1.2 Виды керамических матриц и армирующих наполнителей

Композитные материалы с керамическими матрицами состоят из двух основных компонентов: керамической матрицы, которая служит основой материала, и армирующего наполнителя, который повышает механические характеристики и снижает хрупкость. Различие в составе этих компонентов определяет свойства и область применения этих материалов.

Матрица в композитах выполняет связующую функцию, удерживая армирующие элементы и обеспечивая устойчивость материала к внешним воздействиям. В качестве матрицы используются различные виды керамики, среди которых наиболее распространены:

•   Карбидокремниевая матрица (SiC) – обладает высокой термостойкостью (до 1600 °C), низким коэффициентом теплового расширения и высокой устойчивостью к окислению, поэтому широко применяется в авиации, ракетостроении и энергетике.

•   Оксидная матрица (Al₂O₃, ZrO₂) – характеризуется высокой коррозионной стойкостью, используется в агрессивных химических средах, а также в биомедицинских приложениях.

•   Нитридокремниевая матрица (Si₃N₄) – сочетает высокую механическую прочность с хорошей термостойкостью, применяется в турбинах и двигателях внутреннего сгорания.

Армирование необходимо для повышения прочности и ударной вязкости CMC, так как традиционная керамика легко разрушается под действием механических нагрузок. В качестве армирующих элементов используются:

•   Углеродные волокна (C-fiber) – обладают высокой прочностью и малым весом, применяются в жаропрочных конструкциях, но имеют низкую стойкость к окислению.

•   Карбидокремниевые волокна (SiC-fiber) – обеспечивают отличную механическую прочность и термостойкость, устойчивы к окислению, используются в авиации и энергетике.

•   Оксидные волокна (Al₂O₃-fiber, ZrO₂-fiber) – характеризуются высокой стойкостью к коррозии, применяются в химической и медицинской промышленности.

Выбор комбинации керамической матрицы и армирующего наполнителя определяется требованиями к конечному изделию: термостойкость, механическая прочность, химическая устойчивость и вес материала.

2 Методы производства Композитов

2.1 Инфильтрация (lpi, cvi)

Производство композитов с керамической матрицей представляет собой сложный технологический процесс, включающий несколько этапов: формирование армирующего каркаса, пропитка или инфильтрация матричным материалом, термическая обработка и окончательная обработка. В зависимости от состава и требуемых свойств конечного материала применяются различные методы производства.

Одним из наиболее распространённых методов является инфильтрация, при которой жидкий или газообразный материал проникает в армирующую структуру, заполняя пустоты и формируя матрицу.

•   Жидкофазная инфильтрация (LPI, Liquid Phase Infiltration) заключается в пропитке армирующего каркаса расплавом керамики. После охлаждения и затвердевания матрица приобретает необходимые механические свойства. Этот метод позволяет получать плотные и прочные композиты, но требует сложного контроля за процессом затвердевания.

•   Химическая инфильтрация из газовой фазы (CVI, Chemical Vapor Infiltration) основана на осаждении керамического материала из газовой среды. Газ, содержащий соединения кремния или других элементов, проникает в поры армирующего каркаса, где происходит химическая реакция с образованием керамической матрицы. Данный метод позволяет получать материалы с высокой термостойкостью, но процесс длительный и требует сложного оборудования.