Кермет – это композиционный материал , состоящий из керамики и металлов .
Кермет может сочетать в себе привлекательные свойства как керамики, такие как жаростойкость и твердость, так и свойства 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 представлять собой композиты 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 аналогичные материалы можно паять, как карбид вольфрама , если они правильно подготовлены, однако они требуют особого обращения во время шлифования.
Композиты MAX-фаз , нового класса тройных карбидов или нитридов со сплавами алюминия или титана , изучаются с 2006 года как ценные материалы, демонстрирующие благоприятные свойства керамики с точки зрения твердости и прочности на сжатие, а также пластичности и вязкости разрушения, обычно присущих металлам. Такие металлокерамические материалы, в том числе фазовые композиты алюминий-МАКС [1] , имеют потенциальное применение в автомобильной и аэрокосмической промышленности. [2] [1]
Некоторые типы металлокерамики также рассматриваются для использования в качестве защиты космических кораблей, поскольку они гораздо эффективнее противостоят высокоскоростным ударам микрометеороидов и орбитального мусора , чем более традиционные материалы для космических кораблей, такие как алюминий и другие металлы.
Источник: [3]
После Второй мировой войны необходимость разработки материалов, устойчивых к высоким температурам и нагрузкам, стала очевидной. Во время войны немецкие ученые разработали металлокерамику на оксидной основе в качестве заменителя сплавов. Они увидели в этом применение для высокотемпературных секций новых реактивных двигателей , а также высокотемпературных лопаток турбин. Сегодня керамику обычно используют в камерах сгорания реактивных двигателей, поскольку она обеспечивает термостойкую камеру. Также были разработаны керамические турбинные лопатки. Эти лопасти легче (менее массивны), чем стальные, и обеспечивают большее ускорение вращения («время раскручивания») узлов лопастей.
ВВС США увидели потенциал в технологии материалов и стали одним из главных спонсоров различных исследовательских программ в США. Одними из первых университетов, начавших исследования, были Университет штата Огайо , Университет Иллинойса и Университет Рутгерса .
Слово «кермет» на самом деле было придумано ВВС США , идея заключалась в том, что они представляют собой комбинацию двух материалов: металла и керамики . К основным физическим свойствам металлов относятся пластичность , высокая прочность и высокая теплопроводность . Керамика обладает основными физическими свойствами, такими как высокая температура плавления , химическая стабильность и особенно стойкость к окислению .
В первом разработанном металлокерамическом материале для керамической части использовались оксид магния (MgO), оксид бериллия (BeO) и оксид алюминия (Al 2 O 3 ). Особое внимание уделялось прочности на разрыв при высоких нагрузках при температуре около 980 °C. [4] Университет штата Огайо был первым, кто разработал керметы на основе Al 2 O 3 с высокой прочностью на разрыв при температуре около 1200 °C. Kennametal , металлообрабатывающая и инструментальная компания, расположенная в Латробе, штат Пенсильвания , США, разработала первый кермет из карбида титана с давлением 19 мегапаскалей (2800 фунтов на квадратный дюйм) и прочностью на разрыв в течение 100 часов при температуре 980 °C. Реактивные двигатели работают при этой температуре, и были вложены дополнительные исследования по использованию этих материалов для изготовления компонентов.
Контроль качества при производстве этих металлокерамических композитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось вести небольшими партиями, и внутри этих партий свойства сильно различались. Разрушение материала обычно было результатом необнаруженных дефектов, обычно возникающих во время обработки.
Существующая технология в 1950-х годах достигла предела для реактивных двигателей, и мало что можно было улучшить. Впоследствии производители двигателей неохотно разрабатывали металлокерамические двигатели. Интерес возобновился в 1960-х годах, когда к нитриду и карбиду кремния стали присматриваться более внимательно. Оба материала обладали лучшей термостойкостью, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.
[5]
Керметы впервые широко использовались в соединениях керамики с металлом. Изготовление электронных ламп было одной из первых критически важных систем, когда электронная промышленность использовала и разрабатывала такие уплотнения. Немецкие ученые признали, что электронные лампы 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. Керамические трубки также механически прочнее и менее чувствительны к тепловому удару, чем стеклянные трубки. [6] Сегодня металлокерамические покрытия вакуумных трубок оказались ключевыми для солнечных систем горячего водоснабжения.
Также используются механические уплотнения керамика-металл . Традиционно они использовались в топливных элементах и других устройствах, преобразующих химическую, ядерную или термоэлектронную энергию в электричество. Уплотнение «керамика-металл» необходимо для изоляции электрических частей турбогенераторов, предназначенных для работы в агрессивных парах жидкого металла. [6]
Биокерамика играет обширную роль в биомедицинских материалах. Развитие этих материалов и разнообразие технологий производства расширили возможности их применения в организме человека. Они могут быть в виде тонких слоев на металлических имплантатах, композитов с полимерным компонентом или даже просто пористых сеток. Эти материалы хорошо работают в организме человека по нескольким причинам. Они инертны, а поскольку они рассасываются и активны, материалы могут оставаться в организме в неизмененном виде. Они также могут растворяться и активно принимать участие в физиологических процессах, например, когда гидроксилапатит , материал, химически аналогичный структуре кости, может интегрироваться и помогать кости врастать в нее. 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 тазобедренный сустав обычно был покрыт пластиком. Многоосный шар представлял собой прочный металлический шар, но в конечном итоге был заменен более долговечным керамическим шаром. Это уменьшило шероховатость металлической стенки по отношению к пластиковой облицовке искусственного тазобедренного сустава. Использование керамических имплантатов продлило срок службы запасных частей тазобедренного сустава. [7]
Стоматологические металлокерамики также используются в стоматологии как материал для пломб и протезов.
Керамические детали использовались вместе с металлическими деталями в качестве фрикционных материалов для тормозов и сцеплений . [6]
Металлокерамики используются в качестве нагревательных элементов в электронагревателях сопротивления . Одна из технологий изготовления начинается с использования металлокерамического материала в виде чернил, которые печатаются на подложке, а затем отверждаются при нагревании. Эта технология позволяет изготавливать нагревательные элементы сложной формы. Примеры применения металлокерамических нагревательных элементов включают нагреватели термостатов, источники тепла для стерилизации бутылок, подогреватели графинов для кофе, нагреватели для управления духовкой и нагреватели фьюзера лазерных принтеров. [8]
Армия США и Британская армия провели обширные исследования в области разработки металлокерамики. К ним относятся разработка легкой керамической пуленепробиваемой брони для солдат, а также брони Чобхэма .
Керметы также используются при механической обработке режущих инструментов .
Металлокерамика также используется в качестве материала колец в высококачественных лесопроводах для удочек.
Металлокерамика из обедненного делящегося материала (например , урана , плутония ) и содалита была исследована на предмет ее преимуществ при хранении ядерных отходов. [9] Подобные композиты также исследовались для использования в качестве топлива для ядерных реакторов [10] и ядерных тепловых ракет . [ нужна цитата ]
В качестве наноструктурированного кермета этот материал используется в оптической области, например, в качестве поглотителей солнечной энергии/ селективной поверхности . Благодаря размеру частиц (~ 5 нм) на металлических частицах генерируются поверхностные плазмоны, которые обеспечивают передачу тепла.
Из соображений роскоши металлокерамику иногда используют в качестве материала корпуса для некоторых часов, в том числе для часов Deep Sea Chronograph Vintage Cermet от Jaeger-LeCoultre . Он также использовался (ноябрь 2019 г.) на безеле флагманских дайверских часов Seiko Prospex LX Line Limited Edition.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )