Compuesto de matriz cerámica
Los compuestos de matriz cerámica ( CMC ) son un subgrupo de materiales compuestos y un subgrupo de cerámicas . Consisten en fibras cerámicas incrustadas en una matriz cerámica. Tanto las fibras como la matriz pueden consistir en cualquier material cerámico, por lo que el carbono y las fibras de carbono también pueden considerarse un material cerámico.
La motivación para desarrollar CMC fue superar los problemas asociados con las cerámicas técnicas convencionales como alúmina , carburo de silicio , nitruro de aluminio, nitruro de silicio o zirconia ; se fracturan fácilmente bajo cargas mecánicas o termomecánicas debido a grietas iniciadas por pequeños defectos o raspaduras. La resistencia al agrietamiento es muy baja, como en el vidrio. Para aumentar la resistencia al agrietamiento o la tenacidad a la fractura , las partículas (los llamados bigotes o plaquetas monocristalinos) fueron incrustados en la matriz. Sin embargo, la mejora fue limitada y los productos han encontrado aplicación solo en algunas herramientas de corte de cerámica. Hasta ahora, solo la integración de fibras largas de múltiples hebras ha aumentado drásticamente la resistencia al agrietamiento, el alargamiento y el choque térmico .resistencia, y dio lugar a varias aplicaciones nuevas. Los refuerzos utilizados en los compuestos de matriz cerámica (CMC) sirven para mejorar la tenacidad a la fractura del sistema de material combinado mientras se aprovechan la alta resistencia inherente y el módulo de Young de la matriz cerámica. La realización de refuerzo más común es una fibra cerámica de longitud continua, con un módulo elástico que es típicamente algo más bajo que la matriz. El papel funcional de esta fibra es (1) aumentar la tensión de CMC para el progreso de las microgrietas a través de la matriz, aumentando así la energía gastada durante la propagación de la grieta; y luego (2) cuando las grietas de espesor pasante comienzan a formarse a través de la CMC con un esfuerzo mayor (esfuerzo límite proporcional, PLS), para salvar estas grietas sin fracturarse,proporcionando así al CMC una alta resistencia a la tracción máxima (UTS). De esta manera, los refuerzos de fibra cerámica no solo aumentan la resistencia inicial de la estructura compuesta a la propagación de grietas, sino que también permiten que la CMC evite la falla por fragilidad abrupta que es característica de las cerámicas monolíticas. Este comportamiento es distinto del comportamiento de las fibras cerámicas encompuestos de matriz polimérica (PMC) y compuestos de matriz metálica (MMC), donde las fibras generalmente se fracturan antes que la matriz debido a la mayor capacidad de deformación por falla de estas matrices.
Las fibras de carbono (C), carburo de silicio especial (SiC), alúmina ( Al 2 O 3 ) y mullita ( Al 2 O 3 −SiO 2 ) se utilizan con mayor frecuencia para las CMC. Los materiales de la matriz suelen ser los mismos, es decir, C, SiC, alúmina y mullita. En ciertos sistemas cerámicos, que incluyen SiC y nitruro de silicio, los procesos de crecimiento anormal de granos pueden dar como resultado una microestructura que exhibe granos grandes alargados en una matriz de granos redondeados más finos. AGGLas microestructuras derivadas exhiben un endurecimiento debido al puenteo de fisuras y la deflexión de fisuras por los granos alargados, lo que puede considerarse como un refuerzo de fibra producido in situ. Recientemente , se investigaron cerámicas de temperatura ultra alta (UHTC) como matriz cerámica en una nueva clase de CMC denominados compuestos de matriz cerámica de temperatura ultra alta (UHTCMC) o compuestos cerámicos de temperatura ultra alta (UHTCC). [1] [2] [3] [4]
Generalmente, los nombres de CMC incluyen una combinación de tipo de fibra / tipo de matriz . Por ejemplo, C / C significa carbono reforzado con fibra de carbono ( carbono / carbono ) o C / SiC para carburo de silicio reforzado con fibra de carbono. A veces, se incluye el proceso de fabricación y un compuesto de C / SiC fabricado con el proceso de infiltración de polímero líquido (LPI) (ver más abajo) se abrevia como LPI-C / SiC .
Las CMC importantes disponibles comercialmente son C / C, C / SiC, SiC / SiC y Al 2 O 3 / Al 2 O 3 . Se diferencian de las cerámicas convencionales en las siguientes propiedades, que se presentan con más detalle a continuación:
Leyenda: SiSiC: SiSiC convencional , SiCSiC (CVI) y CSiC (CVI): SiC / SiC y C / SiC fabricados en procesos CVI, CSiC (95) y CSiC (93 ): C / SiC fabricado por el método LPI, Ox (PP): compuesto cerámico de óxido, CSiC (Si): C / SiC fabricado mediante el proceso LSI.