Trong khoa học vật liệu, vật liệu tổng hợp nền gốm (CMC) là một phân nhóm của vật liệu composite và một phân nhóm của gốm. Chúng bao gồm các sợi gốm được nhúng trong một ma trận gốm. Cả sợi và chất nền đều có thể bao gồm bất kỳ vật liệu gốm nào, theo đó sợi carbon và sợi carbon cũng có thể được coi là vật liệu gốm.
Giới thiệu
Động lực để phát triển CMC là để khắc phục các vấn đề liên quan đến gốm sứ kỹ thuật thông thường như nhôm, cacbua silic, nitrit nhôm, nitrit silic hoặc zirconia – chúng dễ bị gãy khi chịu tải trọng cơ học hoặc nhiệt cơ do các vết nứt bắt đầu bởi các khuyết tật hoặc vết xước nhỏ. Khả năng chống nứt rất thấp, như trong thủy tinh. Để tăng khả năng chống nứt hoặc độ dẻo dai khi đứt gãy, các hạt (được gọi là râu đơn tinh thể hoặc tiểu cầu) đã được nhúng vào ma trận. Tuy nhiên, sự cải tiến còn hạn chế và các sản phẩm chỉ được ứng dụng trong một số dụng cụ cắt gốm sứ. Cho đến nay chỉ có sự tích hợp của các sợi dài nhiều sợi đã làm tăng đáng kể khả năng chống nứt, kéo dài và chống sốc nhiệt, và dẫn đến một số ứng dụng mới. Các chất gia cường được sử dụng trong vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC) phục vụ để tăng cường độ dẻo dai khi đứt gãy của hệ thống vật liệu kết hợp trong khi vẫn tận dụng được độ bền cao vốn có và mô đun Young của ma trận gốm. Phương án gia cường phổ biến nhất là sợi gốm có chiều dài liên tục, có mô đun đàn hồi thường thấp hơn một chút so với chất nền. Vai trò chức năng của sợi này là (1) để tăng ứng suất CMC đối với sự tiến triển của các vết nứt vi mô xuyên qua ma trận, do đó tăng năng lượng sử dụng trong quá trình lan truyền vết nứt; và sau đó (2) khi các vết nứt có độ dày lớn bắt đầu hình thành trên CMC ở ứng suất cao hơn (ứng suất giới hạn tỷ lệ, PLS), để kết nối các vết nứt này mà không bị đứt gãy, do đó cung cấp cho CMC cường độ kéo cuối cùng cao (UTS). Bằng cách này, sợi gốm gia cố không chỉ làm tăng khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt ban đầu của cấu trúc composite mà còn cho phép CMC tránh được sự hư hỏng đột ngột, đặc điểm của gốm nguyên khối. Hành vi này khác với hành vi của sợi gốm trong vật liệu tổng hợp nền polyme (PMC) và vật liệu tổng hợp ma trận kim loại (MMC), trong đó các sợi thường bị đứt gãy trước ma trận do khả năng biến dạng hỏng cao hơn của các chất nền này.
Các sợi cacbon (C), cacbua silic đặc biệt (SiC), alumin (Al2O3) và sợi mullit (Al2O3-SiO2) được sử dụng phổ biến nhất cho CMC. Các vật liệu nền thường giống nhau, đó là C, SiC, alumina và mullite. Trong một số hệ thống gốm nhất định, bao gồm SiC và silicon nitride, quá trình phát triển hạt bất thường có thể dẫn đến cấu trúc vi mô thể hiện các hạt lớn kéo dài trong một ma trận các hạt tròn mịn hơn. Các vi cấu trúc có nguồn gốc từ AGG thể hiện sự dẻo dai do cầu nối nứt và độ võng của vết nứt bởi các hạt kéo dài, có thể được coi là chất gia cường sợi được sản xuất tại chỗ. Gần đây Gốm sứ nhiệt độ siêu cao (UHTC) đã được nghiên cứu là ma trận gốm trong một loại CMC mới được gọi là Vật liệu hỗn hợp ma trận gốm nhiệt độ siêu cao (UHTCMC) hoặc Vật liệu tổng hợp gốm nhiệt độ siêu cao (UHTCC).
Nói chung, tên CMC bao gồm sự kết hợp của loại sợi / loại ma trận. Ví dụ, C / C là viết tắt của carbon gia cố bằng sợi carbon (carbon / carbon), hoặc C / SiC cho silicon carbide được gia cố bằng sợi carbon. Đôi khi quy trình sản xuất được bao gồm và hỗn hợp C / SiC được sản xuất bằng quy trình thấm polyme lỏng (LPI) (xem bên dưới) được viết tắt là LPI-C / SiC.
Các CMC quan trọng có sẵn trên thị trường là C / C, C / SiC, SiC / SiC và Al2O3 / Al2O3. Chúng khác với gốm sứ thông thường ở các đặc tính sau, được trình bày chi tiết hơn dưới đây:
Kéo dài để đứt lên đến 1%
Tăng mạnh độ dẻo dai khi gãy
Khả năng chống sốc nhiệt cực cao
Cải thiện khả năng tải động
Tính chất dị hướng theo sự định hướng của sợi