Плюсы и недостатки современной керамики

Несмотря на медленное широкомасштабное внедрение, усовершенствованная керамика и композиты с керамической матрицей находят применение в ключевых областях аэрокосмической и военной промышленности.

Сегодняшняя керамика прошла долгий путь от печей древнего мира. История керамики насчитывает 24 000 лет. Однако их применение продолжает развиваться, особенно в высокопроизводительных военных и коммерческих реактивных двигателях, ракетах, космических кораблях, а также в составных частях и других применениях, включая «высокую твердость для брони и износостойких компонентов или высокую термостойкость для огнеупоров». к машинному дизайну.

Будь то конструкционная керамика или часть композитов с керамической матрицей, этот универсальный материал помогает производителям повысить эффективность использования топлива в реактивных газотурбинных двигателях, устраняя при этом потребность в таком же сильном охлаждении, как в традиционных двигателях. GE Aviation, например, утверждает, что ее CMC на две трети легче металла и выдерживают на 20 % более высокую температуру.

«Передовая керамика, которая начала появляться после открытия процесса Байера для очистки бокситов в 1887 году, обладает превосходными механическими, термическими и электронными свойствами по сравнению с традиционной керамикой», — пишут Энтони Викари и Энтони Скьяво из Lux Research в своей статье. статья для MachineDesign.

Некоторые из наиболее крупных игроков отрасли также осознали преимущества использования керамики в аэрокосмическом дизайне. По данным American Machinist, с начала 1980-х годов от General Electric до United Technologies, Safran, Boeing и Rolls Royce было выдано более 8000 патентов на аэрокосмический дизайн с использованием керамики.

Усовершенствованная керамика и композиты с керамической матрицей:хорошее с плохим

Несмотря на преимущества, это не обязательно означает, что керамика является универсальным материалом для аэрокосмического дизайна. Как также обнаружили производители, у керамики есть проблемы с обработкой и стоимостью.

Керамика обладает множеством теплоизоляционных свойств, что делает ее эффективным инструментом в сочетании с высокими температурами в авиационных турбинах. Они также чрезвычайно легкие и не вызывают коррозии, способны выдерживать контакт с реактивным топливом и способны развивать более высокие скорости и расширять территорию в космосе. Но формирование и обработка могут быть медленными и трудными.

«[Когда] керамика выходит из строя, это происходит внезапно и катастрофически, а не изящно, как металлы», — отмечает Lux Research. «Это не единственное ограничение:конструкционная керамика обладает чрезвычайно высокой термостойкостью, а значит, ее необходимо обрабатывать медленными и энергоемкими твердотельными методами. Кроме того, высокая твердость после уплотнения делает механическую обработку керамики сложной задачей».

Чтобы противостоять катастрофическому разрушению, используется армирование волокном, чтобы помочь контролировать «распространение трещин в матрице и нагрузку на смятие после того, как материал начинает разрушаться», отмечает Lux Research, что позволяет CMC «постепенно разрушаться, больше похоже на пластическое разрушение металла».

Керамику сложно обрабатывать, но возможно

Производители знают, что использование керамики в аэрокосмическом дизайне — это верный способ снизить вес самолета при использовании прочного материала.

«Те же свойства, которые повышают прочность и термостойкость, также усложняют механическую обработку», — пишет Дон Грэм, менеджер по обучению и техническим услугам в Seco Tools, в статье для Manufacturing Engineering. Трудности возникают во время окончательной обработки или шлифовки, указывает Грэм, когда целостность поверхности керамики нарушается из-за неправильной резки. Более того, вероятность компрометации увеличивается при высокой скорости съема материала.

«Из-за хрупкости, высокой твердости, сопротивления ползучести и высокой прочности традиционные методы обработки, такие как токарная обработка, фрезерование и сверление, плохо работают с усовершенствованной керамикой из-за трещин, хрупких изломов и сколов кромок», — объясняют Александр Горин и М. Мохан Редди в своей статье «Усовершенствованная керамика:некоторые проблемы и решения при обработке традиционными методами».

По словам Грэма, сложность обработки керамики не может быть устранена полностью, но мастерские нашли способы смягчить проблемы с помощью правильного выбора инструмента. Инструменты с острыми режущими кромками и положительным передним углом снижают силы резания, а пластины с мелкозернистой основой идеально подходят для абразивных условий резания.

«Армирование волокном в значительной степени решило проблему хрупкости, но обрабатываемость страдает из-за низкой теплопроводности, высокой твердости и абразивности КМЦ», — пишет Грэм. «В дополнение к традиционным методам обработки производители экспериментируют с альтернативными способами обработки деталей из CMC, такими как гидроабразивная резка, электроэрозионная обработка, обработка с помощью лазера, шлифование и использование инструментов со вставками из PCBN».

При неправильной обработке керамики структура теряет свою прочность

Если кусок керамики обработать неправильно, прочность самой конструкции сильно уменьшится. Когда многослойный композитный материал режется с рваными, неровными или деформированными краями, вся конструкция значительно теряет жесткость.

«Сэндвич-композитный материал, который разрезается неравномерно или деформируется, теряет свою прочность так же, как сгибание гофрированного картона разрушает его жесткость», — пишет Грэм. «Для чистовой обработки цеха должны использовать высокоскоростные концевые фрезы, специально предназначенные для таких многослойных композитов».

При обработке керамики в аэрокосмическом дизайне крайне важно избегать любого изгиба или истирания. Решение, указывает Грэм, заключается в использовании станка для резки с очень острыми кромками и высокой скоростью резки.

Керамика стоит дорого, но инновации приносят пользу

С таким упором на прочную и эффективную резку при обработке керамики неудивительно, что многие мастерские, как известно, тратят до 80 процентов своих общих расходов на поддержание целостности своих конструкций на основе керамики, по данным Gorin/Reddy. бумага. Естественно, это может создать проблему при ведении бюджета или попытке выделить средства на другие аспекты работы.

«Дизайнеры, которые хотят использовать превосходные механические свойства CMC, должны будут заплатить за эту привилегию», — отмечает Lux Research в статье MachineDesign. «Самые дешевые CMC из графита/углеродного волокна составляют около 30 долларов за фунт для простых форм, что резко возрастает при механической обработке. Матрица из карбида кремния/волокно из карбида кремния КМЦ для высокотемпературных применений требуют волокон высокой чистоты, цены на которые начинаются от 4 000 долларов США за фунт, что приводит к ценам на преформы более 9 000 долларов США за фунт».

Эксперты отмечают, что внедрение керамики идет медленно и часто поддерживается субсидиями и стимулами из государственного финансирования, поэтому, чтобы действительно взлететь, стоимость должна снизиться. Lux Research отмечает, что «технологии, которые снижают стоимость промежуточных продуктов, таких как волокна, могут открыть новые рынки, а усовершенствования в обработке могут сделать детали CMC более надежными, что упростит квалификацию».

В вашем цеху уже работали с керамикой? Если да, то с какими проблемами вы и ваша команда столкнулись? Дайте нам знать!