Compuesto de matriz cerámica
En la ciencia de los materiales , los compuestos de matriz cerámica ( CMC ) son un subgrupo de materiales compuestos y un subgrupo de cerámica . Se componen de 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 como un material cerámico.
La motivación para desarrollar CMC fue superar los problemas asociados con las cerámicas técnicas convencionales como la alúmina , el carburo de silicio , el nitruro de aluminio , el nitruro de silicio o la 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 monocristalinos o plaquetas )) 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 materiales combinados mientras se sigue aprovechando 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 de elasticidad que suele ser algo más bajo que la matriz. El papel funcional de esta fibra es (1) aumentar la tensión de CMC para el avance de las microfisuras a través de la matriz, aumentando así la energía gastada durante la propagación de la fisura; y luego (2) cuando comienzan a formarse grietas de espesor a través de la CMC a un esfuerzo más alto (esfuerzo límite proporcional, PLS), para unir estas grietas sin fracturarse, proporcionando así al CMC una alta resistencia última a la tracción (UTS). De esta forma, 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 frágil 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 normalmente 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 ) son las más utilizadas para las CMC. Los materiales de la matriz suelen ser los mismos, es decir, C, SiC, alúmina y mullita. En determinados sistemas cerámicos, como el SiC y el nitruro de silicio , los procesos de crecimiento anómalo de los granos pueden dar lugar a una microestructura que muestre granos grandes alargados en una matriz de granos redondeados más finos. AGGlas microestructuras derivadas exhiben endurecimiento debido al puenteo de grietas y la deflexión de grietas por los granos alargados, lo que puede considerarse como un refuerzo de fibra producido in situ. Recientemente , las cerámicas de temperatura ultra alta (UHTC) se investigaron como matriz cerámica en una nueva clase de CMC denominada 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 ( carbon/carbon ), o C/SiC significa 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 a continuación) se abrevia como LPI-C/SiC .
Las CMC importantes comercialmente disponibles son C/C, C/SiC, SiC/SiC y Al 2 O 3 /Al 2 O 3 . Se diferencian de la cerámica convencional 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 mediante el método LPI, Ox(PP): compuesto cerámico de óxido, CSiC(Si): C/SiC fabricado mediante el proceso LSI.