Кермет — это композиционный материал , состоящий из керамических и металлических материалов .
Кермет может сочетать в себе привлекательные свойства как керамики, такие как высокая термостойкость и твердость, так и металла, такие как способность подвергаться пластической деформации . Металл используется в качестве связующего для оксида , борида или карбида . Обычно в качестве металлических элементов используются никель , молибден и кобальт . В зависимости от физической структуры материала, керметы также могут быть композитами с металлической матрицей , но керметы обычно содержат менее 20% металла по объему.
Керметы используются при производстве резисторов (особенно потенциометров ), конденсаторов и других электронных компонентов, которые могут подвергаться воздействию высоких температур.
Керметы используются вместо карбида вольфрама в пилах и других паяных инструментах из-за их превосходных износостойких и коррозионных свойств. Нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN), карбид титана (TiC) и подобные им материалы можно паять так же, как карбид вольфрама , если их правильно подготовить, однако они требуют особого обращения во время шлифования.
Композиты MAX-фаз , новый класс тройных карбидов или нитридов с алюминиевыми или титановыми сплавами, изучались с 2006 года как высококачественные материалы, демонстрирующие благоприятные свойства керамики с точки зрения твердости и прочности на сжатие наряду с пластичностью и вязкостью разрушения, обычно связанными с металлами. Такие керметные материалы, включая композиты алюминий-MAX-фаза, [1] имеют потенциальное применение в автомобильной и аэрокосмической промышленности. [2] [1]
Некоторые типы металлокерамики также рассматриваются для использования в качестве защитных покрытий космических аппаратов, поскольку они гораздо эффективнее противостоят высокоскоростным ударам микрометеоритов и орбитального мусора , чем более традиционные материалы для космических аппаратов, такие как алюминий и другие металлы.
Источник: [3]
После Второй мировой войны необходимость разработки высокотемпературных и высокопрочных материалов стала очевидной. Во время войны немецкие ученые разработали оксидные керметы в качестве заменителей сплавов. Они увидели применение этого для высокотемпературных секций новых реактивных двигателей , а также для высокотемпературных турбинных лопаток. Сегодня керамика обычно применяется в камере сгорания реактивных двигателей, поскольку она обеспечивает термостойкую камеру. Также были разработаны керамические турбинные лопатки. Эти лопатки легче (менее массивные), чем стальные, и обеспечивают большее вращательное ускорение («время раскачки») лопаточных узлов.
Военно-воздушные силы США увидели потенциал в технологии материалов и стали одним из главных спонсоров различных исследовательских программ в США. Некоторые из первых университетов, которые начали исследования, были Университет штата Огайо , Университет Иллинойса и Ратгерский университет .
Слово «кермет» на самом деле было придумано ВВС США , идея заключалась в том, что они представляют собой комбинацию двух материалов: металла и керамики . Основные физические свойства металлов включают пластичность , высокую прочность и высокую теплопроводность . Керамика обладает основными физическими свойствами, такими как высокая температура плавления , химическая стабильность и особенно стойкость к окислению .
Первый разработанный керамический металлический материал использовал оксид магния (MgO), оксид бериллия (BeO) и оксид алюминия (Al 2 O 3 ) для керамической детали. Акцент на высокой прочности на разрыв был сделан около 980 °C. [4] Университет штата Огайо был первым, кто разработал керметы на основе Al 2 O 3 с высокой прочностью на разрыв около 1200 °C. Kennametal , металлообрабатывающая и инструментальная компания, базирующаяся в Латробе, штат Пенсильвания , США, разработала первый кермет из карбида титана с прочностью на разрыв 19 мегапаскалей (2800 фунтов на квадратный дюйм) и 100-часовой прочностью на разрыв при 980 °C. Реактивные двигатели работают при этой температуре, и дальнейшие исследования были инвестированы в использование этих материалов для компонентов.
Контроль качества при производстве этих металлокерамических композитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось сводить к небольшим партиям, и в пределах этих партий свойства сильно различались. Разрушение материала обычно было результатом необнаруженных дефектов, которые обычно зарождались во время обработки.
Существующая технология в 1950-х годах достигла предела для реактивных двигателей, где мало что можно было улучшить. Впоследствии производители двигателей неохотно разрабатывали керамические двигатели. Интерес возобновился в 1960-х годах, когда нитрид кремния и карбид кремния были рассмотрены более подробно. Оба материала обладали лучшей стойкостью к тепловому удару, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.
[5]
Керметы впервые широко использовались в стыках керамика-металл. Производство вакуумных трубок было одной из первых критических систем, и электронная промышленность использовала и разрабатывала такие уплотнения. Немецкие ученые поняли, что вакуумные трубки с улучшенными характеристиками и надежностью можно производить, заменив стекло керамикой. Керамические трубки могут выделять газ при более высоких температурах. Благодаря высокотемпературному уплотнению керамические трубки выдерживают более высокие температуры, чем стеклянные трубки. Керамические трубки также механически прочнее и менее чувствительны к тепловому удару, чем стеклянные трубки. [6] Сегодня покрытия вакуумных трубок из кермета оказались ключевыми для солнечных систем горячего водоснабжения.
Также использовались механические уплотнения керамика-металл . Традиционно они использовались в топливных элементах и других устройствах, преобразующих химическую, ядерную или термоионную энергию в электричество. Уплотнение керамика-металл требуется для изоляции электрических секций турбинных генераторов, предназначенных для работы в едких жидкометаллических парах. [6]
Биокерамика играет большую роль в биомедицинских материалах. Развитие этих материалов и разнообразие методов производства расширило области применения, которые могут быть использованы в организме человека. Они могут быть в виде тонких слоев на металлических имплантатах, композитов с полимерным компонентом или даже просто пористых сетей. Эти материалы хорошо работают в организме человека по нескольким причинам. Они инертны, и поскольку они рассасываются и активны, материалы могут оставаться в организме неизменными. Они также могут растворяться и активно участвовать в физиологических процессах, например, когда гидроксилапатит , материал, химически похожий на структуру кости, может интегрироваться и помогать кости расти в ней. Обычные материалы, используемые для биокерамики, включают оксид алюминия, диоксид циркония, фосфат кальция, стеклокерамику и пиролитический углерод.
Одним из важных применений биокерамики является операция по замене тазобедренного сустава . Материалами, используемыми для замены тазобедренных суставов, обычно были металлы, такие как титан , а гнездо тазобедренного сустава обычно покрывалось пластиком. Многоосевой шар был прочным металлическим шаром, но в конечном итоге был заменен более долговечным керамическим шаром. Это уменьшило шероховатость, связанную с металлической стенкой против пластиковой облицовки искусственного гнезда тазобедренного сустава. Использование керамических имплантатов продлило срок службы частей тазобедренного сустава. [7]
Зубная металлокерамика также используется в стоматологии в качестве материала для пломб и протезов.
Керамические детали использовались вместе с металлическими деталями в качестве фрикционных материалов для тормозов и сцеплений . [6]
Керметы используются в качестве нагревательных элементов в электрических нагревателях сопротивления . Одна из технологий строительства начинается с керметного материала, сформулированного как чернила, которые печатаются на подложке, а затем отверждаются под воздействием тепла. Эта технология позволяет изготавливать сложные формы нагревательных элементов. Примерами применения керметных нагревательных элементов являются нагреватели термостатов, источники тепла для стерилизации бутылок, подогреватели кофейных графинов, нагреватели для управления духовкой и нагреватели термоэлементов лазерных принтеров. [8]
Армия США и британская армия провели обширные исследования в области разработки металлокерамики. Они включают разработку легкой керамической пуленепробиваемой брони для солдат, а также брони Chobham .
Керметы также используются при обработке режущих инструментов .
Металлокерамика также используется в качестве материала колец в высококачественных направляющих кольцах для удилищ.
Кермет из обедненного делящегося материала (например, урана , плутония ) и содалита исследовался на предмет его преимуществ при хранении ядерных отходов. [9] Аналогичные композиты также исследовались для использования в качестве формы топлива для ядерных реакторов [10] и ядерных тепловых ракет . [ требуется ссылка ]
Как наноструктурированный металлокерамический материал, этот материал используется в оптической области, например, в солнечных поглотителях/ селективных поверхностях . Благодаря размеру частиц (~5 нм) на металлических частицах генерируются поверхностные плазмоны, которые обеспечивают передачу тепла.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )