Ceramic Matrix Composite Disc Brakes/pl
 | Ta strona jest częścią projektu MECH370 , zajęć Queen's University na temat obróbki materiałów. Możesz swobodnie komentować, korzystając z zakładki dyskusji . |
Wprowadzenie do ceramiki
Materiał ceramiczny to związek nieorganiczny i niemetaliczny, często składający się z wiązań metalicznych i niemetalicznych. Te związki jonowe powstają z dodatnio naładowanych kationów wiążących się z ujemnie naładowanymi anionami. Historycznie ceramika nie miała wielu zastosowań mechanicznych ze względu na właściwości materiału. Ceramika jest bardzo krucha, ma niewielką absorpcję energii i nie może ulegać odkształceniom plastycznym. [ 1 ] Mają odporność na wysoką temperaturę i mogą wytrzymać duże obciążenia ściskające. Na przykład ceramika porcelanowa może wytrzymać obciążenie ściskające dziesięć razy większe niż jej wytrzymałość na rozciąganie. [ 2 ]
Kompozyty z matrycą ceramiczną mają na celu umożliwienie większej liczby zastosowań mechanicznych poprzez zmniejszenie kruchości materiałów. Materiał CMC składa się z monolitycznej ceramiki wzmocnionej włóknami kompozytowymi w celu zmniejszenia rozprzestrzeniania się pęknięć w materiale. Ten wzmocniony materiał może być stosowany w wielu różnych zastosowaniach, ponieważ nie jest już ograniczony przez swoje kruche właściwości.
Właściwości CMC
Istnieje wiele rodzajów materiałów CMC, które zawierają różne właściwości mechaniczne i chemiczne. Niektóre są zaprojektowane dla zwiększonej wytrzymałości, twardości, odporności na pełzanie, podczas gdy inne mogą mieć większe właściwości termiczne i elektryczne. Uzyskane właściwości zależą od tego, jakie włókna są dodawane do matrycy ceramicznej i w jaki sposób materiał jest wytwarzany w swoim kształcie (tj. płyta, pręt, kula). [ 3 ]
Mechanizm hartowania
Istnieją dwie różne formy faz wtórnych wbudowanych w CMC, którym przypisuje się wytrzymałość. Są one znane jako włókna ciągłe i włókna nieciągłe. Włókna ciągłe to włókna jednokierunkowe, które są dodawane do matrycy ceramicznej. Włókna te dodają znaczną wytrzymałość materiałowi, szczególnie jeśli są obciążane w kierunku włókien. Uważa się, że włókna ciągłe są najbardziej skuteczne w zwiększaniu wytrzymałości. Włókna nieciągłe składają się z rozproszonych wąsów lub włókien cząsteczkowych w matrycy ceramicznej. Powstaje ona poprzez dodanie krótkich włókien z matrycą proszkową i jednoosiowe prasowanie mieszanki na gorąco. [ 3 ] Włókna cząsteczkowe to rodzaj krótkich, losowych włókien, które są losowo rozproszone. Często skutkuje to mniej wytrzymałym materiałem w porównaniu z wąsami.
Proces produkcyjny
Istnieje wiele różnych procesów i technik stosowanych do produkcji CMC. Niektóre metody są podobne do tych stosowanych w przypadku ceramiki monolitycznej, podczas gdy inne są podobne do metod produkcji polimerów.
Prasowanie na zimno i spiekanie
Ta metoda spiekania na zimno jest podobna do wytwarzania monolitycznej ceramiki. Proces odbywa się poprzez dodanie proszku matrycy ceramicznej z wodą w celu utworzenia zawiesiny. Do zawiesiny dodaje się spoiwo organiczne, aby utrzymać związek razem. Ten klej jest wypalany podczas procesu spiekania. Wąsy kompozytowe umieszczane są w mieszance, gdzie związek jest prasowany pod wysokim ciśnieniem. Następnie związek jest spiekany. Spiekanie to proces podgrzewania materiału poniżej jego temperatury topnienia, gdzie związek jest utrzymywany na miejscu przez samoprzylepność. Podczas spiekania matryca podlega skurczowi, który może prowadzić do pęknięć. [ 4 ] Zmiana temperatury spiekania i zapewnienie zgodności między rozszerzalnością cieplną matrycy i materiałów kompozytowych może zapobiec pęknięciom.
Infiltracja ciekłego krzemu (LSI)
LSI to szybka i tania metoda formowania C/C-SiC. Proces ten polega na wtłaczaniu ciekłego krzemu do porowatego półproduktu węgiel/węgiel. Półprodukt jest wytwarzany przy użyciu techniki produkcyjnej zwanej formowaniem transferowym żywicy W. Po wytworzeniu półproduktu matryca jest przekształcana z matrycy polimerowej w porowaty produkt węglowy. Proces ten nazywa się pirolizą, w której materiał jest podgrzewany do 900 C. W rezultacie powstaje materiał z wieloma porami, które działają jak kanały przepływu dla cieczy. Po zakończeniu pirolizy materiał jest umieszczany w próżni i wstrzykiwany ciekłym krzemem. Odbywa się to w temperaturze 1650 C. [ 5 ] Pory w węglu działają jak sieć kanałów, przez które przepływa krzem. Te kanały nazywane są kapilarami. Proces ten można określić ilościowo za pomocą równania Naviera-Stokesa, które przedstawia przepływ płynu w różnych kierunkach przy danym ciśnieniu i temperaturze. Ilość wytwarzanego węglika krzemu jest wynikiem sposobu, w jaki krzem przepływa w porowatym węglu. Zależy to od średnicy kapilary.
Ta technika produkcyjna jest bardzo skuteczna w produkcji mocnego materiału. CMC jest praktycznie bezbłędny, jeśli jest wykonany poprawnie. Niektóre problemy z tą procedurą polegają na tym, że temperatura ciekłego krzemu jest znacznie wyższa niż temperatura obróbki metalu lub polimeru. [ 6 ] W wysokich temperaturach zachodzące reakcje chemiczne mogą być szkodliwe lub uszkadzające dla produktów. Najpoważniejszym problemem w produkcji CMC jest rozprzestrzenianie się pęknięć z powodu rozszerzalności cieplnej. Jeśli zaangażowane materiały nie mają podobnych współczynników rozszerzalności, ponieważ kompozyty rozszerzają się z różną szybkością, wówczas nastąpi pęknięcie matrycy.
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej
Następująca metoda produkcji jest stosowana do impregnowania materiału matrycowego w preformie włóknistej [ 7 ] . Proces ten jest szeroko stosowany komercyjnie ze względu na jego zdolność do wytwarzania dużej objętości materiału. Proces ten jest również znany jako infiltracja parą chemiczną. Materiał jest wytwarzany wewnątrz reaktora parowego. Ten prosty reaktor składa się z wlotu i wylotu pary oraz dopływu ciepła do zamkniętego obszaru. Pierwszym krokiem w procesie jest opracowanie preformy włóknistej. Może to być coś prostego, jak tkanina tkana, taka jak przędza. Preforma musi zostać wykonana w trójwymiarowych kształtach przed przetworzeniem. Preforma jest umieszczana wewnątrz reaktora, gdzie reaguje z gazami. Istnieje wiele różnych rodzajów par, które można wykorzystać, ale zasady są takie same.
Na przykład, gdybyśmy mieli wyprodukować produkt przy użyciu matrycy SiC. [ 8 ] Zaczynamy od substancji chemicznej w formie pary zwanej metylotrichlorosilanem (CH3SiCl3). W wysokich temperaturach około 1400 para ulegnie reakcji rozkładu izotermicznego:
CH3SiCl3 (g) → SiC (s) + 3HCl (g)
Wynikiem tej reakcji jest stały produkt SiC, który jest użyteczny, a dodatkowy produkt jest wysyłany przez wydech. SiC, który pozostaje w reaktorze, wiąże się z włóknistym podłożem wypełniającym jego pory, tworząc kompozyt ceramiczny. Ten proces dyfuzji SiC w preformie może być bardzo powolny, ale wynikiem jest mechanicznie użyteczny produkt. Ogólnie rzecz biorąc, ta metoda wytwarzania jest dobra ze względu na jej zdolność do wytwarzania materiału w różnych kształtach. Ponieważ proces jest wykonywany izotermicznie, nie ma pęknięć z powodu rozszerzalności cieplnej. Innym problemem, który może wystąpić, jest zjawisko znane jako puszkowanie. Występuje ono podczas powolnej dyfuzji gazu przez preformę kompozytową. Jeśli rozkład pary następuje na powierzchni materiału, gaz nie jest w stanie dyfundować przez całą preformę, ponieważ pory są zamknięte. Ten problem można rozwiązać za pomocą wielokrotnych impregnacji, ale może to być bardzo czasochłonne i nieopłacalne.
Przeprowadzono eksperyment, aby użyć CVI z SiC na porowatym półprodukcie papierowym. [ 9 ] Papier miał grubość 0,8 mm i wielkość porów 25 μm. Używając CVI półprodukt był obrabiany w temperaturze 900°C przez dłuższy okres czasu. Badanie wykazało, że po 3 godzinach infiltracji Si całkowicie zareagował z SiC na powierzchni. Po 5 godzinach warstwa ceramiczna miała grubość 6 μm, a próbka miała zwiększoną wagę o 600%. Ostatnim etapem było przeprowadzenie obróbki cieplnej w celu usunięcia wszelkiego niereagującego Si. Wykonano ją w temperaturze 1400°C, ale wykazała ona minimalny wpływ na próbkę.
Hamulce tarczowe CMC
Hamulce tarczowe W są zazwyczaj wykonane z szarego żeliwa. Materiał ten ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie i może wytrzymać wysoką temperaturę przed awarią. W pojazdach o wysokiej wydajności ilość ciepła wytwarzanego przez tarcie podczas hamowania może być zbyt duża, więc hamulce ulegają awarii lub muszą być często wymieniane. Awaria jest spowodowana pęknięciami wywołanymi termicznie. Ponadto hamulce te mogą być ciężkie i podatne na korozję, co powoduje awarię. Testowano inne kompozyty, takie jak Metal Matrix Composite i Carbon Carbon Composites. Wyzwaniem związanym z tymi materiałami jest zdolność do rozpraszania ciepła spowodowanego tarciem, która nie jest optymalna w wystarczająco wysokich temperaturach. Typowy hamulec tarczowy z szarego żeliwa może wytrzymać ciepło powierzchniowe wynoszące 400 C przed awarią.
Wpisz
C/C-SiC to faza włókien węglowych dodana do matrycy węglika krzemu. Powstały materiał ma zwiększoną wytrzymałość przy niższej gęstości i wysokich właściwościach tribologicznych. Najbardziej dominującą cechą jest jego zdolność do wytrzymywania wysokich temperatur bez awarii. Ze względu na niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i wysoką przewodność cieplną, ten CMC może zachować swoją wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Ten CMC został wyprodukowany jako hamulec tarczowy z 2D wzmocnionymi włóknami nieciągłymi. Włókna są umieszczone prostopadle do powierzchni tarcia, aby zmaksymalizować przewodność cieplną. Rezultatem jest hamulec tarczowy, który może wytrzymać temperatury powierzchni 1000 C przy minimalnym zużyciu.
Problemy
Hamulce tarczowe CMC nie są szeroko stosowane w zwykłych samochodach. Dzieje się tak z wielu powodów. Po pierwsze, ponieważ popyt na hamulce o wysokiej wydajności jest niewielki, te hamulce tarczowe są bardzo drogie. Koszt surowca nie jest bardzo wysoki i oczekuje się, że zmniejszy się wraz ze wzrostem popularności hamulców CMC. W przypadku zwykłych samochodów, które nie są używane przy dużych prędkościach, ilość ciepła wytwarzanego przy niskim tarciu jest niewielka. Hamulce z węglika krzemu stają się nieefektywne i znacznie słabsze, jeśli są używane w niskich temperaturach. Słabość ta jest wynikiem rozszerzalności cieplnej kompozytu i matrycy ceramicznej. Ponieważ materiał rozszerza się z różną szybkością w różnych temperaturach, na powierzchni mogą wystąpić pęknięcia.
Ulepszenia
Aby udoskonalić tę technologię, przeprowadzono testy w celu osiągnięcia wyższych temperatur powierzchni. Odkryto, że w przypadku tego kompozytu ceramicznego pewne obszary nie będą rozpraszać ciepła, co spowoduje powstanie „gorących punktów”. Wynika to ze zdolności materiałów do przewodzenia ciepła w kierunkach osiowym i poprzecznym. Ponieważ włókna są umieszczone prostopadle do powierzchni ciernej, nie są w stanie przenosić ciepła w innych kierunkach. Najprostszym rozwiązaniem jest wykonanie materiału o wyższej zawartości ceramiki. Poświęca to wytrzymałość hamulca, a jednocześnie dodaje nadmiar masy, ponieważ gęstość ceramiki jest znacznie większa niż gęstość włókna kompozytowego. Innym rozwiązaniem jest użycie bardziej przewodzącego ciepło włókna w matrycy ceramicznej. Powoduje to wyższy koszt produkcji, ale produkt o wyższej wydajności.
Inne aplikacje
Inne zastosowania, w których CMC mogą być używane do zastępowania tradycyjnych metali, to silniki o wysokiej wydajności lub turbiny gazowe. Dzięki wysokim właściwościom odporności termicznej wzmocniona ceramika może być używana do zwiększania stosunku ciągu do masy w samolotach. Aby silnik samolotu był bardziej wydajny, musi być lekki, trwały i odporny na wysokie temperatury. Aby zwiększyć wydajność silnika, wymagana jest wyższa temperatura wlotowa. Maksymalna temperatura dla superstopu wynosi około 1000 C. [ 10 ] Zastosowanie CMC może osiągnąć temperaturę wyższą niż w przypadku superstopów. Inne elementy silnika, które można ulepszyć za pomocą wzmocnionej ceramiki, to kanały wydechowe, tuleje spalania, każdy element, który jest narażony na wysoki stopień ciepła.
Wniosek
Produkując pojazd o wysokiej wydajności, należy wziąć pod uwagę komponenty, użyte materiały i cel pojazdu. Hamulce tarczowe w samochodzie wyścigowym podkreślają inne właściwości niż w motocyklu lub samolocie. Samochód wyścigowy będzie skupiony na wysokiej odporności termicznej, ponieważ występuje duże tarcie, w porównaniu do motocykla, który skupi się na redukcji masy, ponieważ nie wytwarza tak dużo ciepła. Aby uzyskać optymalną wydajność i efektywność, musi istnieć równowaga właściwości mechanicznych użytego materiału.
Dzięki wysokim właściwościom termicznym ceramiki, połączonym z wytrzymałością wzmocnioną włóknami, ceramika nie jest już ograniczona przez swoje kruche właściwości mechaniczne. Posiada wysoką trwałość, niższą gęstość i odporność na korozję, co rozszerza zastosowania mechaniczne. Dzięki nowym wydajnym technikom produkcyjnym CMC będą nadal stosowane w wysokowydajnych systemach grzewczych, zastępując jednocześnie tradycyjne komponenty metalowe.
Odnośniki
- ↑ Callister, William D. Materials Science and Engineering Wprowadzenie. York, PA: Wiley and Sons inc, 2007.
- ↑ Engineering Toolbox. Właściwości materiałów ceramicznych http://www.engineeringtoolbox.com/ceramics-properties-d_1227.html
- ↑Przejdź do:3.0 3.1 Shwartz, Mel, M. Materiały kompozytowe: właściwości, badania nieniszczące, naprawa. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1997.
- ↑ Chawala, KK. Ceramic Matrix Composites. Londyn: Chapman and Hall, 1993
- ↑ Frank H. Gern, Richard Kochendorfer, Infiltracja ciekłego krzemu: opis dynamiki infiltracji i formowania węglika krzemu, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Tom 28, Wydanie 4, 1997, Strony 355-364, ISSN 1359-835X, DOI: 10.1016/S1359-835X(96)00135-2. ( http://web.archive.org/web/20101129064623/http://www.sciencedirect.com:80/science/article/B6TWN-3SPGVD4-7/2/03fa5c53b6d065aeb79dacf84265ebe4 )
- ↑ Kristoffer Krnel, Zmago Stadler, Tomaz Kosmac, Przygotowanie i właściwości nano-kompozytów C/C-SiC, Journal of the European Ceramic Society, Tom 27, Numery 2-3, Raporty recenzowane IX Konferencja i Wystawa Europejskiego Towarzystwa Ceramicznego, IX Konferencja i Wystawa Europejskiego Towarzystwa Ceramicznego, 2007, Strony 1211-1216, ISSN 0955-2219, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2006.04.100. ( http://web.archive.org/web/20101129064210/http://www.sciencedirect.com:80/science/article/B6TX0-4K5ST15-1/2/e36e62fe279539bf7b9bc52fe6452a85 )
- ↑ „Przemysł ceramiczny”. Ms.ornl.gov. Sieć. 30 listopada 2009 r. < http://web.archive.org/web/20100605081626/http://www.ms.ornl.gov/programs/energyeff/cfcc/iof/chap24-6.pdf >.
- ↑ M. Rosso, Kompozyty ceramiczne i z matrycą metalową: drogi i właściwości, Journal of Materials Processing Technology, tom 175, numery 1-3, Achievements in Mechanical & Materials Engineering, 1 czerwca 2006, strony 364-375, ISSN 0924-0136, DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.04.038. ( http://web.archive.org/web/20101129064616/http://www.sciencedirect.com:80/science/article/B6TGJ-4GYNY34-2/2/06b80c58de16b0bdb37f5bdea5a1e94a )
- ↑ Daniela Almeida Streitwieser, Nadja Popovska, Helmut Gerhard, Gerhard Emig, Zastosowanie techniki chemicznej infiltracji z fazy gazowej i reakcji (CVI-R) do przygotowania wysoce porowatej biomorficznej ceramiki SiC pochodzącej z papieru, Journal of the European Ceramic Society, tom 25, wydanie 6, marzec 2005, strony 817-828, ISSN 0955-2219, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2004.04.006. ( http://web.archive.org/web/20101129064635/http://www.sciencedirect.com:80/science/article/B6TX0-4CP6B6X-2/2/e59d0e017712a874e951cb8e8fa2d4e2 )
- ↑ Hisaichi Ohnabe, Shoju Masaki, Masakazu Onozuka, Kaoru Miyahara, Tadashi Sasa, Potencjalne zastosowanie kompozytów z matrycą ceramiczną w komponentach silników lotniczych, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Tom 30, Wydanie 4, Kwiecień 1999, Strony 489-496, ISSN 1359-835X, DOI: 10.1016/S1359-835X(98)00139-0. ( http://web.archive.org/web/20101129064628/http://www.sciencedirect.com:80/science/article/B6TWN-3VY0BV6-H/2/0b3157af61fed5028e95b701f7145815 )
