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.
Introducción
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 , se incrustó en la matriz partículas (los llamados bigotes o plaquetas monocristalinos ). 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 la resistencia al choque térmico , y ha dado 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 comienzan a formarse grietas de espesor pasante 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 en compuestos de matriz polimérica (PMC) y compuestos de matriz metálica (MMC), donde las fibras típicamente se fracturan antes que la matriz debido a la mayor capacidad de deformación por falla de estas matrices.
Carbono (C), carburo de silicio especial (SiC), alúmina ( Al
2O
3) y mullita ( Al
2O
3−SiO
2) las fibras se utilizan con mayor frecuencia para 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. Las microestructuras derivadas de AGG 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
2O
3/Alabama
2O
3. Se diferencian de las cerámicas convencionales en las siguientes propiedades, que se presentan con más detalle a continuación:
- Alargamiento a la rotura hasta 1%
- Resistencia a la fractura fuertemente incrementada
- Resistencia extrema al choque térmico
- Capacidad de carga dinámica mejorada
- Propiedades anisotrópicas siguiendo la orientación de las fibras.
Fabricar
Los procesos de fabricación suelen constar de los siguientes tres pasos:
- Lay-up y fijación de las fibras, con la forma del componente deseado
- Infiltración del material de la matriz
- Mecanizado final y, en caso necesario, tratamientos posteriores como recubrimiento o impregnación de la porosidad intrínseca .
El primer y el último paso son casi iguales para todas las CMC: en el paso uno, las fibras, a menudo denominadas mechas, se colocan y fijan utilizando técnicas utilizadas en materiales plásticos reforzados con fibras, como el laminado de telas , enrollado de filamentos, trenzado y anudado . El resultado de este procedimiento se denomina preforma de fibra o simplemente preforma .
Para el segundo paso, se utilizan cinco procedimientos diferentes para rellenar la matriz cerámica entre las fibras de la preforma:
- Deposición de una mezcla de gases
- Pirólisis de un polímero precerámico
- Reacción química de elementos
- Sinterización a una temperatura relativamente baja en el rango de 1,000–1,200 ° C (1,830–2,190 ° F)
- Deposición electroforética de un polvo cerámico
Los procedimientos uno, dos y tres encuentran aplicaciones con CMC sin óxido, mientras que el cuarto se utiliza para CMC con óxido; También se practican combinaciones de estos procedimientos. El quinto procedimiento aún no está establecido en los procesos industriales. Todos los procedimientos tienen sub-variaciones, que difieren en detalles técnicos. Todos los procedimientos producen un material poroso.
El tercer y último paso del mecanizado ( rectificado , taladrado , lapeado o fresado ) debe realizarse con herramientas de diamante. Las CMC también se pueden procesar con un chorro de agua , láser o mecanizado ultrasónico .
Fibras cerámicas
Las fibras cerámicas de las CMC pueden tener una estructura policristalina , como en las cerámicas convencionales. También pueden ser amorfos o tener una composición química no homogénea , que se desarrolla tras la pirólisis de precursores orgánicos . Las altas temperaturas de proceso requeridas para fabricar CMC excluyen el uso de fibras orgánicas, metálicas o de vidrio . Solo se pueden utilizar fibras estables a temperaturas superiores a 1000 ° C (1800 ° F), como fibras de alúmina, mullita, SiC, zirconia o carbono. Las fibras de SiC amorfo tienen una capacidad de alargamiento superior al 2%, mucho mayor que en los materiales cerámicos convencionales (0,05 a 0,10%). [5] La razón de esta propiedad de las fibras de SiC es que la mayoría de ellas contienen elementos adicionales como oxígeno , titanio y / o aluminio que producen una resistencia a la tracción superior a 3 GPa. Estas propiedades elásticas mejoradas son necesarias para varias disposiciones de fibras tridimensionales (ver ejemplo en la figura) en la fabricación textil , donde un pequeño radio de curvatura es esencial. [6]
Procedimientos de fabricación
Deposición de matriz de una fase gaseosa
La deposición química en fase de vapor (CVD) es muy adecuada para este propósito. En presencia de una preforma de fibra, la CVD tiene lugar entre las fibras y sus filamentos individuales y, por lo tanto, se denomina infiltración de vapor químico (CVI). Un ejemplo es la fabricación de compuestos C / C: una preforma de fibra C se expone a una mezcla de argón y un gas hidrocarbonado ( metano , propano , etc.) a una presión de alrededor o menos de 100 kPa y una temperatura superior a 1000 °. C. El gas se descompone depositando carbono sobre y entre las fibras. Otro ejemplo es la deposición de carburo de silicio, que por lo general se lleva a cabo a partir de una mezcla de hidrógeno y metil triclorosilano (MTS, CH
3SiCl
3; también es común en la producción de silicona ). En condiciones definidas, esta mezcla de gases deposita carburo de silicio fino y cristalino sobre la superficie caliente dentro de la preforma. [7] [8]
Este procedimiento CVI deja un cuerpo con una porosidad de alrededor del 10-15%, ya que el acceso de los reactivos al interior de la preforma está cada vez más bloqueado por la deposición en el exterior.
Formación de matriz mediante pirólisis de polímeros que contienen C y Si
Los polímeros de hidrocarburos se encogen durante la pirólisis y, al desgasificarse, forman carbono con una estructura amorfa, similar al vidrio, que mediante un tratamiento térmico adicional se puede cambiar a una estructura más similar al grafito . Otros polímeros especiales, conocidos como polímeros precerámicos donde algunos átomos de carbono están reemplazados por átomos de silicio, los llamados polycarbo silanos , rendimiento del carburo de silicio amorfo de más o menos estequiométrica composición. Ya existe una gran variedad de precursores de carburo de silicio , oxicarburo de silicio , carbonitruro de silicio y oxinitruro de silicio y se están desarrollando más polímeros precerámicos para la fabricación de cerámicas derivadas de polímeros . [9] Para fabricar un material CMC, la preforma de fibra se infiltra con el polímero elegido. El curado y la pirólisis posteriores producen una matriz muy porosa, que no es deseable para la mayoría de las aplicaciones. Se realizan más ciclos de infiltración de polímero y pirólisis hasta que se alcanza la calidad final y deseada. Por lo general, son necesarios de cinco a ocho ciclos. [10] [11] [12]
El proceso se denomina infiltración de polímeros líquidos (LPI) o infiltración y pirólisis de polímeros (PIP). Aquí también es común una porosidad de aproximadamente el 15% debido a la contracción del polímero. La porosidad se reduce después de cada ciclo.
Formación de matriz mediante reacción química
Con este método, un material ubicado entre las fibras reacciona con un segundo material para formar la matriz cerámica. Algunas cerámicas convencionales también se fabrican mediante reacciones químicas . Por ejemplo, el nitruro de silicio ligado por reacción (RBSN) se produce mediante la reacción del polvo de silicio con nitrógeno, y el carbono poroso reacciona con el silicio para formar carburo de silicio ligado por reacción , un carburo de silicio que contiene inclusiones de una fase de silicio. Un ejemplo de fabricación de CMC, que se introdujo para la producción de discos de freno cerámicos , es la reacción del silicio con una preforma porosa de C / C. [13] La temperatura del proceso está por encima de 1.414 ° C (2.577 ° F), es decir, por encima del punto de fusión del silicio, y las condiciones del proceso se controlan de manera que las fibras de carbono de la preforma C / C conservan casi por completo sus propiedades mecánicas. . Este proceso se denomina infiltración de silicio líquido (LSI). En ocasiones, y por su punto de partida con C / C, el material se abrevia como C / C-SiC . El material producido en este proceso tiene una porosidad muy baja de alrededor del 3%.
Formación de matrices mediante sinterización
Este proceso se utiliza para fabricar materiales CMC de matriz de óxido / fibra de óxido. Dado que la mayoría de las fibras cerámicas no pueden soportar las temperaturas de sinterización normales por encima de los 1600 ° C (2910 ° F), se utilizan líquidos precursores especiales para infiltrar la preforma de fibras de óxido. Estos precursores permiten la sinterización, es decir, los procesos de formación de cerámica, a temperaturas de 1000-1200 ° C. Se basan, por ejemplo, en mezclas de polvo de alúmina con los líquidos tetra-etil-orto silicato (como donante de Si) y butilato de aluminio (como donante de Al), que dan una matriz de mullita. También se utilizan otras técnicas, como la química del proceso sol-gel . Las CMC obtenidas con este proceso suelen tener una alta porosidad de alrededor del 20%. [14] [15]
Matriz formada por electroforesis
En el proceso electroforético , las partículas cargadas eléctricamente dispersas en un líquido especial se transportan a través de un campo eléctrico hacia la preforma, que tiene la polaridad de carga eléctrica opuesta. Este proceso está en desarrollo y aún no se utiliza industrialmente. [16] [17] Aquí también se debe esperar algo de porosidad restante.
Propiedades
Propiedades mecánicas
Mecanismo básico de propiedades mecánicas.
La alta tenacidad a la fractura o resistencia al agrietamiento mencionada anteriormente es el resultado del siguiente mecanismo: bajo carga, la matriz cerámica se agrieta, como cualquier material cerámico, con un alargamiento de aproximadamente 0,05%. En las CMC, las fibras incrustadas unen estas grietas (ver imagen). Este mecanismo funciona solo cuando la matriz puede deslizarse a lo largo de las fibras, lo que significa que debe haber una unión débil entre las fibras y la matriz. Una unión fuerte requeriría una capacidad de elongación muy alta de la fibra que puentea la grieta y daría como resultado una fractura quebradiza, como ocurre con las cerámicas convencionales. La producción de material CMC con alta resistencia al agrietamiento requiere un paso para debilitar esta unión entre las fibras y la matriz. Esto se logra depositando una capa delgada de carbono pirolítico o nitruro de boro en las fibras, lo que debilita la unión en la interfaz fibra / matriz, lo que lleva a la extracción de la fibra en las superficies de las grietas, como se muestra en la imagen SEM en la parte superior de Este artículo. En las CMC de óxido, la alta porosidad de la matriz es suficiente para establecer un enlace débil.
Propiedades bajo cargas de tracción y flexión, resistencia al agrietamiento
La influencia y la calidad de la interfaz de la fibra se pueden evaluar mediante propiedades mecánicas. Las mediciones de la resistencia al agrietamiento se realizaron con probetas con muescas (ver figura) en las llamadas pruebas de doblado de muesca de un solo borde (SENB). En mecánica de fracturas , los datos medidos (fuerza, geometría y superficie de la fisura) se normalizan para producir el llamado factor de intensidad de tensión (SIF), K Ic . Debido a la compleja superficie de la grieta (consulte la figura en la parte superior de este artículo), no se puede determinar el área real de la superficie de la grieta para materiales CMC. Por lo tanto, las medidas utilizan la muesca inicial como superficie de la grieta, lo que produce el SIF formal que se muestra en la figura. Esto requiere una geometría idéntica para comparar diferentes muestras. El área bajo estas curvas da así una indicación relativa de la energía requerida para impulsar la punta de la grieta a través de la muestra (la fuerza multiplicada por la longitud de la trayectoria da energía). Los máximos indican el nivel de carga necesario para propagar la grieta a través de la muestra. En comparación con la muestra de cerámica SiSiC convencional, se pueden hacer dos observaciones:
- Todos los materiales CMC probados necesitan hasta varios órdenes de magnitud más de energía para propagar la grieta a través del material.
- La fuerza requerida para la propagación de grietas varía entre los diferentes tipos de CMC.
Tipo de material | Alabama 2O 3/Alabama 2O 3 | Alabama 2O 3 | CVI-C / SiC | LPI-C / SiC | LSI-C / SiC | SiSiC |
---|---|---|---|---|---|---|
Porosidad (%) | 35 | <1 | 12 | 12 | 3 | <1 |
Densidad (g / cm 3 ) | 2.1 | 3.9 | 2.1 | 1,9 | 1,9 | 3.1 |
Resistencia a la tracción (MPa) | sesenta y cinco | 250 | 310 | 250 | 190 | 200 |
Alargamiento (%) | 0,12 | 0,1 | 0,75 | 0,5 | 0,35 | 0,05 |
Módulo de Young (GPa) | 50 | 400 | 95 | sesenta y cinco | 60 | 395 |
Resistencia a la flexión (MPa) | 80 | 450 | 475 | 500 | 300 | 400 |
En la tabla, CVI, LPI y LSI indican el proceso de fabricación del material C / SiC. Los datos sobre el óxido CMC y SiSiC se toman de las hojas de datos del fabricante. La resistencia a la tracción de SiSiC y Al
2O
3se calcularon a partir de las mediciones de elongación a la fractura y el módulo de Young , ya que generalmente solo se dispone de datos de resistencia a la flexión para esas cerámicas. Los valores promediados se dan en la tabla y son posibles diferencias significativas, incluso dentro de una ruta de fabricación.
Las pruebas de tracción de los CMC generalmente muestran curvas de tensión-deformación no lineales, que parecen como si el material se deformara plásticamente. Se le llama cuasi- plástico , porque el efecto es causado por las microfisuras, que se forman y puentean al aumentar la carga. Dado que el módulo de Young de las fibras portadoras de carga es generalmente más bajo que el de la matriz, la pendiente de la curva disminuye al aumentar la carga.
Las curvas de las pruebas de flexión se ven similares a las de las mediciones de resistencia al agrietamiento que se muestran arriba.
Las siguientes características son esenciales para evaluar los datos de flexión y tracción de los CMC:
- Los materiales de CMC con un contenido de matriz bajo (hasta cero) tienen una alta resistencia a la tracción (cercana a la resistencia a la tracción de la fibra), pero una baja resistencia a la flexión .
- Los materiales CMC con un bajo contenido de fibra (hasta cero) tienen una alta resistencia a la flexión (cercana a la resistencia de la cerámica monolítica), pero no tienen un alargamiento superior al 0,05% bajo carga de tracción.
El criterio de calidad principal para los CMC es el comportamiento de resistencia al agrietamiento o la tenacidad a la fractura.
Otras propiedades mecánicas
En muchos componentes de CMC, las fibras están dispuestas como telas de tejido liso o satinado apiladas bidimensionales (2D) . Por tanto, el material resultante es anisotrópico o, más específicamente, ortotrópico . Una grieta entre las capas no está cubierta por fibras. Por lo tanto, la resistencia al corte interlaminar (ILS) y la resistencia perpendicular a la orientación de la fibra 2D son bajas para estos materiales. La delaminación puede ocurrir fácilmente bajo ciertas cargas mecánicas. Las estructuras de fibras tridimensionales pueden mejorar esta situación (ver micrografía arriba).
Material | CVI-C / SiC | LPI-C / SiC | LSI-C / SiC | CVI-SiC / SiC |
---|---|---|---|---|
Resistencia al corte interlaminar (MPa) | 45 | 30 | 33 | 50 |
Resistencia a la tracción vertical al plano de la tela (MPa) | 6 | 4 | - | 7 |
Resistencia a la compresión vertical al plano de la tela (MPa) | 500 | 450 | - | 500 |
Las resistencias a la compresión que se muestran en la tabla son inferiores a las de las cerámicas convencionales, donde los valores superiores a 2000 MPa son habituales; esto es el resultado de la porosidad.
La estructura compuesta permite cargas dinámicas elevadas. En las llamadas pruebas de fatiga de ciclo bajo (LCF) o fatiga de ciclo alto (HCF), el material experimenta cargas cíclicas bajo carga de tracción y compresión (LCF) o solo carga de tracción (HCF). Cuanto mayor sea la tensión inicial, menor será la vida útil y menor será el número de ciclos de rotura. Con una carga inicial del 80% de la resistencia, una muestra de SiC / SiC sobrevivió alrededor de 8 millones de ciclos (ver figura).
La relación de Poisson muestra una anomalía cuando se mide perpendicular al plano de la tela porque las grietas interlaminares aumentan el espesor de la muestra.
Propiedades térmicas y eléctricas
Las propiedades térmicas y eléctricas del material compuesto son el resultado de sus componentes, a saber, fibras, matriz y poros, así como de su composición. La orientación de las fibras produce datos anisotrópicos. Las CMC de óxido son muy buenos aislantes eléctricos y, debido a su alta porosidad, su aislamiento térmico es mucho mejor que el de las cerámicas de óxido convencionales.
El uso de fibras de carbono aumenta la conductividad eléctrica , siempre que las fibras entren en contacto entre sí y con la fuente de voltaje. La matriz de carburo de silicio es un buen conductor térmico. Eléctricamente, es un semiconductor y, por lo tanto , su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. En comparación con el SiC (poli) cristalino, las fibras de SiC amorfas son conductores relativamente pobres de calor y electricidad.
Material | CVI-C / SiC | LPI-C / SiC | LSI-C / SiC | CVI-SiC / SiC | SiSiC |
---|---|---|---|---|---|
Conductividad térmica (p) [W / (m · K)] | 15 | 11 | 21 | 18 | > 100 |
Conductividad térmica (v) [W / (m · K)] | 7 | 5 | 15 | 10 | > 100 |
Expansión lineal (p) [10 −6 · 1 / K] | 1.3 | 1.2 | 0 | 2.3 | 4 |
Expansión lineal (v) [10 −6 · 1 / K] | 3 | 4 | 3 | 3 | 4 |
Resistividad eléctrica (p) [Ω · cm] | - | - | - | - | 50 |
Resistividad eléctrica (v) [Ω · cm] | 0.4 | - | - | 5 | 50 |
Comentarios para la tabla: (p) y (v) se refieren a datos paralelos y verticales a la orientación de la fibra de la estructura de fibra 2D, respectivamente. El material LSI tiene la conductividad térmica más alta debido a su baja porosidad, una ventaja cuando se usa para discos de freno. Estos datos están sujetos a dispersión en función de los detalles de los procesos de fabricación. [19]
Las cerámicas convencionales son muy sensibles al estrés térmico debido a su alto módulo de Young y su baja capacidad de alargamiento. Las diferencias de temperatura y la baja conductividad térmica crean alargamientos localmente diferentes, que junto con el alto módulo de Young generan un alto estrés. Esto da como resultado grietas, roturas y fallas por fragilidad. En las CMC, las fibras unen las grietas y los componentes no muestran daño macroscópico, incluso si la matriz se ha agrietado localmente. La aplicación de CMC en discos de freno demuestra la eficacia de los materiales compuestos cerámicos en condiciones extremas de choque térmico.
Propiedades de corrosión
Los datos sobre el comportamiento a la corrosión de las CMC son escasos, excepto por la oxidación a temperaturas superiores a 1000 ° C. Estas propiedades están determinadas por los componentes, a saber, las fibras y la matriz. Los materiales cerámicos, en general, son muy estables a la corrosión. El amplio espectro de técnicas de fabricación con diferentes aditivos de sinterización, mezclas, fases vítreas y porosidades son cruciales para los resultados de las pruebas de corrosión. Menos impurezas y una estequiometría exacta conducen a una menor corrosión. Las estructuras amorfas y los productos químicos no cerámicos que se utilizan con frecuencia como coadyuvantes de sinterización son puntos de partida del ataque corrosivo. [20] [21]
- Alúmina
La alúmina pura muestra una excelente resistencia a la corrosión frente a la mayoría de los productos químicos. Las fases de vidrio amorfo y sílice en los límites de los granos determinan la velocidad de corrosión en ácidos y bases concentrados y dan como resultado fluencia a altas temperaturas. Estas características limitan el uso de alúmina. Para metales fundidos, la alúmina se usa solo con oro y platino.
- Fibras de alúmina
Estas fibras muestran propiedades de corrosión similares a las de la alúmina, pero las fibras disponibles comercialmente no son muy puras y, por lo tanto, menos resistentes. Debido a la fluencia a temperaturas superiores a 1000 ° C, hay solo unas pocas aplicaciones para CMC de óxido.
- Carbón
La corrosión más significativa del carbono ocurre en presencia de oxígeno por encima de aproximadamente 500 ° C (932 ° F). Se quema para formar dióxido de carbono y / o monóxido de carbono . También se oxida en agentes oxidantes fuertes como el ácido nítrico concentrado . En metales fundidos, se disuelve y forma carburos metálicos . Las fibras de carbono no se diferencian del carbono en su comportamiento frente a la corrosión.
- Carburo de silicio
El carburo de silicio puro es uno de los materiales más resistentes a la corrosión. Solo las bases fuertes, el oxígeno por encima de aproximadamente 800 ° C (1470 ° F) y los metales fundidos reaccionan con él para formar carburos y siliciuros . La reacción con oxígeno forma SiO
2y CO
2, donde una capa superficial de SiO
2ralentiza la oxidación posterior ( oxidación pasiva ). Las temperaturas por encima de aproximadamente 1600 ° C (2910 ° F) y una presión parcial de oxígeno baja dan como resultado la llamada oxidación activa , en la que CO, CO
2y SiO gaseoso se forman provocando una rápida pérdida de SiC. Si la matriz de SiC se produce de otra forma que no sea CVI, la resistencia a la corrosión no es tan buena. Esto es una consecuencia de la porosidad en el LPI amorfo y del silicio residual en la matriz LSI.
- Fibras de carburo de silicio
Las fibras de carburo de silicio se producen mediante pirólisis de polímeros orgánicos y, por lo tanto, sus propiedades de corrosión son similares a las del carburo de silicio que se encuentra en las matrices LPI. Por tanto, estas fibras son más sensibles a las bases y medios oxidantes que el carburo de silicio puro.
Aplicaciones
Los materiales CMC superan las principales desventajas de las cerámicas técnicas convencionales, a saber, rotura por fragilidad y baja tenacidad a la rotura, y resistencia limitada al choque térmico. Por lo tanto, sus aplicaciones se encuentran en campos que requieren confiabilidad a altas temperaturas (más allá de la capacidad de los metales) y resistencia a la corrosión y al desgaste. [22] Estos incluyen:
- Sistemas de protección térmica para vehículos espaciales , necesarios durante la fase de reentrada , donde se producen altas temperaturas, condiciones de choque térmico y fuertes cargas de vibraciones.
- Componentes para turbinas de gas de alta temperatura como cámaras de combustión , álabes de estator y álabes de turbina .
- Componentes para quemadores , porta llama y conductos de gas caliente, donde el uso de CMC de óxido se ha abierto camino.
- Discos de freno y componentes del sistema de frenos, que experimentan un choque térmico extremo (mayor que arrojar una parte brillante de cualquier material al agua).
- Componentes para cojinetes deslizantes sometidos a cargas pesadas que requieren una alta resistencia a la corrosión y al desgaste
Además de lo anterior, las CMC se pueden usar en aplicaciones que emplean cerámicas convencionales o en las que los componentes metálicos tienen una vida útil limitada debido a la corrosión o las altas temperaturas.
Desarrollos para aplicaciones en el espacio
Durante la fase de reentrada de los vehículos espaciales, el sistema de protección térmica se expone a temperaturas superiores a los 1.500 ° C (2.730 ° F) durante unos minutos. Solo los materiales cerámicos pueden sobrevivir a tales condiciones sin daños significativos, y entre las cerámicas, solo los CMC pueden manejar adecuadamente los choques térmicos. El desarrollo de sistemas de protección térmica basados en CMC promete las siguientes ventajas:
- Peso reducido
- Mayor capacidad de carga del sistema.
- Reutilización para varias reentradas
- Mejor dirección durante la fase de reentrada con sistemas de flaps CMC
En estas aplicaciones, las altas temperaturas impiden el uso de CMC de fibra de óxido, porque bajo las cargas esperadas la fluencia sería demasiado alta. Fibras de carburo de silicio amorfo pierden su fuerza debido a la re- cristalización a temperaturas superiores a 1250 ° C (2280 ° F). Por lo tanto, las fibras de carbono en una matriz de carburo de silicio (C / SiC) se utilizan en programas de desarrollo para estas aplicaciones. El programa europeo HERMES de la ESA , iniciado en los años 80 y abandonado por motivos económicos en 1992, ha dado los primeros resultados. Varios programas de seguimiento se centraron en el desarrollo, la fabricación y la calificación de la tapa de la nariz, los bordes de ataque y las aletas de dirección para el vehículo espacial X-38 de la NASA . [23] [24]
Este programa de desarrollo ha habilitado el uso de tornillos y tuercas de C / SiC [25] y el sistema de apoyo de los flaps. Estos últimos fueron probados en tierra en el DLR en Stuttgart, Alemania, bajo las condiciones esperadas de la fase de reentrada: 1.600 ° C (2.910 ° F), 4 toneladas de carga, presión parcial de oxígeno similar a las condiciones de reentrada y rodamientos simultáneos. movimientos de cuatro ciclos por segundo. Se simularon un total de cinco fases de reingreso. [26] El diseño y fabricación de las dos aletas de dirección y sus cojinetes, tornillos y tuercas fue realizado por MT Aerospace en Augsburg, Alemania, basado en el proceso CVI para la producción de carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (ver procedimientos de fabricación arriba). Además, se desarrollaron y calificaron sistemas de protección contra la oxidación para evitar el desgaste de las fibras de carbono. Después de montar las aletas, la NASA realizó con éxito pruebas mecánicas en tierra en Houston, Texas, EE. UU. La siguiente prueba, un reingreso real del vehículo no tripulado X-38, fue cancelada por razones financieras. Uno de los transbordadores espaciales habría puesto el vehículo en órbita, desde donde habría regresado a la Tierra.
Estas calificaciones eran prometedoras solo para esta aplicación. La carga de alta temperatura dura solo alrededor de 20 minutos por reentrada, y para la reutilización, solo unos 30 ciclos serían suficientes. Sin embargo, para aplicaciones industriales en un entorno de gas caliente, se requieren varios cientos de ciclos de cargas térmicas y hasta muchos miles de horas de vida útil.
El Vehículo Experimental Intermedio (IXV), un proyecto iniciado por la ESA en 2009, [27] es el primer vehículo de reentrada de carrocería elevable de Europa. Desarrollado por Thales Alenia Space , el IXV está programado para realizar su primer vuelo en 2014 en la cuarta misión Vega (VV04) sobre el Golfo de Guinea. Más de 40 empresas europeas contribuyeron a su construcción. El sistema de protección térmica para la parte inferior del vehículo, que comprende el morro, los bordes de ataque y la superficie inferior del ala, fue diseñado y fabricado por Herakles [28] utilizando un compuesto de matriz cerámica (CMC), carbono / carburo de silicio (C / SiC), en este caso basado en el proceso de infiltración de silicio líquido (LSI) (ver procedimientos de fabricación más arriba). Estos componentes deberían haber funcionado como escudo térmico del vehículo durante su reentrada atmosférica. [29]
La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, en el marco de la convocatoria NMP-19-2015 de Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico (H2020) en 2016 para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de Ultra-High- compuestos de matriz cerámica de temperatura (UHTCMC) reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos como propulsión y sistemas de protección térmica (TPS). [30]
Desarrollos para componentes de turbinas de gas
El uso de CMC en turbinas de gas permite temperaturas de entrada de la turbina más altas, lo que mejora la eficiencia del motor. Debido a la forma compleja de las paletas del estator y las palas de la turbina, el desarrollo se centró primero en la cámara de combustión. En los EE. UU., Se probó con éxito una cámara de combustión hecha de SiC / SiC con una fibra especial de SiC de estabilidad mejorada a altas temperaturas durante 15.000 horas. [31] La oxidación del SiC se redujo sustancialmente mediante el uso de un revestimiento de protección contra la oxidación que consta de varias capas de óxidos. [32]
La colaboración de motores entre General Electric y Rolls-Royce estudió el uso de paletas de estator CMC en la sección caliente del motor turbofan F136 , un motor que no pudo vencer al Pratt y Whitney F-135 para su uso en el Joint Strike Fighter . La empresa conjunta de motores , CFM International, está utilizando CMC para fabricar las cubiertas de turbinas de alta temperatura. [33] General Electric está utilizando CMC en revestimientos de cámaras de combustión, boquillas y la cubierta de la turbina de alta temperatura para su próximo motor GE9X. [34] Las piezas de CMC también se están estudiando para aplicaciones estacionarias tanto en las secciones frías como calientes de los motores, ya que las tensiones impuestas sobre las piezas giratorias requerirían un mayor esfuerzo de desarrollo. En general, continúa el desarrollo de CMC para su uso en turbinas para reducir los problemas técnicos y la reducción de costos.
Después de una inversión de US $ 1.500 millones y 20 años de investigación y desarrollo , para 2020 GE Aviation tiene como objetivo producir hasta 20 t (44.000 lb) de preimpregnado CMC y 10 t de fibra de carburo de silicio por año . La deposición de vapor químico permite aplicar recubrimientos sobre una cinta de fibra apilable en grandes cantidades y GE logró infiltrar y fundir piezas con densidades de silicio muy altas, superiores al 90% para entornos de fatiga cíclica , gracias al procesamiento térmico. [35]
Recubrimientos de barrera ambiental (EBC) para proteger los componentes de la turbina de gas
Los Recubrimientos de barrera ambiental (EBC) proporcionan una barrera a las CMC para reducir la cantidad de oxígeno y otras sustancias corrosivas que se difunden a través de la superficie de los componentes de la CMC.
Requisitos de diseño para EBC:
- Coincidencia de coeficiente relativo con el componente CMC para reducir la probabilidad de agrietamiento
- Baja volatilidad para minimizar la corrosión / recesión inducida por la estabilidad
- Resistente a partículas ingeridas fundidas
- Capacidad de alta temperatura
- Estabilidad de fase a altas temperaturas
- Compatibilidad química con CMC y capas adicionales
- Alta dureza y dureza para proteger contra daños por objetos extraños (FOD) y erosión
Normalmente, cuando se recubre con un EBC, se requiere una capa de unión para mantener una buena adhesión al componente de CMC. La NASA ha desarrollado un EBC a base de lechada que comienza con un recubrimiento a base de mullita antes de colocarse en capas con 2-3 capas adicionales. [36] Para que los EBC protejan activamente la superficie de CMC, se deben agregar ayudas de sinterización a la capa de lechada para crear una capa densa que bloqueará la penetración de oxígeno, depósitos gaseosos y fundidos del motor. La sinterización crea un recubrimiento densificado y mejora la unión y el rendimiento del recubrimiento.
Actualmente, se están realizando investigaciones para combatir los modos de falla comunes, como la delaminación, la erosión y el agrietamiento causado por el vapor o los depósitos fundidos. La delaminación y el agrietamiento debido a los depósitos fundidos generalmente son causados por la reacción con el EBC que crea una microestructura inesperada que conduce a un desajuste del CTE y una baja tenacidad en esa fase. La degradación del vapor es causada por la volatilización de la capa de óxido crecida térmicamente entre el EBC y la cerámica. El vapor producido a partir de esto conduce a una rápida recesión del SiC, es decir, la degradación del EBC. [37] El éxito de los EBC es imperativo para el éxito general de los componentes de CMC en el flujo de gas de la turbina en los motores a reacción.
Beneficios generales de los EBC:
- Extiende la vida útil de los componentes CMC, lo que permite un ahorro general de costos en la producción de motores a reacción
- Mejora la resistencia a la oxidación de los componentes de CMC
- Proporciona una mayor resistencia a la oxidación de los componentes de CMC expuestos a compuestos gaseosos del motor a reacción
Aplicación de óxido CMC en quemadores y conductos de gas caliente
El gas que contiene oxígeno a temperaturas superiores a 1000 ° C (1800 ° F) es bastante corrosivo para los componentes de metal y carburo de silicio. Dichos componentes, que no están expuestos a esfuerzos mecánicos elevados, pueden estar hechos de CMC de óxido, que pueden soportar temperaturas de hasta 1200 ° C (2190 ° F). La siguiente galería muestra el quemador de una panadería de pan crujiente probado después de 15.000 horas, que posteriormente funcionó durante un total de más de 20.000 horas. [38]
Soporte de llama de óxido de CMC | Ventilador para gases calientes | Puerta elevadora, óxido CMC | Puerta elevadora en el campo |
Las aletas y ventiladores que hacen circular gases calientes que contienen oxígeno se pueden fabricar con la misma forma que sus equivalentes metálicos. La vida útil de estos componentes de óxido de CMC es varias veces mayor que la de los metales, que a menudo se deforman. Otro ejemplo es una compuerta elevadora CMC de óxido para un horno de sinterización, que ha sobrevivido a más de 260.000 ciclos de apertura. [39]
Aplicación en disco de freno
Los materiales de carbono / carbono (C / C) se han introducido en los frenos de disco de los coches de carreras y los aviones , y los discos de freno C / SiC fabricados mediante el proceso LSI fueron calificados y están disponibles comercialmente para vehículos de lujo . Las ventajas de estos discos C / SiC son:
- Los fabricantes pronostican muy poco desgaste, lo que da como resultado un uso de por vida para un automóvil con una carga de conducción normal de 300,000 km (190,000 mi).
- No se experimenta desvanecimiento , incluso con cargas elevadas.
- No aparece ningún efecto de la humedad superficial sobre el coeficiente de fricción, como en los discos de freno C / C.
- La resistencia a la corrosión, por ejemplo a la sal de la carretera, es mucho mejor que la de los discos metálicos.
- La masa del disco es solo el 40% de un disco de metal. Esto se traduce en una masa menos suspendida y giratoria.
La reducción de peso mejora la respuesta del amortiguador, la comodidad de agarre en carretera, la agilidad, el ahorro de combustible y, por lo tanto, la comodidad de conducción. [40]
La matriz de SiC de LSI tiene una porosidad muy baja, lo que protege bastante bien las fibras de carbono. Los discos de freno no experimentan temperaturas superiores a 500 ° C (932 ° F) durante más de unas pocas horas durante su vida útil. Por tanto, la oxidación no es un problema en esta aplicación. La reducción de los costes de fabricación decidirá el éxito de esta aplicación para coches de clase media.
Aplicación en cojinetes deslizantes
El SiC convencional, o algunas veces el SiSiC menos costoso , se ha utilizado con éxito durante más de 25 años en cojinetes deslizantes o de muñón de bombas . [41] El propio líquido bombeado proporciona el lubricante para el rodamiento. Muy buena resistencia a la corrosión frente a prácticamente todo tipo de medios, y unos coeficientes de desgaste y fricción muy bajos son la base de este éxito. Estos cojinetes constan de un cojinete estático, encajado por contracción en su entorno metálico, y un manguito de eje giratorio, montado en el eje. Bajo esfuerzo de compresión, el rodamiento estático cerámico tiene un bajo riesgo de falla, pero un manguito de eje de SiC no tiene esta situación y debe, por lo tanto, tener un gran espesor de pared y / o estar especialmente diseñado. En bombas grandes con ejes de 100 a 350 mm (3,9 a 13,8 pulgadas) de diámetro, el riesgo de falla es mayor debido a los requisitos cambiantes en el rendimiento de la bomba, por ejemplo, cambios de carga durante el funcionamiento. La introducción de SiC / SiC como material de manguito de eje ha demostrado ser un gran éxito. Los experimentos del banco de pruebas mostraron una capacidad de carga específica casi triple del sistema de cojinetes con un manguito de eje hecho de SiC / SiC, SiC sinterizado como cojinete estático y agua a 80 ° C (176 ° F) como lubricante. [42] La capacidad de carga específica de un rodamiento suele expresarse en W / mm 2 y se calcula como el producto de la carga (MPa), la velocidad superficial del rodamiento (m / s) y el coeficiente de fricción; es igual a la pérdida de potencia del sistema de cojinetes debido a la fricción.
Este concepto de cojinete de deslizamiento, a saber, manguito de eje de SiC / SiC y cojinete de SiC, se ha utilizado desde 1994 en aplicaciones como en las bombas de agua de alimentación de calderas de centrales eléctricas , [42] que bombean varios miles de metros cúbicos de agua caliente a un nivel de 2000 m (6.600 pies), y en bombas de carcasa tubular [43] para obras hidráulicas o plantas de desalinización de agua de mar , bombeando hasta 40.000 m 3 (1.400.000 pies cúbicos) a un nivel de alrededor de 20 m (66 pies).
Este sistema de cojinetes ha sido probado en bombas para oxígeno líquido , por ejemplo en turbobombas de oxígeno para motores de empuje de cohetes espaciales, con los siguientes resultados. SiC y SiC / SiC son compatibles con oxígeno líquido. En una prueba de autoignición según la norma francesa NF 28-763, no se observó autoignición con SiC / SiC en polvo en 20 bar de oxígeno puro a temperaturas de hasta 525 ° C (977 ° F). Las pruebas han demostrado que el coeficiente de fricción es la mitad y el desgaste es una quincuagésima parte de los metales estándar utilizados en este entorno. [44] Un sistema de cojinetes hidrostáticos (ver imagen) ha sobrevivido varias horas a una velocidad de hasta 10,000 revoluciones por minuto, varias cargas y 50 ciclos de transitorios de arranque / parada sin ningún rastro significativo de desgaste. [45]
Otras aplicaciones y desarrollos
- Aletas de control de empuje para motores a reacción militares [46]
- Componentes para reactores de fusión y fisión [47]
- Sistemas de fricción para diversas aplicaciones [48]
- Aplicaciones nucleares [49]
- tratamiento térmico, alta temperatura, dispositivos de soldadura [50] [51] [52] [53]
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