش های اکسیدی تضعیف شده هستند که معیارهای مربوط به انحراف ترک را برای الیاف موجود، فراهم می آورند. از بین این دو گروه، مونازیت (LaPO_4) به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.
مونازیت به عنوان یک ماده ی سطح مشترک، گزینه ی مناسبی محسوب می شود که علت این مسئله، نقطه ذوب نسبتاً بالای این ماده (بالاتر از 2000℃) و پایداری دما بالای این ماده در مقایسه با اکسیدهای دیگر مانند آلومینا می باشد. این ماده همچنین به طور ضعیفی با اکسیدها پیوند ایجاد می کند، مخصوصاً با آلومینا. Morgan و Marshall اولین بار نشان دادند که مونازیت یک ماده ی تضعیف کننده ی مناسب برای سطح مشترک است. آنها این کار را با بررسی میزان چسبندگی این ماده به الیاف سافایر نشان دادند. این تشخیص موجب شده تا تحقیقات بر روی این خانواده از مواد سرامیکی افزایش یابد.
از آن زمان تاکنون، این دو محقق و سایر محققین، سیستم های با دانسیته ی بالا از جنس سافایر/ مونازیت/ آلومینا را مورد بررسی قرار دادند (البته سیستم های دارای کسر حجمی فیبری پایین (10 تا 15 %)). در این کارها، آزمون فرورونده، آزمون فشار خارجی و آزمون خمش 3-pt مورد استفاده قرار گرفت تا بدین وسیله اطلاعاتی در مورد استحکام سطح مشترک فیبر/ زمینه، بدست آید. به طور مشابه، آزمون اولیه ی فشار خارجی بر روی زمینه ی با دانسیته ی بیش از 90 % انجام شد و این آزمون نشان داد که این پوشش ها عملکرد سطح مشترک تضعیف شده را در زمینه های اکسیدی با دانسیته ی بالا، ایجاد نمی کنند.
پوشش های مونازیتی همچنین بر روی سافایر، تک کریستال مولایت و دو نوع فیبر دیگر (فیبر آلومینا- YAG و آلومینا- YSZ) رسوب دهی گردید و این الیاف در داخل زمینه ی از جنس آلومینا، جا داده شد و سپس آزمون های مربوطه به منظور ارزیابی میزان زبری فیبر و خواص سطح مشترک آنها، انجام گردید. نتایج مربوط به آزمون فشار خارجی نشاندهنده ی این است که الیاف پوشش داده شده در تمام موارد، فشرده شده اند و این نشاندهنده ی وجود سطح مشترک تضعیف شده می باشد. پوشش های مونازیتی در طی فشار تغییر شکل پیدا می کنند و این مسئله موجب می شود تا لایه ی سطح مشترک مونازیتی به عنوان یک سطح مشترک تضعیف شده، تلقی گردد.
تولید کامپوزیت هایی که دارای کسر حجمی بالایی از الیاف پوشش داده شده با مونازیت هستند، تا حدی محدود می باشد و خلاصه ی کارهای انجام شده در این زمینه، در جدول 1 آورده شده است. این کامپوزیت ها بوسیله ی آزمون های مکانیکی نیز مورد ارزیابی قرار گرفتند (تست خمش و کشش) و بدین صورت، میزان اثربخشی این پوشش ها مورد ارزیابی قرار گرفت.
همانگونه که در مقاله های گذشته نیز بحث شده است، پوشش های مونازیتی گسسته یک استحکام فزاینده به کامپوزیت های آلومینایی با زمینه ی متخلخل و تقویت شده با الیاف نکستل 610، ایجاد می کنند (در مقایسه با کامپوزیت های مشابهی که پوشش سطح مشترک ندارند). در این کامپوزیت ها، اتلاف اولیه در استحکام (28 %) بعد از قرارگیری کامپوزیت در دمای 1200℃ به مدت 100 ساعت، مشاهده شده است. این در حالی است که نمونه های کنترلی که در آنها الیاف دارای پوشش نیستند، یک اتلاف بالاتر از 70 % را تنها بعد از قرارگیری 5 ساعته در این شرایط، از خود نشان می دهند. اگر چه این کامپوزیت ها، دارای اتلاف اولیه ی در استحکام خود هستند، استحکام باقیمانده ی کامپوزیت که تقریباً بالاتر از 60 % استحکام اولیه است، تا 1000 ساعت قرارگیری در دمای 1200℃ حفظ می گردد. نتایج آزمون کشش دما بالا برای کامپوزیت های نکستل 610/ مونازیت/ آلومینا همچنین نشاندهنده ی این است که هیچ تفاوتی میان نمونه های بررسی شده در دمای اتاق و نمونه های مورد بررسی تا دمای 1200℃ وجود ندارد (شکل 1). سطوح شکست تمام نمونه های دارای مونازیت نشاندهنده ی این است که الیاف پوشش داده شده در زمینه تحت کشش قرار گرفته اند و برخی از این الیاف هنوز هم در جای خود باقی مانده اند (شکل 2). در تمام موارد، نمونه های کنترلی که در آنها الیاف پوشش داده نشده اند، همچنین هیچ کشیدگی فیبری را نشان نمی دهند.
پوشش های مونازیتی همچنین در کامپوزیت های زمینه آلومینوسیلیکاتی تقویت شده با الیاف نکستل 312 و نکستل 610 مورد ارزیابی قرار گرفته اند. در این مورد، پوشش مونازیتی با استفاده از روش دوغاب آبی یا روش محلول سازی، رسوب دهی شد. کامپوزیت های دارای هر دو نوع فیبر، استحکام کمتری نسبت به نمونه های کنترلی هستند زیرا در طی فرایند پوشش دهی فیبر، این فیبرها تخریب می شوند. استوکیومتری مربوط به پیش ماده ی های پوشش دهی یکی از مسائل حیاتی برای استحکام فیبر تلقی می گردد. به هر حال، شستشوی محلول های پیش ماده ی مورد استفاده برای پوشش دهی، برای حفظ استحکام الیاف، ضروری هستند.
یک راه جایگزین، پوشش مونازیتی درجا می باشد که بوسیله ی Davis و همکارانش توسعه یافته است. این پوشش ها در کامپوزیت های بر پایه ی فیبر نکستل 610، مورد استفاده قرار گرفته است. پوشش مونازیتی درجا بوسیله ی مخلوط کردن پیش ماده ی مونازیتی با پودر آلومینا در طی تولید کامپوزیت، تشکیل می شود. محصول نهایی دارای مقاومت به تخریب مناسبی است و همچنین حساسیت به شکاف آن در مقایسه با کامپوزیت های با زمینه ی متخلخل مشابه که حاوی فاز مونازیت نیستند، کمتر است. این فرایند از این مسئله مزیت می برد که یک مرحله ی پوشش دهی مجزا برای این الیاف، استفاده شده است. هر دو پوشش مونازیتی یا مونازیتی مخلوط با اکسید دیرگداز قابلیت ماشین کاری را دارند که این مسئله موجب افزایش استفاده از آنها می شود. انتخاب یک پوشش مونازیتی گسسته یا یک زمینه ی دارای مونازیت موجب می شود تا راه های جایگزینی برای استفاده کنندگان از این کامپوزیت ها، فراهم آید. برای مثال، یک زمینه ی حاوی مونازیت ممکن است بیش از حد نرم باشد به نحوی که یک کامپوزیت حاوی مونازیت گسسته ممکن است مورد نیاز باشد.
پوشش های شیلیتی (CaWO_4) همچنین یک سطح مشترک تضعیف شده در کامپوزیت های نکستل 610 / آلومینا + CaWO_4 ایجاد می کنند. Goettler و همکارانش یک کامپوزیت غیر جهت دار با دانسیته ی بالاتر از 80 % را گزارش داده اند که دارای استحکام کششی 350 MPa و نسبت کرنش- شکست 0.25 % می باشد. جدایش در سطح مشترک فیبر/ زمینه از طریق ارزیابی ریزساختاری سطح شکست (با SEM و TEM) امکان پذیر می باشد. مشابه با مونازیت، استوکیومتری پیش ماده ی پوشش شیلیت یک مورد حیاتی در استحکام فیبر تلقی می شود. اگر کنترل دقیقی بر روی پیش ماده، انجام شود، پوشش های شیلیتی ممکن است برای CMC های اکسید- اکسید بسیار مفید باشند.
NdPO_4نیز برای استفاده به عنوان پوشش الیاف مورد ارزیابی قرار گرفته است. Kaya و همکارانش کامپوزیت های نکستل 720/ NdPO_4/ مولایتی را تولید کرده اند و نمونه های تولید شده را با استفاده از آزمون های خمش 4-pt در دمای بالا، ارزیابی کرده اند. این کامپوزیت ها دانسیته ی مطلوبی دارند (حدود 86 % ) و مقداری تخلخل در داخل طناب های فیبری آن وجود دارد. استحکام مربوط به این مواد در دمای اتاق، تقریباً برابر با 235 MPa می باشد. این استحکام تا دمای 1300℃ حفظ می شود. این استحکام بعد از 300 سیکل گرمایی در دمای 1150℃، تنها 15 % کاهش می یابد. نتایج بدست آمده بر این دلالت دارد که NdPO_4 نیز پوشش قابل اطمینانی می باشد.
تحقیق بر روی این پوشش ها هم اکنون نیز در حال انجام می باشد و احتمالاً این تحقیق ها تا جایی ادامه می یابد که یک محصول تجاری مناسب، ساخته شود.

پوشش های متخلخل

زمینه های متلخلخل در بخش های قبل مورد بررسی قرار گرفت. یک پوشش متخلخل در واقع می تواند عملکرد مشابهی ایجاد کند و از این رو بتواند با استفاده از ایجاد تخلخل در اطراف الیاف، عملکرد ذکر شده را ایجاد کند. پوشش های متخلخل مختلفی مورد بررسی قرار گرفته اند. این پوشش ها شامل زیرکن، زیرکونیا و مواد آلومینوسیلیکاتی دارای عناصر خاکی می باشند.
تحقیق های انجام شده بر روی پوشش های متخلخل به عنوان بخشی از یک پروژه انجام شده است که هدف آن، توسعه و تولید کامپوزیت های اکسید- اکسید برای کاربردهای مربوط به محفظه ی احتراق، می باشد. تقویت کننده های فیبری سافایری به میزان 30 % حجمی برای حصول این اهداف در دمای بالا، مورد استفاده قرار گرفته است. دمای مورد نظر برای این کار در حدود 1400℃ می باشد. پوشش های از جنس زیرکونیای متخلخل بر روی الیاف و با استفاده از روش دوغابی ایجاد شده است. در این دوغاب ها علاوه بر زیرکونیا، از کربن نیز استفاده شده است. کربن بعد از قرارگیری نمونه در شرایط مناسب، اکسید می شود و از بین می رود و تخلخل جای آن باقی می ماند. کاشی های مسطح مربوط به بخش احتراق تولید شدند و در یک آزمون محفظه به مدت های 1.5 ساعت مورد آزمون قرار گرفتند. بررسی بر روی نموه های آزمایش شده، نشاندهنده ی وجود میکروترک هایی در زمینه می باشد اما الیاف در این کامپوزیت ها، هنوز هم سالم بودند و زمینه را در کنار هم نگه داشتند. این نتایج اولیه نشاندهنده ی این است که این کامپوزیت های اکسید- اکسیدی، برای کاربردهای محفظه ی احتراق، مناسب هستند. به هر حال، هزینه های مربوط به تولید این کامپوزیت ها و همچنین سختی ساخت آنها ممکن است موجب محدود شدن استفاده از آنها گردد.

پوشش های فرار

عبارت فرار برای پوشش های مورد استفاده قرار می گیرد که می توان آنها را بعد از تولید کامپوزیت، از بین برد. مواد مختلفی برای انجام این عملکرد، مورد استفاده قرار گرفته است. از جمله ی این مواد، می توان به مولیبدن اشاره کرد. البته کربن یکی از گزینه های مناسب است که بر اساس فراوانی و ارزان قیمت بودن، گزینه ی خوبی محسوب می شود. پوشش های کربنی را می توان در کامپوزیت های اکسید- اکسید مورد استفاده قرار داد و سپس این پوشش را از طریق اکسیداسیون آن پیش از استفاده، از بین برد. با از بین رفتن این پوشش، شکافی میان فیبر و زمینه، ایجاد می شود. پوشش های کربنی برای استفاده در کامپوزیت های بر پایه ی SiC مناسب نیستند زیرا این پوشش ها در دماهای پایین (در حدود 500℃) اکسید می شوند و شکافی میان زمینه و فیبر ایجاد می کنند. این الیاف در هنگام از بین رفتن پوشش کربنی، اکسید می شوند و این مسئله منجر به تشکیل سیلیس در سطح مشترک فیبر و زمینه می شود که این ماده موجب تشکیل چسبندگی بالایی بین فیبر و زمینه می شود.
به هر حال، در هنگام استفاده از مواد اکسیدی، کربن دارای عملکرد محافظتی بیان شده در بالا نیست و از این رو، بدون تخریب فیبر، می توان لایه ی کربنی را خارج کرد. پوشش های کربن فرار سطح مشترک تضعیف شده ای برای کامپوزیت های YAG تقویت شده با سافایر و کامپوزیت های نکستل 720/ CAS ایجاد می کنند. آزمون فشار خارجی برای بررسی عملکرد این پوشش ها مورد استفاده قرار گرفته است. ضخامت کربن مورد استفاده بسیار مهم می باشد.
پوشش های دولایه ی فرار از جنس کربن- زیرکونیا نیز موجب ایجاد سطح مشترک تضعیف شده در کامپوزیت های سافایر/ آلومینا می شود. در این کار، پوشش کربنی به تنها موجب بهبود خواص کامپوزیت نمی شود، به هر حال، این ممکن است که پوشش کربنی به اندازه ی کافی ضخامت نداشته باشد و یا پیوسته نباشد. در هر مورد، لایه ی فرار به همراه لایه ی زیرکونیایی، موفقیت آمیز عمل می کند و استحکام های خمشی در حد 600 MPa بعد از اکسیداسیون کربن، ایجاد می کند. پوشش های کربن فرار همچنین برای کامپوزیت های متشکل از الیاف نکستل 610 نازک به همراه زمینه ی مولایت، مورد بررسی قرار گرفته است. این پوشش ها موفقیت آمیز نبوده اند زیرا نتوانسته اند به خوبی فیبر را در بر بگیرند. این مثال ها نشان دهنده ی وجود نیاز به کنترل دقیق بر روی ویژگی های پوشش فرار، به منظور حصول پوشش مناسب، می باشد.
مولیبدن نیز به عنوان یک پوشش فرار جایگزین مورد بررسی قرار گرفته است. این ماده در هنگام وجود فشار بخارهای اندک از اکسیژن، متحمل استحاله ی MoO_3 می شود و این اکسید نیز در دمای 1155℃، تصعید می شود. نتایج مربوط به کارهای انتشار یافته، نشاندهنده ی این است که مولیبدن، بهبود قابل توجهی در خواص این کامپوزیت ها، ایجاد نمی کند.

سایر پوشش ها

تحقیق ها بر روی سایر جوانب پوشش های سطح میانی، انجام شده است. پوشش های مورد بررسی قرار گرفته اند که به سهولت بالا می شکنند. از جمله ی این پوشش ها می توان به پوشش های فیلوسیلیکاتی، هگزا آلومینات ها و پروسکایت های لایه ای اشاره کرد. پوشش های داکتیل و پوشش های رآکتیو نیز از جمله پوشش های دیگری هستند که در این زمینه مورد بررسی قرار گرفته اند.
علاوه بر گروه های پوشش ذکر شده در بالا، انواع مختلفی از پوشش های سطح مشترک پیشنهاد شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای مثال، یک محصول تجاری با نام Soft-Cera بوسیله ی شرکت مواد معدنی میتسویی به بازار عرضه شده است. این پوشش شامل پارچه های بافته شده از جنس آلمکس (آلومینا) است که بوسیله ی زیرکونیا پوشش داده شده اند. این الیاف در داخل زمینه ای از جنس آلومینای متخلخل، قرار داده شده اند. گزارش های اولیه نشاندهنده ی این مسئله می باشد که استحکام این مواد نسبتاً پایین است و طول سنجه اثر اندکی بر روی استحکام کامپوزیت دارد. به طور مشابه، کارهای انجام شده بوسیله ی Sudre نشان دهنده ی این است که پوشش های زیرکونیایی دارای سطح استحکام بخشی مشابه با زیرکونیای متخلخل نیستند. سایر مواد مورد استفاده به عنوان پوشش، نیز که برای CMC ها مورد بررسی قرارگرفته اند، عبارتند از: 〖Al〗_2 TiO_5، YAG، مولایت، CeO_2، AlN، TiO_2، ZrO_2-SiO_2 و دی بوریدها.

خواص

خواص فیزیکی کامپوزیت ها، به خواص اجزای آنها و نحوه ی قرارگیری آنها وابسته است. به دلیل اینکه شرایط سرویس دهی کامپوزیت ها با رژیم های محیطی و گرمایی همراه است، این مهم است که در زمینه ی وابستگی زمان- دما و کارایی محیطی مواد، اطلاعات کسب کنیم. به هر حال، به دلیل جدید بودن این مواد، شناسایی خواص آنها محدود می باشد و این متداول نیست که تغییرات قابل توجهی را بتوان در خواص این مواد ایجاد کرد. بهترین آگاهی ممکنه در مورد این مواد، وابستگی زمان- دمای به ریزساختار این مواد می باشد. بیشتر اطلاعات موجود در این زمینه، در مورد کامپوزیت های اکسید- اکسید با زمینه ی متخلخل می باشد که بوسیله ی شرکت هایی از جمله جنرال الکتریک، سرامیک COI و UCSB تولید شده اند.
این بخش بدین صورت طبقه بندی شده است. خواص فیزیکی اساسی ابتدا توصیف می شوند. بعد از آن در مورد خواص مکانیکی در دمای اتاق بحث می شود. سپس در مورد اثر قرارگیری این کامپوزیت ها به صورت طولانی در دمای بالا، صحبت می شود، همچنین خواصی همچون رفتار خزشی، حساسیت به شکاف و کارایی شکست نیز بعد از آن، توصیف می شود.

خواص فیزیکی اساسی

یک تعداد از ویژگی ها برای کامپوزیت های اکسید- اکسید تقویت شده با الیاف متداول می باشد. همانگونه که قبلاً بحث شد، این کامپوزیت ها دارای حجم قابل توجهی تخلخل در داخل زمینه ی خود هستند. علاوه بر این، تمام مواد شناسایی شده به حجم تخلخل موجود وابسته هستند و این تخلخل ها به طور مستقیم بر روی انحراف ترک و تافنس اثرگذار هستند. در حالی که ما به طور متداول به این زمینه های متخلخل اشاره می کنیم، حجم تخلخل و حفره اغلب شامل ترک های مربوط به شرینکیج و میکروترک ها می باشند نه تنها تخلخل های واقعی. مقادیر نسبی مربوط به این تخلخل ها، می تواند به طور قابل توجهی بر روی خواص ماده اثرگذار باشد، اما این مسئله اصلاً بررسی نشده است. در هر مورد، زمینه ها به طور نمونه وار بسیار سازگار هستند و در مقایسه با الیاف ضعیف ترند. نتیجه ی این مسئله این است که خواص کامپوزیت بیشتر به خواص الیاف وابسته است وخواص وابسته به زمینه، کاملاً محدود هستند.
سفتی و استحکام در جهات بارگذاری، که در آنها، الیاف در حالت کششی می باشند، تقریباً شبیه به بارگذاری الیاف می باشد. خواص در جهت های تقویت نشده، همان چیزی است که برای زمینه ی متخلخل است.
مواد کامپوزیتی انتخاب شده و خواص فیزیکی آنها در جدول 2 بخش اول این مقاله آورده شده است. کامپوزیت های GE GEN-IV دارای کسر حجمی نسبتی حدود 30 % از الیاف نکستل 610 و یک زمینه ی آلومینایی یا سیلسی با میزان تخلخل 35 % می باشند. COI یک تعداد از مواد زمینه ای آلومینوسیلیکاتی را با انواع مختلفی از الیاف اکسیدی نکستل تولدی می کند که دارای میزان فیبر و تخلخل بیشتری در زمینه نسبت به مواد GE می باشد. دو مثال از کامپوزیت های متخلخل عاری از سیلیس (جدول 2 بخش اول این مقاله) با پایداری های حرارتی بهبود یافته فرمولاسیون مولایت- آلومیناست که بوسیله ی UCSB توسعه یافته است.
تخلخل زمینه به میزان تقریبی 40 % منجر به ایجاد تخلخل کل نزدیک به 30 % می شود و این مسئله منجر به دانسیته های نسبی پایین می شود (جدول 2 بخش اول این مقاله). مساحت سطح اندازه گیری شده برای کامپوزیت های GEN-IV برابر با 30 m^2/g می باشد. این مساحت 100 برابر بزرگتر از مساحت مربوط به CMC های با زمینه ی دانس می باشد و شاخصی است از تخلخل های ریز با ارتباط داخلی در این کامپوزیت ها. یک چنین تخلخل های زمینه ای بالایی در جایی که آلودگی های مایع نفوذ کننده مطرح باشد، مناسب نمی باشند.
خواص گرمایی و دی الکتریک چندین سیستم کامپوزیتی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که انبساط حرارتی، رسانایی و گرمای ویژه ی تمام کامپوزیت ها، با تغییر یک فاکتور از دو فاکتور در بین دمای 23 تا 1000 ℃، تغییر می کند.

خواص مکانیکی تک محوره در دمای اتاق

خواص کششی دمای اتاق مربوط به این کامپوزیت ها به طور خلاصه در جدول 3 آورده شده است. این مهم است که بفهمیم، زمینه های تمام سیستم ها، دارای مدول و استحکام الاستیک مناسبی است و این مدول کمتر از مدول مربوط به الیاف باشد. از این رو، خواص این کامپوزیت ها به طور قابل توجهی در محورهای مختلف، متفاوت است. خواص کامپوزیت های بیان شده در جدول 3 بیان کننده ی پاسخ بارگذاری در جهت الیاف می باشد. جهت گیری الیاف به صورت صفر و 90 درجه بهترین قرارگیری الیاف بر روی هم می باشد. استحکام و سفتی در هر جهت دیگر، نشاندهنده ی میزان کمتری می باشد.
به دلیل تفاوت های اساسی میان خواص زمینه و الیاف، مدول داخل صفحه ای بوسیله ی مدول الیاف و کسر حجمی آنها، تعیین می شود. برای مثال، مواد GE-GEN-IV دارای مدول برابر با 70 GPa هستند. با استفاده از 15 % فیبر در جهت بارگذاری که در واقع این فیبرها نیز دارای مدول الاستیک 380 GPa می باشند، سفتی مورد انتظار برابر با 57 GPa می باشد. مواد UCSB بر پایه ی الیاف نکستل 610 با 33 % میزان فیبر بیشتر، دارای مدولی هستند که 35 % بالاتر است. مشارکت اندک زمینه موجب می شود تا استنباط در مورد خواص الاستیک زمینه و ایجاد تمایز بین زمینه و الیاف، با مشکل مواجه باشد. به عنوان یک نتیجه گیری و به دلیل اینکه تولید مواد متخلخل بدون استفاده از تقویت کننده های فیبری سخت می باشد، خواص اجزای آنها هنوز هم شناسایی نشده است.
شکل 3 نشاندهنده ی یک نمودار تنش- کرنشش نمونه وار در جهت صفر/ 90 درجه می باشد. پاسخ ایجاد شده در ابتدا به صورت خطی است و سفتی نیز تا حدی بالاتر از چیزی است که به تنهایی برای الیاف، مورد انتظار بود. به هر حال، این نمودار در کرنش های نسبتاً پایین، غیر خطی می شود. این رفتار با این مسئله تطابق دارد که مشارکت زمینه به دلیل بروز ترک کاهش می یابد و بدین صورت مدول کاهش می یابد. مشارکت کل زمینه به منظور حمل بار به اندازه ی کافی کوچک می باشد که یک حد قابل مقایسه به سختی قابل تشخیص می باشد. به هر حال، رفتار الاستیک در قابلیت کامپوزیت به منظور ایجاد مقاومت در برابر تمرکز تنش، مشارکت دارد. وقتی تخریب های ایجاد شده در زمینه به طول کامل گسترش می یابد، مدول تانژانتی کاهش می یابد و به مقداری می رسد که برای در نظر گرفتن مشارکت الیاف به تنهایی، مورد انتظار است.
برخلاف مدول کششی، استحکام کششی نهایی می تواند در اصل بوسیله ی فرمولاسیون زمینه، تحت تأثیر قرار گیرد. در بهترین حالت، وقتی تنش به استحکام نهایی مربوط به کامپوزیت می رسد، تخریب در زمینه ایجاد می شود. بنابراین، شکست وقتی اتفاق می افتد که الیاف به حد شکست خود برسند. ویژگی های شکست الیاف بوسیله ی توزیع آماری ترک ها در داخل فیبر، تعیین می شود. وقتی ضعیف ترین الیاف، می شکنند، بار آنها به الیاف باقیمانده، انتقال می یابد. اگر سطح مشترک زمینه یا الیاف ضعیف باشد و پیوند آنها قوی نباشد، شکست یک فیبر منجر به تمرکز بار نمی شود بلکه بار به تعداد کمتری فیبر منقل می شود.
در یک کامپوزیت با کیفیت بالا، بسیاری از الیاف شکسته شده در سطح شکست، با سطح شکست فاصله دارند. در کامپوزیت های با زمینه ی متراکم و دارای سطح مشترک تضعیف شده، به دلیل وجود خاصیت لغزش اصطکاکی، ظرفیت تحمل بار وجود دارد زیرا الیاف نسبت به زمینه کشیده می شوند و سطوح شکست نیز این مسئله را نشان می دهد. سطوح شکست نمونه وار برای کامپوزیت های زمینه ی متخلخل نیز به طور تحمل الیاف وابسته است. در حالی که این ویژگی اغلب ویژگی کشیدگی الیاف نامیده می شود، این ویژگی موجب می شود تا شکست نهایی مربوط به زمینه در ناحیه ی شکست، کاهش یابد و الیاف به گونه ای شکسته شوند که میزان مقاومت به کشش، مینیمم باشد. از این رو، در حالی که تاحدی اصطکاک یک مشارکت کننده می باشد، این اثر احتمالاً اثر اندکی است. از این رو، در حالی که برخی مشارکت ها برای اصطکاک در کامپوزیت های زمینه ی متخلخل، بیان شده است، این اثر احتمالاً بسیار اندک می باشد.
در هر مورد، استحکام کششی نهایی مربوط به کامپوزیت، به استحکام الیاف نزدیک می شود. برای مثال، کامپوزیت های COI 610/AS دارای 25 % فیبر در جهت بارگذاری هستند که استحکام این الیاف برابر با 1600 MPa می باشد؛ بنابراین، استحکام این کامپوزیت که برابر با 366 GPa می باشد، کمتر از 10 % مقدار 400 GPa است که بر اساس استحکام الیاف، تعیین شده است.
جدول 3 همچنین نشاندهنده ی استحکام خمشی است که به منظور مقایسه آورده شده است. اغلب این استحکام ها برای کامپوزیت های سرامیکی، گزارش داده می شوند. آزمون های خمشی به چندین علت مهم هستند:
1) این آزمون ها شرایط بسیاری از کاربردها را به طور بهتر شبیه سازی می کند.
2) برخی اواقات، این روش ها به طور واضح نشاندهنده ی تلورانس خطای بالا می باشد.
با توجه به مسائل گفته شده، مقادیر گزارش شده را باید با دقت مورد توجه قرار داد. مقدار استحکام بدست آمده از آزمون خمشی 3 و 4 نقطه ای، ماکزیمم تنش محاسبه شده است. البته این در نظر گرفته شده است که پاسخ مواد به صورت خطی است. یک کامپوزیت نمونه وار از خود خاصیت غیر خطی نشان می دهد و دارای عدم تقارن کششی- فشاری است که علت آن ایجاد ترک و تخریب ها در حین فرآوری و آزمایش می باشد. در نتیجه، توزیع تنش نسبت به چیزی که تئوری می گوید، متفاوت است به نحوی که استحکام خمشی محاسبه شده، دقیقاً تنش ماکزیممی نیست که نمونه می تواند تحمل کند. استحکام های خمشی عموماً بالاتر از تنش های کششی است (به میزان 20 تا 30 %). حتی زمانی که تلاش به منظور محاسبه ی دقیق عدم خطی بودن این مورد در ماده، انجام شود، آزمون خمشی هنوز هم منجر به مقادیر استحکام بالاتر نسبت به آزمون کشش ساده می شود.
این مسئله به وابستگی مقیاسی تفسیر می شود یعنی چیزی بالاتر از تنش مجاز است اگر تمرکز بر روی حجم کوچکی از ماده باشد. یک چنین وابسگی حجمی با طبیعت آماری مربوط به شکست مواد ترد، تطابق دارد و ممکن است نقش مهمی در رفتار مقامت به شکاف در کامپوزیت های سرامیکی، ایفا کند.
استحکام های مربوط به کامپوزیت ها در حالت فشاری نیز در جدول 3 لیست شده است. این مسئله جالب توجه است که استحکام فشاری با استحکام کششی، قابل مقایسه است. این مسئله برخلاف طبعیت سرامیک های مونولیتیک است که در آنها استحکام فشاری می تواند بالاتر از استحکام کششی باشد. در مورد کامپوزیت های فیبری، شکست فشاری بوسیله ی خمیده شدن الیاف، رخ می دهد و بنابراین، استحکام محدود است که علت آن محدود بودن استحکام و سفتی زمینه می باشد. اثر تخلخل زمینه به طور گسترده در کامپوزیت های UCSB 720 / مولایت- آلومینا مورد بررسی قرار گرفته است. زمینه ی اصلی مخلوطی از 80 % مولایت و 20 % آلومیناست. در این زمینه، 35 % حجمی تخلخل وجود دارد. زمینه سپس با استفاده از محلول پیش ماده ی آلومینا، پر می شود و این مسئله موجب می شود تا بعد از عمل نفوذ، دانسیته ی به میزان اندکی افزایش یابد. جدول 4 تغییر در استحکام را نسبت به نفوذ پیش ماده ی آلومینایی را نشان می دهد. همین طور که دانسیته افزایش می یابد، استحکام خمشی کاهش می یابد و مکانیزم شکست از حالت بر پایه ی الیاف به حالت بر پایه ی زمینه، تبدیل می شود. این مسئله تنها در 2-4 % تغییر در دانسیته ی زمینه، رخ می دهد. این شیفت نه تنها موجب افزایش استحکام پیوند میان زمینه و فیبر می شود، بلکه همچنین موجب افزایش مدول الاستیک زمینه می شود. تغییر در پاسخ الاستیک مربوط به زمینه وقعاً اندک است و به هر حال، این مسئله بر روی پاسخ الاستیک ماده، اثر قابل توجهی ندارد. همانگونه که بوسیله ی برخی نویسندگان گفته شده است، تخریب فیبر که از نفوذ قابل توجه و اعمال سیکل های حرارتی منتج می شود، نقش قابل توجهی ایفا می کند. احتمال واقعی در زمینه ی تخریب فیبر، موجب شده است تا تفسیر نتایج از این نوع، با مشکل مواجه شود. همانگونه که در بالا بحث شد، انحراف ترک رقابتی بین شکست زمینه و شکست فیبر است. این مشکل است که تفاوت بین این دو مورد را تشخیص دهیم.
برخلاف استحکام داخل صفحه که بیشتر تحت تأثیر الیاف است، جدول 4 نشان می دهد که استحکام برشی لایه ای مربوط به این کامپوزیت ها، بهبود یافته است. این مسئله با افزایش دانسیته ی کامپوزیت، همراه بوده است. از این رو، یک سبک و سنگین کردن در طراحی کامپوزیت ها، باید انجام شود. شاید از این مهم تر، تشخیص این مسئله باشد که چگونه می توان استحکام این کامپوزیت ها در دمای اتاق را به استحکام در طی سیکل های حرارتی، ارتباط داد.

در معرض حرارت قرار داشتن در طی زمان طولانی

محدودیت دما- زمان مربوط به کامپوزیت های با زمینه ی متخلخل در سرویس دهی بوسیله ی ترکیبی از دو حد دمایی/ زمانی داخلی، تخریب خود به خودی الیاف و تخریب مکانیزم های انحراف ترک از طریق ایجاد تغییر در زمینه، تعیین می شود. جزئیات مربوط به تخریب مکانیزم های انحراف ترک، به طور کامل فهمیده نشده است و این مسئله معمولاً از سیستمی به سیستم دیگر، متفاوت است. با وجود این، این مکانیزم ها، ترکیبی از استحکام بخشی مربوط به زمینه و استحکام بخشی در داخل زمینه می باشد. همچنین زینتر شدن زمینه به اجزای فیبری و اجزای داخلی نیز از جمله مسائل مهم می باشد. این مسئله تا حدی یک مشکل برای سیستم های دارای زمینه ی آلومینوسیلیکاتی است. استحکام کامپوزیت های COI 720/ AS به طور قابل توجهی در زمانی که دما به مدت 1000 ساعت بالاتر از 1000℃ باشد، افت می کند (شکل 4). در دمای 1200℃، تخریب به سرعت اتفاق می افتد و این تخریب در کمتر از 100 ساعت ایجاد می شود. بنابراین، زمینه ی آلومینوسیلیکاتی ممکن است برای سرویس دهی در زمان های کوتاه و دماهای زیر 1000℃ مناسب باشد. این واضح است که مواد GE GEN-IV در هنگام قرارگیری در دماهای زیر 1100℃، تنها متحمل 15 % افت در استحکامشان می شوند.
زمینه ی UCSB در اصل از یک شبکه ی مولایت های درشت تشکیل شده اند. مولایت تا دمای 1300℃، یک ماده ی مقاوم در برابر زینترینگ است که موجب می شود دمای شروع شرینکیج را کاهش دهد و موجب شود تا تخریب در دماهای بالاتر از دمای تخریب فیبر، با مشکل مواجه گردد. آلومینا در زمینه موجب می شود تا ذرات مولایت به هم بچسبند اما به دلیل اینکه مولایت یک شبکه ی پیوسته تشکیل می دهد، هیچ شرینکیج کلی برای زمان های طولانی در معرض حرارت بودن، مشاهده نشده است. اثر این جنبه در شکل 4 مشاهده شده است. زمینه های تمام آلومینایی COI به خوبی کار می کند. این مسئله به دلیل استفاده از تخلخل های اولیه در زمینه و وجود فرمولاسیون غیر هموژن از آلومینا، ایجاد شده است.
همانگونه که قبلاً بحث شد، یک زمینه ی آلومینا- YAG شبیه مواد UCSB عمل می کند و دارای پایداری قابل توجهی در برابر متراکم شوندگی تا دمای 1200℃ دارد. این مسئله به دلیل عدم وجود سیلیس آزاد است که ممکن است در برخی اتمسفرها مهم باشد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد