Они дороги. Они хрупки. Однако их уже начинают использовать для замены стали в двигателях, реактивных двигателях и даже в человеческом теле.
Это парадокс передовых конструкционных керамик. Десятилетиями их считали нишевыми материалами. Слишком хрупкими для общего применения и слишком дорогими для массового использования. Но в среде, где металл «едят на завтрак», керамика становится единственным вариантом. Речь идет о высоких температурах, глубокой коррозии и интенсивном трении. В этих областях прочные химические связи, которые делают керамику твердой, делают ее и хрупкой. Трудные вещи ломаются.
Проблема не в недостатке прочности. Проблема в том, что нам не хватает вязкости. Трещины начинают появляться, а затем стремительно распространяются. Быстро. до полного разрушения материала.
Но инженеры дают отпор. Исследователи нашли способ остановить трещины на месте, изменив микроструктуру. Они пытаются превратить хрупкую керамику в материал, который ведет себя больше похожим на сталь. Это не магия. Это микроинженерия.
Вот как они это делают.
Почему керамика важна (если металл выходит из строя)
Сначала нужно развеять недоразумение. Передовые конструкционные керамики не используются при строительстве мостов. Их высокая стоимость и переменные механические свойства затрудняют безопасные расчеты. Это дорогие альтернативы металлам и полимерам.
Но рассмотрите внутреннюю часть автомобильного двигателя. Или лопатки турбины реактивного двигателя. Или тазобедренный имплантат у пациента.
В этих случаях вам нужны материалы, которые могут выдерживать:
Экстремальное тепло, чтобы они не плавились и не деформировались.
* Химическую или биологическую коррозию.
* Эрозию, вызванную частицами износа или постоянным трением.
Металл плавится. Полимер горит. Композиты расслаиваются. Керамика? Она просто остается химически инертной и термохимически стабильной.
Возьмем в качестве примера оборудование для переработки минералов. Измельчение камней в пыль. Обычная сталь изнашивается за несколько месяцев. Высококачественная керамика очень износостойка и может использоваться в течение многих лет. Или рассмотрим костные заменители. Человеческое тело — это агрессивная коррозионная среда. Металлы corroдируют и выделяют токсичные ионы. Некоторые керамики биосовместимы и химически инертны. Они не вступают в реакцию. Они просто несут нагрузку.
«У керамик прочные химические связи, поэтому они выдерживают очень суровые условия».
Эта долговечность проистекает из атомного уровня. Связи настолько прочны и плохо поддаются деформации. Но то же самое сопротивление означает, что они не уступают. Они не растягиваются. Они ломаются.
Чтобы сделать их пригодными для повседневных конструкционных применений, необходимо решить проблему хрупкости. Остановить трещины.
Хрупкий недостаток
Главным препятствием для повсеместного использования этих материалов является их врожденная восприимчивость к дефектам. Керамика не однородна. Есть небольшой дефект. Микроскопические пустоты. Микротрещина.
Металлы деформируются при приложении к ним давления. Они растягиваются. Они поглощают энергию. В керамике напряжение концентрируется на концах мелких дефектов. Распространение трещин. Внезапно вся конструкция выходит из строя.
Это не маленькая проблема. Это фундаментальное ограничение материала. Для достижения высоких характеристик передовых конструкционных керамик необходимо, чтобы керамика реагировала на напряжение. Необходимо увеличить энергию, требуемую для распространения трещины.
Есть три основных способа сделать это.
Упрочнение керамик: изменения микроструктуры
Один из способов — изменить внутреннюю структуру керамики. Вместо использования однородной сетки частиц инженеры создают микроструктуры с использованием волокнистых или взаимозацепляющихся зерен.
Подумайте об этом как о стальной арматуре в бетоне. Однако арматура является частью самой керамики.
Когда трещина пытается пройти через этот материал, она натыкается на препятствие. Она не может идти прямо. Она должна отклоняться. Она должна двигаться зигзагом. Это увеличивает длину пути трещины. Более длинный путь трещины означает, что требуется больше энергии для ее продвижения.
В то же время частицы позади вершины трещины заполняют зазор. Зажимают трещину. Они работают как маленькие швы.
Это достигается с помощью керамических композитов, армированных усиками (whiskers), и керамических композитов, армированных волокнами. В результате площадь излома значительно увеличивается. Материал поглощает больше энергии до того, как сломается. Это больше не один чистый излом. Это сложный и энергозатратный процесс.
Микротрещины: отпусти и двигайся дальше
Второй механизм противоречит интуиции. Это означает преднамеренное создание мелких трещин. Вместо этого позвольте им формироваться контролируемым образом.
Это происходит в однофазных поликристаллических керамиках с анизотропией зерен. Их свойства варьируются в зависимости от направления. Это также подходит для целенаправленных двухфазных поликристаллических микроструктур.
Происходит следующее. По мере приближения основной трещины по обеим сторонам от нее открываются меньшие микротрещины. Это происходит у вершины трещины.
Это служит двум целям.
Во-первых, энергия расходуется на раскрытие этих вторичных трещин. Это оставляет меньше энергии для распространения основной трещины. Это как заплатить пошлину и продолжить путь.
Во-вторых, и это важно, микротрещины, следующие за основной трещиной, увеличивают объем. Это расширение направлено на закрытие основной трещины. Чем дальше распространяется трещина, тем больше сопротивление ее распространению. По мере увеличения давления материал по сути самовосстанавливается или, по крайней мере, выдерживает дальнейшие повреждения.
Это система пассивной защиты. Она встроена в ДНК материала.
Усилитель фазового перехода: Керамическая сталь
Это самый многообещающий подход. И он меняет правила игры.
Это называется упрочнением за счет фазового перехода. Превращает керамику во что-то похожее на сталь.
Материалом-прототипом является оксид циркония (диоксид циркония, ZrO2).
Чистая циркония претерпевает драматические изменения при охлаждении ниже 1150 °C (2100 °F). Кристаллическая форма меняется с тетрагональной на моноклинную. Это не незаметное изменение. Объем увеличился на 3%.
Это расширение часто приводит к растрескиванию или крошению материала. Но инженеры нашли способ использовать это в своих интересах.
Они распределяют очень мелкие тетрагональные частицы в матрице из кубической цирконии или оксида алюминия. Частицы имеют размер менее 1 микрона. Тесный контакт с матрицей сохраняет тетрагональную структуру стабильной при комнатной температуре. Давление присутствует, но структура остается стабильной.
Затем приближается трещина.
Напряженное поле перед трещиной запускает фазовый переход. Тетрагональные зерна становятся моноклинными. Они увеличиваются в объеме.
Это расширение создает закрывающее усилие для продвигающейся трещины. Это как сжимать тюбик с зубной пастой сзади. Давление давит на трещину, заставляя ее закрываться.
За трещиной формируется зона процесса, где все частицы претерпевают фазовый переход. Увеличение совокупного объема создает большее сопротивление. Чем длиннее трещина, тем больше сопротивление.
Эти керамики часто называют «керамической сталью». Почему? Потому что деформационная реакция на напряжение аналогична реакции стали. Они не разлетаются на куски. Они немного деформируются. Они текут (пластически деформируются).
Основной фазовый переход является мартенситным. Это тот же механизм, который производит мартенсит в быстро охлажденной стали. Мы заимствовали лучшие техники у металлов и применили их к керамике.
Путь в будущее
Мы не просто изучаем эти материалы. Мы проектируем их.
Упрочненные керамики предлагают широкий спектр возможностей. Генераторы, работающие более эффективно при более высоких температурах, и аэрокосмические аппараты, которые могут выдерживать температуры входа в атмосферу без плавления. От промышленных измельчителей, которые никогда не нуждаются в замене, до медицинских имплантатов, которые служат всю жизнь.
Препятствия остаются. Вариабельность свойств. Сложность производства. Стоимость.
Но наука надежна. Методы упрочнения работают. Материалы готовы.
Нам просто нужно масштабировать их производство. Они всегда предназначены для того, чтобы стать повседневной реальностью.
Математика разрушения
Вязкость разрушения армированных керамик значительно ниже, чем у металлов, но существенно выше, чем у обычных стекловидных керамик. Чтобы понять, почему это важно, нужно взглянуть на цифры. Коэффициент вязкости разрушения, обозначаемый как KIc, измеряет интенсивность напряжений, при которых начинают формироваться трещины. Единица измерения — мегапаскали, умноженные на метры. Это точная мера хрупкости.
Стекло находится в нижней части шкалы и имеет значение KIc равное 1. Оно очень хрупкое. Если его разбить, оно рассыпается на осколки. Металлы находятся высоко. Алюминиевые сплавы находятся в диапазоне 30–45. Стали достигают значений 40–65. Это большой разрыв.
Традиционная керамика? Она находится в диапазоне 3–4. Почти то же самое, что и стекло. Если уронить керамическую тарелку, она может разбиться. Композиты, армированные частицами, немного увеличиваются до 4–6. Всё ещё хрупкие. Но добавление усиков (whiskers) и волокон смещает показатели. Композиты, армированные усиками, имеют значения от 8 до 10. Композиты, армированные волокнами, могут иметь значения 10–25.
Далее следует цирконий, упрочненный фазовым превращением (TTZ). Эти материалы находятся в диапазоне 6–15. Эта область важна. Она позволяет шарикоподшипниковым шарам из TTZ многократно отскакивать от бетонного пола. Без видимых повреждений. Может показаться, что такое обращение приведет к растрескиванию керамики. Но этого не происходит. Микроструктура поглощает удары.
Цена устойчивости
Если эти материалы настолько прочные, почему они не повсюду? Себестоимость производства высока.
Керамика не может заменить металлы, если нет явной экономической выгоды. Они должны экономить деньги другими способами. Возможно, станут возможными более высокие рабочие температуры. Возможно, они прослужат дольше. Если керамическая деталь стоит в два раза дороже, но служит в три раза дольше, покупатели могут обратить на это внимание. А что, если бы она стоила в два раза дороже и ломалась так же часто? Никто бы её не купил.
Существуют также тепловые недостатки. Эти свойства упрочнения обычно исчезают, когда объект нагревается. По мере повышения температуры движущая сила фазового превращения уменьшается. В конечном итоге она исчезает. Материал теряет свою прочность. Он возвращается в хрупкое состояние.
Усики и волокна в композитах с керамической матрицей сталкиваются с другой проблемой: окислением. Они деградируют при высоких температурах. Из-за этого они перестают быть эффективными агентами упрочнения. Матрица возвращается к хрупкому поведению. Инженеры всё ещё пытаются разработать микроструктуры, которые остаются прочными даже при нагревании. Это всё ещё большая проблема в керамической инженерии.
Где они находятся
Передовые конструкционные керамики уже используются. Эти применения описаны в соответствующих статьях о ядерной керамике, биокерамике, трибологической керамике и автомобильной керамике. Это не просто теоретические концепции. Они находятся в двигателях, имплантатах, промышленных машинах и т. д.
Они также улучшают традиционные применения. Огнеупорные материалы и абразивы демонстрируют улучшенные характеристики и стойкость к истиранию. Основные свойства остаются неизменными, но структура стала более прочной. Более прочной. Она более устойчива к теплу и износу.
Разрыв между керамикой и металлами сокращается в определенных областях. Он не сокращается повсюду. Барьер стоимости реален. Тепловые ограничения реальны. Однако в применениях, где вес, термостойкость и коррозионная стойкость важнее первоначальной цены покупки, керамика берет верх. Следующее препятствие заключается в том, смогут ли они выдерживать высокие температуры без потери прочности.
