Керамир — керамический композитный материал¶

Керамир — обобщённое название группы композитных материалов, сочетающих керамическую матрицу с металлическими или иными армирующими компонентами. Термин образован от слов «керамика» и «металл» и применяется как к дисперсно-упрочнённым керметам, так и к более широкому классу керамоматричных композитов (CMC, ceramic matrix composites). Основная цель создания таких материалов — соединить жаростойкость, твёрдость и химическую инертность керамики с пластичностью, тепло- и электропроводностью металла.

¶Терминология и соотношение понятий

В русскоязычной литературе наиболее устоявшийся термин — «кермет» (от англ. cermet, ceramic + metal). «Керамир» нередко используется как его синоним либо как более широкая категория, охватывающая:

• керметы — спечённые композиции керамического порошка (оксиды, карбиды, нитриды) со связующим металлом (никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден);
• керамоматричные композиты — материалы с непрерывным керамическим армированием (волокна, нити, сетки) в керамической или стеклокерамической матрице;
• дисперсно-упрочнённые композиты — с равномерно распределёнными мелкодисперсными включениями второй фазы.

Разграничение условно: в научной и технической практике границы между терминами зависят от отрасли и конкретной школы материаловедения.

¶История

Идея объединения тугоплавкой керамики с металлом возникла в середине XX века, в период бурного развития реактивной авиации, ракетостроения и атомной энергетики. Требовались материалы, работающие при температурах выше возможностей жаропрочных сплавов, но не столь хрупкие, как чистая керамика.

Первые керметы появились в 1940–1950-е годы как материалы для режущего инструмента и газотурбинных деталей. В СССР и США велись параллельные исследования оксидно-металлических композиций, в частности на основе оксида алюминия с хромом и никелем. В 1960–1970-е годы развитие получили дисперсно-упрочнённые системы, а с 1980-х — керамоматричные композиты с волокнистым армированием (карбид кремния, оксид алюминия, муллит). В России исследования велись в институтах Академии наук и авиационных КБ, в том числе в интересах двигателестроения и космической техники.

¶Состав и классификация

Классификацию удобно вести по типу матрицы и армирующей фазы.

По структуре различают матричные, каркасные и слоистые композиты. По температуре применения — низкотемпературные (до 800 °C), среднетемпературные (800–1200 °C) и высокотемпературные (свыше 1200 °C).

¶Технологии получения

Основные методы производства:

• порошковая металлургия — смешивание керамического и металлического порошков, прессование и спекание; наиболее распространённый способ получения керметов;
• пропитка пористого керамического каркаса расплавом металла;
• химическое осаждение из газовой фазы (CVD/CVI) — используется для уплотнения волокнистых каркасов;
• полимерная пропитка и пиролиз (PIP) — для керамоматричных композитов;
• горячее изостатическое прессование — для плотных изделий сложной формы.

Ключевая технологическая проблема — согласование коэффициентов термического расширения керамики и металла, иначе при нагреве и охлаждении возникают трещины.

¶Свойства

Керамиры сочетают:

• высокую твёрдость и износостойкость;
• жаростойкость и стойкость к окислению;
• низкую плотность по сравнению с жаропрочными сплавами;
• химическую инертность;
• устойчивость к тепловым ударам (у лучших керамоматричных композитов).

Слабые стороны — остаточная хрупкость, сложность механической обработки, высокая стоимость сырья и производства, анизотропия свойств у волокнистых композитов.

¶Применение

Основные области использования:

• авиа- и ракетостроение — камеры сгорания, сопла, лопатки турбин, теплозащитные покрытия;
• атомная энергетика — элементы активной зоны, поглощающие стержни, конструкционные детали;
• машиностроение — режущий инструмент, штампы, подшипники, уплотнения;
• металлургия — футеровка, тигли, сопла для разливки металла;
• электроника — резисторы, нагреватели, элементы микроэлектроники;
• космическая техника — обтекатели, элементы двигателей, тормозные устройства.

¶Значение и перспективы

Керамир относится к стратегическим материалам: он позволяет повышать рабочие температуры и ресурс техники там, где металлические сплавы исчерпали возможности. Перспективные направления — наноструктурированные композиты, самовосстанавливающиеся матрицы, гибридные системы с углеродными и оксидными волокнами, а также аддитивные технологии формования керамических изделий. В России работы в этой области связаны с двигателестроением, атомной отраслью и космическими программами.

¶Критика и ограничения

Основные претензии к керамирам — высокая стоимость, ограниченная ремонтопригодность и сложность контроля качества. Хрупкость ограничивает применение в ответственных деталях, испытывающих ударные нагрузки. Кроме того, разброс свойств партий затрудняет сертификацию, что сдерживает массовое внедрение.

Источники: учебники по материаловедению и композиционным материалам, справочники по порошковой металлургии, обзоры по керамоматричным композитам, публикации отраслевых институтов.