Вони дорогі. Вони крихкі. Однак їх уже починають використовувати для заміни сталі у двигунах, реактивних двигунах і навіть у людському тілі.
Це феномен передових конструкційних керамік. Десятиліттями їх вважали за нішеві матеріали. Занадто крихкими для загального застосування та надто дорогими для масового використання. Але серед, де метал «їдять на сніданок», кераміка стає єдиним варіантом. Йдеться про високі температури, глибоку корозію та інтенсивне тертя. У цих областях міцні хімічні зв’язки, які роблять кераміку твердою, роблять її й крихкою. Важкі речі ламаються.
Проблема не бракує міцності. Проблема в тому, що нам не вистачає в’язкості. Тріщини починають з’являтися, а потім швидко поширюються. Швидко. до повного руйнування матеріалу.
Але інженери дають відсіч. Дослідники знайшли спосіб зупинити тріщини дома, змінивши микроструктуру. Вони намагаються перетворити тендітну кераміку на матеріал, який веде себе більше схожим на сталь. Не магія. Це мікроінженерія.
Ось як вони це роблять.
Чому кераміка важлива (якщо метал виходить з ладу)
Спочатку треба розвіяти непорозуміння. Передові конструкційні кераміки не використовуються для будівництва мостів. Їхня висока вартість та змінні механічні властивості ускладнюють безпечні розрахунки. Це дорогі альтернативи металам та полімерам.
Але розгляньте внутрішню частину автомобільного двигуна. Або лопатки турбіни реактивного двигуна. Або кульшовий імплантат у пацієнта.
У цих випадках вам потрібні матеріали, які можуть витримувати:
Екстремальне тепло, щоб вони не плавилися та не деформувалися.
* Хімічну чи біологічну корозію.
* Ерозію, викликану частинками зносу або постійним тертям.
Метал плавиться. Полімер горить. Композити розшаровуються. Кераміка? Вона просто залишається хімічно інертною та термохімічно стабільною.
Візьмемо як приклад обладнання для переробки мінералів. Подрібнення каменів у пил. Звичайна сталь зношується за кілька місяців. Високоякісна кераміка дуже зносостійка і може використовуватися багато років. Або розглянемо кісткові замінники. Людське тіло – це агресивне корозійне середовище. Метали corroдируют і виділяють токсичні іони. Деякі кераміки біосумісні та хімічно інертні. Вони не вступають у реакцію. Вони просто несуть навантаження.
У керамік міцні хімічні зв’язки, тому вони витримують дуже суворі умови.
Ця довговічність походить з атомного рівня. Зв’язки настільки міцні та погано піддаються деформації. Але те саме опір означає, що вони не поступаються. Вони не розтягуються. Вони ламаються.
Щоб зробити їх придатними для повсякденних конструкційних застосувань необхідно вирішити проблему крихкості. Зупинити тріщини.
Крихкий недолік
Головною перешкодою для повсюдного використання цих матеріалів є їхня вроджена сприйнятливість до дефектів. Кераміка не однорідна. Є невеликий дефект. Мікроскопічні порожнечі. Мікротріщина.
Метали деформуються при додатку тиску. Вони розтягуються. Вони поглинають енергію. У кераміці напруга концентрується на кінцях дрібних дефектів. Поширення тріщин. Несподівано вся конструкція виходить з ладу.
Це не маленька проблема. Це фундаментальне обмеження матеріалу. Для досягнення високих характеристик передових конструкційних керамік необхідно, щоб кераміка реагувала на напругу. Необхідно збільшити енергію, необхідну поширення тріщини.
Є три основні способи зробити це.
Зміцнення керамік: зміни мікроструктури
Один із способів – змінити внутрішню структуру кераміки. Замість використання однорідної сітки частинок інженери створюють мікроструктури з використанням волокнистих або взаємозачіпних зерен.
Подумайте про це як про сталеву арматуру в бетоні. Проте арматура є частиною самої кераміки.
Коли тріщина намагається пройти через цей матеріал, вона наштовхується на перешкоду. Вона не може йти прямо. Вона має відхилятися. Вона має рухатися зигзагом. Це збільшує довжину шляху тріщини. Довший шлях тріщини означає, що потрібно більше енергії для її просування.
У той же час частинки за вершиною тріщини заповнюють зазор. Затискають тріщину. Вони працюють як дрібні шви.
Це досягається за допомогою керамічних композитів, армованих вусиками (whiskers), та керамічних композитів, армованих волокнами. В результаті площа зламу значно збільшується. Матеріал поглинає більше енергії, перш ніж зламається. Це більше не один чистий злам. Це складний та енерговитратний процес.
Мікротріщини: відпусти і рухайся далі
Другий механізм суперечить інтуїції. Це означає навмисне створення дрібних тріщин. Натомість дозвольте їм формуватися контрольованим чином.
Це відбувається в однофазних полікристалічних кераміках з анізотропією зерен. Їхні властивості варіюються в залежності від напрямку. Це також підходить для цілеспрямованих двофазних полікристалічних мікроструктур.
Відбувається таке. У міру наближення основної тріщини по обидва боки від неї відкриваються менші мікротріщини. Це відбувається у вершини тріщини.
Це служить двом цілям.
По-перше, енергія витрачається на розкриття цих вторинних тріщин. Це залишає менше енергії для поширення основної тріщини. Це як заплатити мито та продовжити шлях.
По-друге, і це важливо, мікротріщини, що йдуть за основною тріщиною, збільшують обсяг. Це розширення спрямоване закриття основної тріщини. Що далі поширюється тріщина, то більше вписувалося опір її поширенню. У міру збільшення тиску матеріал по суті самовідновлюється або принаймні витримує подальші пошкодження.
Це система пасивного захисту. Вона вбудована у ДНК матеріалу.
Підсилювач фазового переходу: Керамічна сталь
Це найбільш перспективний підхід. І він змінює правила гри.
Це називається зміцненням з допомогою фазового переходу. Перетворює кераміку на щось схоже на сталь.
Матеріалом-прототипом є оксид цирконію (діоксид цирконію, ZrO2).
Чиста цирконія зазнає драматичних змін при охолодженні нижче 1150 ° C (2100 ° F). Кристалічна форма змінюється з тетрагональної на моноклінну. Це не непомітна зміна. Обсяг збільшився на 3%.
Це розширення часто призводить до розтріскування або кришення матеріалу. Але інженери знайшли спосіб використати це у своїх інтересах.
Вони розподіляють дуже дрібні тетрагональні частинки в матриці кубічної цирконії або оксиду алюмінію. Частки мають розмір менше 1 мікрона. Тісний контакт із матрицею зберігає тетрагональну структуру стабільної при кімнатній температурі. Тиск є, але структура залишається стабільною.
Потім наближається тріщина.
Напружене поле перед тріщиною запускає фазовий перехід. Тетрагональні зерна стають моноклинними. Вони збільшуються обсягом.
Це розширення створює закриває зусилля для тріщини, що просувається. Це як стискати тюбик із зубною пастою ззаду. Тиск тисне на тріщину, змушуючи її закриватися.
За тріщиною формується зона процесу, де всі частки перетерплюють фазовий перехід. Збільшення сукупного обсягу створює більший опір. Чим довша тріщина, тим більший опір.
Ці кераміки часто називають «керамічною сталлю». Чому? Тому що деформаційна реакція на напругу аналогічна реакції сталі. Вони не розлітаються на шматки. Вони деформуються. Вони течуть (пластично деформуються).
Основний фазовий перехід мартенситним. Це той самий механізм, який виробляє мартенсит у швидко охолодженій сталі. Ми запозичили найкращі техніки у металів та застосували їх до кераміки.
Шлях у майбутнє
Ми не просто вивчаємо ці матеріали. Ми проектуємо їх.
Зміцнені кераміки пропонують широкий спектр можливостей. Генератори, що працюють більш ефективно за більш високих температур, та аерокосмічні апарати, які можуть витримувати температури входу в атмосферу без плавлення. Від промислових подрібнювачів, які ніколи не потребують заміни, до медичних імплантатів, які служать усе життя.
Перешкоди залишаються. Варіабельність властивостей. Складність виробництва. Вартість.
Але наука надійна. Методи зміцнення працюють. Матеріали готові.
Нам просто потрібно масштабувати їхнє виробництво. Вони завжди призначені для того, щоб стати повсякденною реальністю.
Математика руйнування
В’язкість руйнування армованих керамік значно нижча, ніж у металів, але значно вища, ніж у звичайних склоподібних керамік. Щоб зрозуміти, чому це важливо, потрібно поглянути на цифри. Коефіцієнт в’язкості руйнування, що позначається як KIc, вимірює інтенсивність напруги, при яких починають формуватися тріщини. Одиниця виміру – мегапаскалі, помножені на метри. Це точна міра крихкості.
Скло знаходиться в нижній частині шкали і має значення KIc рівне 1. Воно дуже крихке. Якщо його розбити, воно розсипається на уламки. Метали є високо. Алюмінієві метали знаходяться в діапазоні 30-45. Сталі досягають значень 40-65. Це величезний розрив.
Традиційна кераміка? Вона знаходиться у діапазоні 3–4. Майже те саме, що й скло. Якщо упустити керамічну тарілку, вона може розбитися. Композити, армовані частинками, трохи зростають до 4–6. Все ще тендітні. Але додавання вусиків (whiskers) та волокон зміщує показники. Композити, армовані вусиками, мають значення від 8 до 10. Композити, армовані волокнами, можуть мати значення 10-25.
Далі слідує цирконій, зміцнений фазовим перетворенням (TTZ). Ці матеріали перебувають у діапазоні 6–15. Ця сфера важлива. Вона дозволяє кулькопідшипниковим кулькам з TTZ багаторазово відскакувати від бетонної підлоги. Без видимих ушкоджень. Може здатися, що таке звернення призведе до розтріскування кераміки. Але це не відбувається. Мікроструктура поглинає удари.
Ціна стійкості
Якщо ці матеріали є настільки міцними, чому вони не всюди? Собівартість виробництва висока.
Кераміка не може замінити метали, якщо немає явної економічної вигоди. Вони мають заощаджувати гроші іншими способами. Можливо, стануть можливими вищі робочі температури. Можливо, вони прослужать довше. Якщо керамічна деталь коштує вдвічі дорожче, але слугує втричі довше, покупці можуть звернути на це увагу. А що, якби вона коштувала вдвічі дорожче і ламалася так само часто? Ніхто її не купив би.
Існують також теплові недоліки. Ці властивості зміцнення зазвичай зникають, коли об’єкт нагрівається. У міру підвищення температури рушійна сила фазового перетворення зменшується. Зрештою вона зникає. Матеріал втрачає свою міцність. Він повертається у крихкий стан.
Вусики та волокна в композитах з керамічною матрицею стикаються з іншою проблемою: окисленням. Вони деградують за високих температур. Через це вони перестають бути ефективними агентами зміцнення. Матриця повертається до крихкої поведінки. Інженери все ще намагаються розробити мікроструктури, які залишаються міцними навіть за нагрівання. Це все ще велика проблема у керамічній інженерії.
Де вони знаходяться
Передові конструкційні кераміки використовуються. Ці застосування описані у відповідних статтях про ядерну кераміку, біокераміку, трибологічну кераміку та автомобільну кераміку. Не просто теоретичні концепції. Вони перебувають у двигунах, імплантатах, промислових машинах тощо.
Вони також покращують традиційні застосування. Вогнетривкі матеріали та абразиви демонструють покращені характеристики та стійкість до стирання. Основні характеристики залишаються постійними, але структура стала міцнішою. Більш міцний. Вона більш стійка до тепла та зносу.
Розрив між керамікою та металами скорочується у певних областях. Він не скорочується усюди. Бар’єр вартості реальний. Теплові обмеження є реальними. Однак у застосуваннях, де вага, термостійкість і корозійна стійкість важливіші за початкову ціну покупки, кераміка бере гору. Наступна перешкода полягає в тому, чи зможуть вони витримувати високу температуру без втрати міцності.
