Cermet - Cermet
En kermet er et kompositmateriale sammensat af keramik (cer) og metal (met) materialer.
En kermet kan kombinere attraktive egenskaber ved både en keramik , såsom høj temperaturbestandighed og hårdhed, og egenskaber ved et metal, såsom evnen til at undergå plastisk deformation . Metallet bruges som bindemiddel til et oxid , borid eller carbid . Generelt er de anvendte metalliske elementer nikkel , molybdæn og kobolt . Afhængig af materialets fysiske struktur kan cermets også være metalmatrixkompositter , men cermets er normalt mindre end 20 volumenprocent metal.
Kermeter bruges til fremstilling af modstande (især potentiometre ), kondensatorer og andre elektroniske komponenter, der kan opleve høj temperatur.
Hårde bruges i stedet for wolframcarbid i save og andre loddede værktøjer på grund af deres overlegne slid- og korrosionsegenskaber. Titannitrid (TiN), titaniumcarbonitrid (TiCN), titaniumcarbid (TiC) og lignende kan loddes som wolframcarbid, hvis de er korrekt forberedt, men de kræver særlig håndtering under slibning.
Kompositter af MAX faser , en ny klasse af ternære karbider eller nitrider med aluminium eller titanium legeringer er blevet undersøgt siden 2006 som høj værdi materialer udviser gunstige egenskaber af keramik med hensyn til hårdhed og trykstyrke sammen duktilitet og brudsejhed typisk er forbundet med metaller. Sådanne cermet-materialer, herunder aluminium-MAX-fasekompositter, har potentielle anvendelser inden for bil- og rumfartsapplikationer.
Nogle typer af cermets overvejes også til brug som rumfartøjsafskærmning, da de modstår de hurtige påvirkninger af mikrometeoroider og orbitalrester meget mere effektivt end mere traditionelle rumfartøjsmaterialer som aluminium og andre metaller.
Historie
Efter Anden Verdenskrig blev behovet for at udvikle høje temperaturer og materialer med høj belastningsbestandighed klart. Under krigen udviklede tyske forskere oxidbaserede cermeter som erstatninger for legeringer. De oplevede en brug for dette til sektioner med høje temperaturer i nye jetmotorer samt turbineblade med høj temperatur. I dag implementeres keramik rutinemæssigt i forbrændingsdelen af jetmotorer, fordi det giver et varmebestandigt kammer. Keramiske turbineblade er også udviklet. Disse knive er lettere end stål og giver mulighed for større acceleration af knivaggregaterne.
Det amerikanske luftvåben så potentiale i materialeteknologien og blev en af hovedsponsorerne for forskellige forskningsprogrammer i USA. Nogle af de første universiteter til forskning var Ohio State University , University of Illinois og Rutgers University .
Ordet cermet blev faktisk opfundet af United States Air Force , tanken var, at de er en kombination af to materialer, et metal og en keramik . Metals grundlæggende fysiske egenskaber omfatter duktilitet , høj styrke og høj varmeledningsevne . Keramik besidder grundlæggende fysiske egenskaber såsom et højt smeltepunkt , kemisk stabilitet og især oxidationsresistens .
Det første keramiske metalmateriale udviklet brugte magnesiumoxid (MgO), berylliumoxid (BeO), og aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) for den keramiske del. Vægten på høj belastningsbrudstyrke var omkring 980 ° C. Ohio State University var den første til at udvikle Al 2 O 3 -baserede kermeter med høje belastningsbrudstyrker omkring 1200 ° C. Kennametal , et metalbearbejdnings- og værktøjsfirma med base i Latrobe, PA , USA, udviklede den første titaniumcarbidcermet med 19 megapascal (2.800 psi) og 100 timers stress-til-brudstyrke ved 980 ° C. Jetmotorer fungerer ved denne temperatur, og der blev investeret yderligere forskning i at bruge disse materialer til komponenter.
Kvalitetskontrol ved fremstilling af disse keramiske metalkompositter var svært at standardisere. Produktionen skulle holdes i små partier, og inden for disse partier varierede egenskaberne meget. Fejl i materialet var sædvanligvis et resultat af uopdagede fejl, der sædvanligvis blev nukleare under behandlingen.
Den eksisterende teknologi i 1950'erne nåede en grænse for jetmotorer, hvor lidt mere kunne forbedres. Efterfølgende var motorfabrikanter tilbageholdende med at udvikle keramiske metalmotorer. Interessen blev fornyet i 1960'erne, da siliciumnitrid og siliciumcarbid blev set nærmere på. Begge materialer havde bedre termisk chokmodstand, høj styrke og moderat varmeledningsevne.
Cermet produktion, Helipot Division of Beckman Instruments, 1966
1. Steatite -ingredienser vejes
2. Steatit Granuleringsproces
3. Steatite Chip Presning
4. Høj temperatur fyring af Steatite Chip
5. Beckman Model 61 Potentiometer (Cermet Screening)
6. Sidste fyring af Cermet
7. Kontrol af elektrisk modstand
8. Slutsamling
Ansøgninger
Keramik-til-metal samlinger og tætninger
Kermeter blev først brugt i vid udstrækning i keramiske til metal-fælles applikationer. Konstruktion af vakuumrør var et af de første kritiske systemer, hvor elektronikindustrien beskæftigede og udviklede sådanne tætninger. Tyske forskere erkendte, at vakuumrør med forbedret ydeevne og pålidelighed kunne fremstilles ved at erstatte keramik med glas. Keramiske rør kan udgasses ved højere temperaturer. På grund af højtemperaturforseglingen tåler keramiske rør højere temperaturer end glasrør. Keramiske rør er også mekanisk stærkere og mindre følsomme over for termiske stød end glasrør. I dag har cermet vakuumrørsbelægninger vist sig at være nøglen til solvarmtvandsanlæg.
Keramiske til metal mekaniske tætninger er også blevet brugt. Traditionelt er de blevet brugt i brændselsceller og andre enheder, der konverterer kemisk, atomkraft eller termionisk energi til elektricitet. Den keramiske til metalforsegling er nødvendig for at isolere de elektriske sektioner af turbinedrevne generatorer, der er designet til at fungere i ætsende flydende metaldampe.
Biokeramik
Biokeramik spiller en omfattende rolle i biomedicinske materialer. Udviklingen af disse materialer og mangfoldigheden i fremstillingsteknikker har udvidet de applikationer, der kan bruges i menneskekroppen. De kan være i form af tynde lag på metalliske implantater, kompositter med en polymerkomponent eller endda bare porøse netværk. Disse materialer fungerer godt i menneskekroppen af flere årsager. De er inaktive, og fordi de er resorberbare og aktive, kan materialerne forblive uændrede i kroppen. De kan også opløses og aktivt deltage i fysiologiske processer, for eksempel når hydroxylapatit , et materiale, der kemisk ligner knoglestruktur, kan integrere og hjælpe knoglerne til at vokse ind i det. Almindelige materialer, der anvendes til biokeramik, omfatter aluminiumoxid, zirkoniumoxid, calciumphosphat, glaskeramik og pyrolytiske carbonatomer.
En vigtig anvendelse af biokeramik er i hofteudskiftningskirurgi . De materialer, der blev brugt til udskiftning af hofteledd, var normalt metaller som titanium , med hoftehylster normalt beklædt med plast. Den multiaxiale kugle var hård metalbold, men blev til sidst erstattet med en længerevarende keramisk kugle. Dette reducerede runingen i forbindelse med metalvæggen mod plastforingen af den kunstige hofteboks. Brugen af keramiske implantater forlængede hofteudskiftningens levetid.
Tandkremer bruges også i tandlægen som materiale til fyld og proteser.
Transport
Keramiske dele er blevet brugt i forbindelse med metaldele som friktionsmaterialer til bremser og koblinger .
Andre applikationer
Den amerikanske hær og britiske hær har haft omfattende forskning i udviklingen af cermets. Disse omfatter udviklingen af letvægts keramisk projektil-bevis rustning til soldater og også Chobham rustning .
Cermets bruges også til bearbejdning af skæreværktøjer .
Hjerter bruges også som ringmateriale i linelinier af høj kvalitet til fiskestænger.
En cermet af udtømt fissibelt materiale (f.eks. Uran , plutonium ) og sodalit er blevet undersøgt for dets fordele ved opbevaring af atomaffald. Lignende kompositter er også blevet undersøgt til brug som brændselsform til atomreaktorer og termiske raketter .
Som nanostruktureret kermet bruges dette materiale i det optiske felt, såsom solabsorbere/ selektiv overflade . Takket være partiklernes størrelse (~ 5 nm) genereres overfladeplasmoner på metalliske partikler og muliggør varmeoverførsel.
Af grunde vedrørende luksus findes cermet undertiden som sagmateriale til nogle ure, herunder Jaeger-LeCoultre 's Deep Sea Chronograph Vintage Cermet ur. Det blev også brugt (november 2019) på rammen af flagskibsdykkeren Seiko Prospex LX Line Limited Edition ur.
Se også
Noter
- ^ a b Hanaor, DAH; Hu, L .; Kan, WH; Proust, G .; Foley, M .; Karaman, I .; Radovic, M. (2016). "Komprimerende ydeevne og revnedannelse i Al -legering/Ti 2 AlC -kompositter". Materials Science and Engineering A . 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . doi : 10.1016/j.msea.2016.06.073 .
- ^ Bingchu, M .; Ming, Y .; Jiaoqun, Z. & Weibing, Z. (2006). "Fremstilling af TiAl/Ti2AlC-kompositter med Ti/Al/C-pulvere ved varm presning på stedet". Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci . 21 (2): 14–16. doi : 10.1007/BF02840829 . S2CID 135148379 .CS1 maint: flere navne: forfatterliste ( link )
- ^ Tinklepaugh, James R .: "Cermets.", Reinhold Publishing Corporation, 1960
- ^ Metallurgiske begreber, "Kryb og stressbrud". "Arkiveret kopi" . Arkiveret fra originalen 2007-01-05 . Hentet 2006-12-12 .CS1 maint: arkiveret kopi som titel ( link )
- ^ "Fremstilling af en cermet -trimmer". Helinews . Beckman Instruments (36 Spring): 4-5. 1966.
- ^ a b c Pattee, HE "Tilslutning af keramik og grafit til andre materialer, en rapport." Office of Technology Utilization National Aeronautics and Space Administration, Washington DC, 1968
- ^ Design Fax Online, "Hybrid hofteledd". "Arkiveret kopi" . Arkiveret fra originalen 2007-09-27 . Hentet 2006-12-07 .CS1 maint: arkiveret kopi som titel ( link )
- ^ http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000532000001000089000001&idtype=cvips&gifs=yes
- ^ "Arkiveret kopi" . Arkiveret fra originalen 2007-11-26 . Hentet 2007-10-11 .CS1 maint: arkiveret kopi som titel ( link )
- ^ Tucker, Dennis S; O'Connor, Andrew; Hickman, Robert (28. april 2015). "En metode til fremstilling af ensartet distribution af UO2 i en wolframmatrix". Journal of Physical Science and Application . 5 (4): 255–262.
Yderligere læsning
- Tinklepaugh, James R. (1960). Cermets . New York: Reinhold Publishing Corporation. ASIN B0007E6FO4.