Керамічні композиційні матеріали в авіа- і автомобілебудуванні

Abstract

UK: Вступ. Кераміка в останні роки стала третім промисловим матеріалом після металів і полімерів завдяки своїм фізичним і хімічним властивостям: малій питомій вазі, високими жароміцності і хімічній інертності та корозійної стійкості. Створення надлегких СМС-композитів (Ceramic Matrix Composites) на базі кераміки надало можливість суттєво підвищити експлуатаційні характеристики двигунів внутрішнього згоряння та газотурбінних. До недоліків кераміки відносяться: висока крихкість, низькі оброблювальність різанням та стабільність механічних і службових властивостей. Підвищення властивостей кераміки. Можливі два підходи до усунення головного недоліку кераміки – крихкості та до підвищення в’язкості руйнування керамічних виробів: 1) подрібнення порошків до нанорозміру і удосконалення процесів компактування і спікання при виробництві СМС-композитів; 2) гальмування зростання крихких тріщин під навантаженням виробів за рахунок відповідного складу порошкової шихти та за рахунок армування керамічної матриці різними волокнами. Ці та інші підходи надають можливість підвищити коефіцієнт інтенсивності напружень К1С з 1-2 до 15-20 МПа · м1/2. Використання керамічних виробів. За даними Національного бюро стандартів США використання кераміки для виготовлення деталей авіаційних і автомобільних двигунів, різального інструменту, оптоприладів для передачі інформації і інше дозволяє знизити витрати дорогих і дефіцитних металів (титан, тантал, вольфрам, кобальт, нікель) та одержати значну економію ресурсів. Використання кераміки для виготовлення авіаційних підшипників надало можливість підвищити швидкість роторів, знизити вимоги до змащення та охолодження. Низька фірм, зокрема «ESR» (ФРН), серійно випускає суцільно керамічні підшипники. В рамках Європейської програми створено Joint Strike Fighter (Єдиний Ударний Винищувач) з використанням у конструкції головних підшипників гібридного типу, в яких роликові елементи виготовлені керамічними. Поширюється використання керамічних виробів в автобудуванні. Так японська компанія «Nіssan» однією з перших повідомила про серійне застосування турбокомпресорів з роторами з Sі3N4. Фірма «Іsuzu» (Японія) повідомила про успішну розробку керамічного двигуна, що працює на бензині та дизельному паливі та розвиває швидкість до 150 км/год. Як висновок можна стверджувати, що зараз підвищення тактико-технічних характеристик авіаційних, автомобільних та інших двигунів стало неможливим без застосування керамічних матеріалів.

RU: Введение. Керамика в последние годы стала третьим промышленным материалом после металлов и полимеров благодаря своим физическим и химическим свойствам: малому удельному весу, высоким жаропрочности, химической инертности и коррозионной стойкости. Создание сверхлегких СМС-композитов (Ceramic Matrix Composites) на базе керамики позволило существенно повысить эксплуатационные характеристики двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных. К недостаткам керамики относятся: высокая хрупкость, низкие обрабатываемость резанием и нестабильность механических и служебных свойств. Повышение свойств керамики. Возможны два подхода к устранению главного недостатка керамики – хрупкости и к повышению вязкости разрушения керамических изделий: 1) измельчение порошков до наноразмера и усовершенствование процессов компактирования и спекания при производстве СМСкомпозитов; 2) торможение роста хрупких трещин под нагрузкой изделий за счет соответствующего состава порошковой шихты и за счет армирования керамической матрицы различными волокнами. Эти и другие подходы дают возможность повысить коэффициент интенсивности напряжений К1С с 1-2 до 15-20 МПа · м1/2. Использование керамических изделий. По данным Национального бюро стандартов США использование керамики для изготовления деталей авиационных и автомобильных двигателей, режущего инструмента, оптических приборов для передачи информации и другое позволяет снизить расходы дорогих и дефицитных металлов (титан, тантал, вольфрам, кобальт, никель) и получить значительную экономию ресурсов. Использование керамики для изготовления авиационных подшипников позволило повысить быстроходность роторов, снизить требования к смазке и охлаждению. Ряд фирм, в частности «ESR» (ФРГ), серийно выпускает сплошь керамические подшипники. В рамках Европейской программы создан Joint Strike Fighter (Единый Ударный Истребитель) в конструкции которого применены главные подшипники гибридного типа с роликовыми элементами из керамики. Расширяется использование керамических изделий в автостроении. Так японская компания «Nissan» одной из первых сообщила о серийном применении турбокомпрессоров с роторами с Si3N4. Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе и развивающего скорость до 150 км/ч. Как вывод можно утверждать, что сейчас повышение тактико-технических характеристик авиационных, автомобильных и других двигателей стало невозможным без применения керамических материалов.

EN: Introduction. The ceramics by its physical and chemical properties, small specific gravity, high heat-resistance, corrosion-resistance and chemical inertness groves at last year’s third industrial material after metals and polymers. The production of super-light CMC-composites (Ceramics Matrix Composites) on the base of ceramics gives a chance to a marked degree increase service properties of engines of internal combustion and aircraft turbines. High brittleness, low machinability and stability of mechanical and service properties are main drawbacks of ceramics. Improvement of ceramics' properties. There are two methods of removal of ceramics brittleness – its main drawback – and increasing of fracture toughness of ceramics products: 1) powder grinding up to nanosize and improvement compacting and sintering processes during production of CMC-composites; 2) the preventing of brittle cracks formation in loading process of parts by regulation of mixture powders composition and untorcing by fiters and so on. These methods give a chance to raise a stress intensity factor K1C of composite material from 1-2 to 15-20 MPa · m1/2. Using of ceramics products. In accordance with United States of America Standard Bureau data the using of ceramics parts and materials in aircraft, automobile building, productions of cutting tools and optical devices for broadcasting of information and so on give ability to decrease an expenses of titanium, tantalum, tungsten, cobalt, nickel and get essential economy of resources. The using of ceramics for production of aviation bearings gives an ability of increasing of rotors rotations speed, decrease requirements to lubricating and cooling. The compane “ESK” (FRD) produces ceramics bearings. According to European program of Joint Strike Fighter creation the ceramics bearing will be used. The Japan company “Nissan” produces turbo-compressors with rotors, made from ceramics Sі3N4. Company “Іsuzu” gave the information about producing of ceramics engine which is working on a benzine and diesel fuel and has speed up to 150 km/h. As conclusion, it may be said the now the increasing of tactic-technical characteristics of avia- and automobile engines stands impossible without the using of ceramics materials.