Кермет - Cermet
А металлокерамика это композитный материал состоит из керамика (цер) и металлические (мет) материалы.
Кермет идеально разработан, чтобы иметь оптимальные свойства как керамика, например, устойчивость к высоким температурам и твердость, а также свойства металла, например, способность выдерживать Пластическая деформация. Металл используется как связующее для окись, борид, или же карбид. Обычно используются металлические элементы. никель, молибден, и кобальт. В зависимости от физической структуры материала керметы также могут быть композиты с металлической матрицей, но металлокерамика обычно составляет менее 20% металла по объему.
Керметы используются при производстве резисторы (особенно потенциометры ), конденсаторы, и другие электронный компоненты, которые могут подвергаться воздействию высоких температур.
Керметы используются вместо карбида вольфрама в пилах и других припаянный инструменты из-за их превосходных износостойких и коррозионных свойств. Нитрид титана (Банка), карбонитрид титана (TiCN), карбид титана (TiC) и аналогичные могут паяться как карбид вольфрама однако при правильной подготовке они требуют особого обращения во время измельчения.
Композиты из MAX фазы, новый класс троичных карбиды или же нитриды с алюминий или же титан сплавы с 2006 г. изучаются как ценные материалы, демонстрирующие благоприятные свойства керамики с точки зрения твердости и прочности на сжатие наряду с пластичностью и вязкостью разрушения, обычно присущими металлам. Такие металлокерамические материалы, в том числе фазовые композиты алюминий-MAX,[1] имеют потенциальные применения в автомобильной и авиакосмической промышленности.[2][1]
Некоторые типы керметов также рассматриваются для использования в качестве защиты космических кораблей, поскольку они выдерживают высокоскоростные удары микрометеороиды и орбитальный мусор намного эффективнее, чем более традиционные материалы для космических кораблей, такие как алюминий и другие металлы.
История[3]
После Вторая Мировая Война стала очевидной необходимость разработки материалов, устойчивых к высоким температурам и высоким нагрузкам. Во время войны немецкие ученые разработали керметы на оксидной основе в качестве заменителей сплавов. Они увидели в этом применение для высокотемпературных участков новых реактивные двигатели а также высокотемпературные турбинные лопатки. Сегодня керамика обычно используется в камере сгорания реактивных двигателей, поскольку она обеспечивает термостойкую камеру. Также были разработаны керамические лопатки турбины. Эти лопасти легче стали и допускают большее ускорение узлов лопастей.
Военно-воздушные силы США увидели потенциал в технологии материалов и стали одним из главных спонсоров различных исследовательских программ в США. Некоторые из первых университетов, начавших исследования, были Государственный университет Огайо, Университет Иллинойса, и Университет Рутгерса.
Слово металлокерамика на самом деле было придумано ВВС США, идея состоит в том, что они представляют собой комбинацию двух материалов, металл и керамика. Основные физические свойства металлов включают: пластичность, высокая прочность и высокая теплопроводность. Керамика обладает основными физическими свойствами, такими как высокая температура плавления, химическая стабильность и особенно стойкость к окислению.
Первый разработанный металлокерамический материал оксид магния (MgO), оксид бериллия (BeO) и оксид алюминия (Al2О3) для керамической части. Упор на прочность на разрыв при высоком напряжении составлял около 980 ° C.[4] Университет штата Огайо был первым, кто разработал Al2О3 керметы на основе с высокой прочностью на разрыв при напряжении около 1200 ° C. Kennametal, металлообрабатывающее и инструментальное предприятие, г. Латроб, Пенсильвания, разработала первый кермет из карбида титана с показателем прочности 19 мегапаскалей (2800 фунтов на кв. дюйм) и 100-часовым сопротивлением разрыву при 980 ° C. Реактивные двигатели работают при этой температуре, и дальнейшие исследования были направлены на использование этих материалов для компонентов.
Контроль качества при производстве этих металлокерамических композитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось ограничивать небольшими партиями, и внутри этих партий свойства сильно различались. Разрушение материала обычно было результатом необнаруженных дефектов, обычно возникающих во время обработки.
Существовавшая в 1950-х годах технология достигла предела для реактивных двигателей, когда многое можно было улучшить. Впоследствии производители двигателей отказались от разработки двигателей из металлокерамики.
Интерес возобновился в 1960-х годах, когда стали более внимательно изучать нитрид кремния и карбид кремния. Оба материала обладали лучшей термостойкостью, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.
Производство металлокерамики, Helipot Division компании Beckman Instruments, 1966 г.[5]
1. Взвешивание стеатитовых ингредиентов.
2. Процесс грануляции стеатита.
3. Прессование стеатитовой стружки
4. Высокотемпературный обжиг стеатитовой стружки.
5. Потенциометр Beckman, модель 61 (грохочение из кермета).
6. Окончательный обжиг металлокерамики.
7. Проверка электрического сопротивления.
8. Окончательная сборка
Приложения
Соединения и уплотнения керамика-металл
Керметы впервые широко использовались в соединениях керамики с металлом. Конструкция электронных ламп была одной из первых критически важных систем, и электронная промышленность использовала и разработала такие уплотнения. Немецкие ученые признали, что вакуумные лампы с улучшенными характеристиками и надежностью могут быть произведены путем замены стекла керамикой. Керамические трубки могут дегазироваться 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.[6] Сегодня металлокерамические покрытия для вакуумных трубок оказались ключевыми в солнечных системах горячего водоснабжения.
Керамика по металлу механические уплотнения также использовались. Традиционно они использовались в топливные элементы и другие устройства, преобразующие химическую, ядерную или термоэлектронную энергию в электричество. Металлокерамическое уплотнение требуется для изоляции электрических секций генераторов с турбинным приводом, предназначенных для работы в коррозионных парах жидкого металла.[6]
Биокерамика
Биокерамика играют важную роль в биомедицинских материалах. Развитие этих материалов и разнообразие производственных технологий расширили области применения, которые можно использовать в организме человека. Они могут быть в виде тонких слоев на металлических имплантатах, композитах с полимерным компонентом или даже просто пористой сетке. Эти материалы хорошо работают в организме человека по нескольким причинам. Они инертны, и поскольку они рассасываются и активны, материалы могут оставаться в организме в неизменном виде. Также они могут растворяться и активно участвовать в физиологических процессах, например, при гидроксилапатит, материал, химически похожий на структуру кости, может интегрироваться и способствовать росту кости. Общие материалы, используемые для изготовления биокерамики, включают оксид алюминия, диоксид циркония, фосфат кальция, стеклокерамику и пиролитический углерод.
Одно из важных применений биокерамики - операция по замене тазобедренного сустава. Материалы, использованные для замены тазобедренные суставы обычно были металлы, такие как титан с тазобедренным суставом, обычно облицованным пластиком. Многоосный шар представлял собой прочный металлический шар, но в конечном итоге его заменили более долговечным керамическим шаром. Это уменьшило шероховатость, связанную с металлической стенкой и пластиковой подкладкой искусственной тазобедренной впадины. Использование керамических имплантатов продлило срок службы заменяемых частей бедра.[7]
Керметы также используются в стоматология как материал для пломб и протезов.
Транспорт
Керамические детали использовались вместе с металлическими деталями в качестве фрикционных материалов для тормоза и клатчи.[6]
Другие приложения
В Армия США и Британская армия провели обширные исследования в области разработки металлокерамики. К ним относятся разработка легкой керамической противоосколочной брони для солдат, а также Доспехи Чобхэма.
Керметы также используются в механическая обработка на режущие инструменты.
Кермет также используется в качестве материала колец в высококачественных направляющих лески для удочек.
Кермет из обедненного делящегося материала (например, уран, плутоний ) и содалит были исследованы его преимущества при хранении ядерных отходов.[8] Подобные композиты также были исследованы для использования в качестве источника топлива.[9]
В качестве наноструктурированного кермета этот материал используется в оптической области, например, в солнечных поглотителях /селективная поверхность. Благодаря размеру частиц (~ 5 нм) на металлических частицах образуются поверхностные плазмоны, которые обеспечивают передачу тепла.
По причинам, связанным с роскошью, металлокерамика иногда считается материалом корпуса некоторых часов, в том числе Jaeger-LeCoultre часы Deep Sea Chronograph Vintage Cermet. Он также использовался (ноябрь 2019 г.) на лицевой панели флагманских дайверских часов Seiko Prospex LX Line Limited Edition.
Смотрите также
Примечания
- ^ а б Hanaor, D.A.H .; Hu, L .; Kan, W.H .; Пруст, Г .; Foley, M .; Караман, И .; Радович, М. (2016). «Характеристики сжатия и распространение трещин в сплаве Al / Ti.2Композиты AlC ». Материаловедение и инженерия A. 672: 247–256. arXiv:1908.08757. Дои:10.1016 / j.msea.2016.06.073.
- ^ Bingchu, M .; Ming, Y .; Цзяокун, З., и Вейбинг, З. (2006). «Приготовление композитов TiAl / Ti2AlC с порошками Ti / Al / C методом горячего прессования на месте». Журнал Уханьского технологического университета-матер. Наука. 21 (2): 14–16. Дои:10.1007 / BF02840829.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
- ^ Тинклепо, Джеймс Р.: «Керметс», издательство Reinhold Publishing Corporation, 1960.
- ^ Металлургические концепции, «Ползучесть и разрыв под напряжением». «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2007-01-05. Получено 2006-12-12.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
- ^ «Изготовление металлокерамического триммера». Helinews. Beckman Instruments (Весна 36): 4–5. 1966 г.
- ^ а б c Патти, Е. «Соединение керамики и графита с другими материалами, отчет». Управление по использованию технологий Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Вашингтон, округ Колумбия, 1968 г.
- ^ Design Fax Online, "Гибридный тазобедренный сустав". «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2007-09-27. Получено 2006-12-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
- ^ http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000532000001000089000001&idtype=cvips&gifs=yes
- ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2007-11-26. Получено 2007-10-11.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
дальнейшее чтение
- Тинклепо, Джеймс Р. (1960). Керметы. Нью-Йорк: издательство Reinhold Publishing Corporation. ASIN B0007E6FO4.
