1 1Fibras de matriz cerámicapara materiales compuestos1.1IntroducciónLos nuevos m at eriales y las formas de procesa miento para proporciona r estructur as avanzadas para la producción de de alto rendimiento en diferentes aplicaciones. Compuestos de matriz cerámica (CMC) es uno de los materiales más usados. Mediante la combinación de diferentes materiales de matriz cerámica con fibras especiales adecuados, las propiedades se pueden ser adaptadas para los campos técnicos. En este capítulo se ofrece una visión general sobre los tipos de fibra, que pueden serutilizados como componentes fibrosos en el CMC [1-5]. La producción de estas fibras, así como su estructura y propiedades. 1.2Las fibras como refuerzo en CerámicaEn CMC, son los componentes de la fibra que se utilizan para resistir las temperaturas relativamente altas requeridas para la producción de cerámica, sin daño significativo. Otros requisitos que deben cumplir son de larga duración a alta temperatura estabilidad, resistencia a la fluencia, y estabilidad a la oxidación. La importancia de cada una de estas demandas depende del tipo de aplicación. Los materiales poliméricos de fibra Orgánica no pueden ser utilizados en los CMC a causa de su degradación a temperaturas por debajo de 500 ° C. También las fibras de vidrio convencionales, con fusión o reblandecimiento puntos por debajo de 700 ° C, no se puede utilizar para este propósito. Los posibles candidatos para el refuerzo de los materiales cerámicos son fibras policristalinas o amorfas inorgánicas o fibras de carbono. El término "fibras cerámicas" resume todas las fibras inorgánicos no metálicos (de óxido o no -óxido), con la excepción de fibras fabricadas a través de la solidificación del vidrio fundido. La distinción entre las fibras de cerámica y fibras de vidrio se ha vuelto más difícil durante los últimos años, debido a la cerámica producida a través de precursor de nuevo o rutas sol-gel también puede ser amorfo (es decir, "vítreo") en la estructura y el proceso de producción también puede contener una masa fundida procesando paso. Esto significa que las fibras cerámicas pueden ser
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1 Fibras de matriz cerámica para materiales compuestos
1.1 Introducción
Los nuevos materiales y las formas de procesamiento para proporcionar estructuras
avanzadas para la producción de de alto rendimiento en diferentes aplicaciones.Compuestos de matriz cerámica (CMC) es uno de los materiales más usados. Mediante
la combinación de diferentes materiales de matriz cerámica con fibras especiales
adecuados, las propiedades se pueden ser adaptadas para los campos técnicos.
En este capítulo se ofrece una visión general sobre los tipos de fibra, que pueden ser utilizados como componentes fibrosos en el CMC [1-5]. La producción de estas fibras,
así como su estructura y propiedades.
1.2 Las fibras como refuerzo en Cerámica
En CMC, son los componentes de la fibra que se utilizan para resistir las temperaturasrelativamente altas requeridas para la producción de cerámica, sin daño significativo.
Otros requisitos que deben cumplir son de larga duración a alta temperatura estabilidad,resistencia a la fluencia, y estabilidad a la oxidación. La importancia de cada una de
estas demandas depende del tipo de aplicación.
Los materiales poliméricos de fibra Orgánica no pueden ser utilizados en los CMC a
causa de su degradación a temperaturas por debajo de 500 ° C. También las fibras devidrio convencionales, con fusión o reblandecimiento puntos por debajo de 700 ° C, no
se puede utilizar para este propósito.
Los posibles candidatos para el refuerzo de los materiales cerámicos son fibras policristalinas o amorfas inorgánicas o fibras de carbono. El término "fibras cerámicas"
resume todas las fibras inorgánicos no metálicos (de óxido o no -óxido), con laexcepción de fibras fabricadas a través de la solidificación del vidrio fundido.
La distinción entre las fibras de cerámica y fibras de vidrio se ha vuelto más difícil
durante los últimos años, debido a la cerámica producida a través de precursor de nuevoo rutas sol-gel también puede ser amorfo (es decir, "vítreo") en la estructura y el proceso
de producción también puede contener una masa fundida procesando paso. Esto
o bien policristalino, parcialmente cristalino, o amorfo. Sin embargo, la expresión
"fibras de vidrio" sólo debe aplicarse a las fibras que se producen a través de lasolidificación de vidrio típico se funde sobre la base de los sistemas de silicato. Si estas
masas fundidas se producen mediante el uso de minerales como el basalto, a
continuación, las fibras debe ser llamado "fibras minerales."
Las fibras de carbono también se pueden utilizar bajo ciertas condiciones en los CMC.
Aunque estas fibras se degradan en una atmósfera oxidante por encima de 450 ° C, que
son estables bajo condiciones no oxidantes a temperaturas de hasta 2800 ° C. Las fibras
de carbono tienen una muy buena relación coste-rendimiento, si una protección del
medio ambiente del material compuesto permite el uso de este tipo de fibra. Por lo
tanto, los recubrimientos de barrera del medio ambiente (EBC) es un importante campo
de investigación en CMC.
La Figura 1.1 muestra una clasificación general de las fibras, que contiene fibras decerámica y fibras de carbono.
1.3 Estructura y propiedades de las fibras
Las fibras utilizadas en compuestos de alto rendimiento poseen propiedades mecánicas
superiores (y, en los CMC también propiedades térmicas superiores) en comparacióncon los "normales" de fibras poliméricas. Este capítulo discutirá cómo esto se puede
lograr con fibras hechas de diferentes materiales, incluyendo polímeros, vidrio,
cerámica y carbono.
1.3.1 Estructura de fibra
Como se muestra en la Figura 1.2, la estructura de las fibras puede ser considerado
desde puntos de vista diferentes, dependiendo de la "amplificación" en el cual se presenta la estructura. En el ejemplo mostrado es una fibra polimérica.
Inorganic Organic
Carbón fibersPolymer fibersMetal fibers Non metallic
in r anic fi er
Ceramic fibers Glass and mineral fibers Single cryst. fibers
Fibers
Figure 1.1 Clasificación de los diferentes tipos de fibra
A nivel molecular, la fibra está compuesta de una cadena molecular de
polietilentereftalato (PET). Esta "estructura química" determina la estabilidad térmica y
química y la resistencia teórica de la fibra.
La mayoría de las fibras también poseen estructuras supermoleculares, que están
determinadas por la orientación molecular y regiones cristalinas y / o amorfas (por
ejemplo, una estructura de dos fases cristalinas y amorfas se indica en la Figura 1.2).
Estas estructuras se forman durante el procesamiento y puede ser influenciada
significativamente por las condiciones del procesamiento. Esta "estructura física" tiene
una influencia importante sobre las propiedades termo-mecánicas de las fibras.
Por último, la morfología de la fibra influye en las propiedades a nivel macroscópico.
Los criterios importantes son la sección transversal, la uniformidad del diámetro a lolargo de la fibra, la porosidad y defectos estructurales, así como propiedades de la
superficie tales como rugosidad y energía superficial (que es determinado por la
estructura química de la superficie). Adhesión al material de la matriz y elcomportamiento humectante durante los pasos de infiltración están fuertemente
influenciadas por estas propiedades.
1.3.2 Formación de la Estructura
La formación de la estructura de las fibras no sólo depende del material de fibra en sí,
sino también de las condiciones de procesamiento. Los parámetros del proceso se
controlan de tal manera que las estructuras específicas supermoleculares y macroscópica
se puede obtener.
Los importantes procesos de fabricación son, el hilado por fusión, el hilado en seco, el
hilado en húmedo; junto con la modificación de los procesos de hiladura sonrelacionados con los siguientes:
En el proceso de hilatura por fusión, las fibras se forman a través de masas fundidas,que son forzados a través de boquillas a alta presión y luego se solidifica por
enfriamiento. En el proceso de hilado en seco, las soluciones de polímeros se utilizan, que también
se hiló a través de boquillas. En este caso, la formación de fibras se produce por evaporación del disolvente de la solución hilado.
Figura 1,2 estructura de la fibra (ejemplo fibra PET).
En el proceso de hiladura en húmedo, soluciones de polímeros son también
utilizados, pero las formas de fibra por precipitación del polímero en un baño de precipitación líquida.
Los parámetros importantes del proceso que influyen en la formación de la estructura de
las fibras es la velocidad de hiladura, relación de estiramiento, la temperatura y otras
condiciones ambientales.
Si la especialidad de las fibras son deseados por el proceso de hilado, a menudo es
seguido por los tratamientos posteriores, que determinarán la estructura final de las
fibras. Tal después de los tratamientos incluyen el entrecruzamiento de la masa fundida
hilada de los precursores cerámicos antes de la pirólisis, recocido, y sinterización de
óxido de base fibras verdes con el fin de alcanzar las fibras de cerámica y tratamientos
superficiales especiales de fibras de carbono.
Si las fibras de cerámica o de carbono se van a utilizar en (material compuesto
cerámico) CMC, las fibras tienen que ser revestido en muchos casos (por ejemplo, con pirocarbón o nitruro de boro), que actúan como interfaces entre la fibra y la matriz.
1.3.3 Parámetros de Estructura y propiedades de la fibra
Las propiedades físicas de las fibras están determinadas esencialmente por tres
parámetros de la estructura: tipo de enlace, la cristalinidad, y orientación molecular. El
contenido de energía de diferentes tipos de enlaces químicos se ilustra en la Tabla 1.1.
Los enlaces covalentes y iónicos, que pueden ser orientados uno, dos, o tres-
dimensionalmente dentro de las fibras, tiene el mayor contenido de energía y así
determinar la resistencia mecánica y el módulo de las fibras. Otros tipos de enlace sonde menor importancia en fibras de alto rendimiento. Los diferentes tipos de fibra se
muestran en la Tabla 1.2, que se distinguen por los parámetros estructurales de la lista.
Es obvio que las fibras poseen diferentes arquitecturas y las propiedades finales de las
fibras (por ejemplo, módulo y resistencia) están determinadas por una combinación de
estos parámetros estructurales.
Si el tipo de enlace y la orientación espacial de los enlaces fuera el criterio principal
para las buenas propiedades mecánicas, a continuación, las fibras de cerámica y fibras
de vidrio con enlaces tridimensionales, covalentes o iónicos que tienen propiedades
muy superiores en comparación con otros tipos de fibras. Pero dado que estas fibras son
isotrópicas sin orientación molecular, poseen una menor resistencia que las fibras de
carbono. Esto es porque las fibras de carbono tienen una estructura con bidimensional
de enlaces covalentes, mostrando cristalinidad pronunciada y orientación alta. En base a
esta combinación ventajosa de parámetros estructurales, fibras de carbono en la
actualidad mostrar los valores más altos para resistencia y módulo. Dependiendo de las
condiciones de transformación, fibras de carbono puede lograr ya sea módulos tan altocomo 600 GPa, o valores de resistencia extremadamente alta (por encima de 7000 GPa).
Las fibras inorgánicas para procesos de fabricación se puede dividir en dos categorías:
Un proceso que se llama "indirecta", como las fibras o las fibras de materiales
precursores no cerámicos no son obtiene por un proceso de hilatura, objetivo medianteel uso de otros materiales de fibra La fibra se impregna con un material precursor depre-
cerámico, el material precursor es depositado en la superficie. La fibra inorgánica se
forma entonces por pirolisis de la fibra orgánica templada.
En la segunda ruta, llamada "los procesos directos", precursores inorgánicos (soluciones
salinas, precursor de la tierra, o se derrite) están directamente en hilado los llamados
"fibras verdes", en algunos cuadros mediante el uso de aditivos de polímeros orgánicos.
Otra importante distinción se basa en la longitud de la fibra Procesos. Existe un sinfín
de procesos para la producción de fibras, así como para las fibras cortas, con longitudes
de algunas fibras de milímetros a centímetros. Las fibras cortas son producidas por dopes de fibrilación generalmente hilatura utilizando rápidos discos giratorios o por
técnicas de soplado de aire.
Además, un proceso que se realizaron en las telas hechas de fibras celulósicas de
saturación corta con precursores, se luego piroliza y sinteriza a fin de transformar el
material de fibra cerámica en una tela. Figura1.5 Muestra una representación
esquemática de la producción de fibras de cerámica y en la Figura1.6 muestra una línea
de hilatura en seco para la producción de fibras sin fin, basados en óxido de color verde.
1.4.1.1Producciónde Fibra Indirecta
Proceso CVD: En el proceso de CVD, fibras cerámicas se forman a través de
deposición en fase gaseosa de los materiales cerámicos en fibras portadoras. La
fibra portadora generalmente forma el núcleo de la fibra cerámica. Ejemplos de material
de núcleo son fibras de carbono y los alambres de tungsteno.
Reliquia del proceso: En la "reliquia" proceso, los materiales absorbentes de fibra
orgánica (en su mayoría a base de celulosa) se saturan con solución salina
o soles. Después, el material orgánico se quema y la sal o sol se convierte en un material
cerámico a alta temperatura para obtener fibras cerámicas.
1.4.1.2Producciónde fibra directa
Directos los procesos de producción de fibras e pueden distinguir por los componentes
precursores de pre-cerámicos utilizados en las placas de hilatura:
Hiladora de placas Basado en Precursores: Molecularmente dispersa en estos
procesos, las sales solubles se usan en las placas de hilatura, que se puede convertir en
Por una etapa de calcinación. Aunque las sales se disuelven en la forma de iones, es
decir, Aunque las sales se disuelven en la forma de iones, es decir, dispersas en la escala
molecular, estos procesos son a menudo incorrectamente resumirse bajo el proceso "sol-
gel´.
Además de la sal, la mezcla de hilatura se compone de polímeros orgánicos tales como
poli (etileno-oxido), poli (alcohol vinílico) o poli (vinilpirrolidona), a fin de lograr el
comportamiento reológico necesaria para el proceso de hilatura. Los disolventes
son generalmente mezclas de agua o agua / alcohol. En algunos casos la nano- escala de
partículas cerámicas se añaden a la droga para controlar la formación de la estructura
durante ceramizacion.
Composiciones dopantes hilado basadas en dispersarse coloidalmente: Este proceso
es similar a la mencionada anteriormente, pero los componentes inorgánicos coloidales
aquí se utilizan como los precursores pre-cerámicos (partículas de coloides). Los
polímeros orgánicos, que tienen que ser añadido a fin de lograr la hilabilidad, son los
mismos que en el proceso anterior, con los mismos disolventes también se estánutilizando.
Composiciones dopantes hilado que contienen partículas gruesas de cerámica
(polvos cerámicos): A veces, gruesas partículas cerámicas se añade a la sal o sol a base
de composiciones dopantes de hilatura con el fin de aumentar el rendimiento de
cerámica y para reducir la contracción durante calcinación y sinterización. En este caso,
el proceso se denomina el "proceso de suspensión".
Composiciones dopantes hilado a base de polímeros inorgánicos: En estos llamados
"procesos precursoras o un precursor de polímero", la mezcla de hilatura consiste en
cualquiera de una solución de un polímero inorgánico, que puede ser hecho girar através de un proceso de hilado en seco o los precursores de polímeros son fusible y se
puede girar mediante una fusión proceso de hilatura. A continuación ninguna adición de
polímero orgánico es necesaria puesto que la solución o la masa fundida ya poseen el
comportamiento reológico visco-elástica necesaria para ser hilado en fibras.
Los polímeros inorgánicos suelen llevar grupos funcionales orgánicos tales como
grupos metilo o propilo, de modo que durante la pirolisis esta materia orgánica también
tiene que ser quemados. Sin embargo, estos sistemas tienen significativamente más altos
rendimientos de cerámica en comparación con los procesos descritos anteriormente. Los
precursores, que son fundir hilar, tienen que ser reticulado (ya sea químicamente o por
radiación de alta energía) antes de la pirolisis, de lo contrario el material sería volver a
fundir y perder su forma de fibra si se calienta por encima del punto de fusión.
1.4.2.1 Comparación de las fibras de óxido y el óxido no cerámicos
Las fibras de óxido, actualmente disponibles comercialmente, se basa sobre todo en
Al203- o Al203/SiO2. Poseen altos valores de resistencia a la tracción y módulo, y
debido a su naturaleza oxácida son estables frente a la oxidación a altas temperaturas.
Por desgracia, incluso las mejores fibras de óxido policristalina son propensas a
deslizarse bajo carga a 1100 ° C. Por encima de esta temperatura las fibras no se pueden
utilizar en CMC. Desde hace mucho tiempo las aplicaciones. También las fibras de
óxido tienden a formar los granos más grandes si se mantiene a altas temperaturas
durante largos periodos de tiempo. Los granos más grandes tienden a crecer a expensas
de los granos más pequeños a causa de los procesos de difusión en los límites de grano,
que pueden conducir a las fibras frágiles.
Comercialmente disponibles de óxido no fibras cerámicas se basan en el SiC y Si-C-(N)-0 materiales, que contienen oxígeno indeseable en un grado mayor o menor y puede
contener también Ti, Zr, o Al. No óxido de fibras también presentan valores elevados
de resistencia a la tracción y el módulo (aún mayor que las fibras de óxido) y debido a
su estructura, que es amorfo, en muchos casos, poseen menores tasas de fluencia a
temperaturas elevadas en comparación con las fibras de óxido de poli-cristalinos. Las
desventajas de estas fibras son su susceptibilidad a la oxidación, lo que conduce a la
degradación de la fibra en una atmósfera oxidante a través del tiempo. Cuanto menor
sea el contenido de oxígeno de la propia fibra, mejor es su resistencia a la oxidación.
El proceso de producción, lo que requiere una atmósfera inerte en la mayoría de los
casos, es compleja. Especialmente en la fabricación de fibras de oxígeno bajo (<1 peso.
% De oxígeno), como el Hi - Nicalon tipos o Sylramic, sofisticadas tecnologías son
necesarias, que conducen a los precios altos en fibra. Las limitaciones de ambos y
óxido no tipos de fibras tiene que ser conocida con el fin de elegir el material adecuado
para la aplicación prevista.
Actividades de investigación actuales se centran en el desarrollo de fibras de óxido con
mejores propiedades de fluencia una reducción de las tasas de crecimiento de grano, así
como sobre el desarrollo de fibras de óxido no con la estabilidad de la oxidación ymenores costos de producción. Tabla 1.3 ofrece una visión general de las fibras de
óxido disponibles en el mercado de filamentos de fibras de cerámica (es decir, sin
fin). Las especificaciones dadas son tomados de la información producto de
los productores de fibras [17-20]. Los precios reportados son para cantidades de más
de 100 kg de fibra y son generalmente más altos para los menores
cantidades. El "negador" dada por las fibras 3 M es una unidad de medida de la
densidad de masa lineal de fibras. Se define como la masa en gramos por 9000 metros.
En el Sistema Internacional de Unidades, el "dtex" se utiliza en su lugar, que es la
masa en gramos por 10.000 metros. Dado que las fibras tienen densidades diferentes, el
denier no indica directamente el número de filamentos. Para Nextel 720, "den3000"
corresponde a cerca de 900 filamentos; para Nextel610, "den 3000" corresponde a cerca
de 800 filamentos; para Nextel 550 y 440, "den 2000" corresponde a alrededor de
700filamentos, y para Nextel 312, "1800 den "también corresponde a alrededor de700 filamentos (si diámetros de las fibras de 12um se supone).Sin embargo, no se
asume responsabilidad alguna por la exactitud de esta información.
Figura 1,7 muestra la estructura de una fibra 10 m óxido de
mullita basada desarrollado en ITCF, Denkendorf (Alemania), como un ejemplo
de una nueva fibra cerámica oxácida.
Tabla1.3 Resumen de las fibras comerciales de óxido de incandescencia de cerámica.
Productor
de fibra
composición
(Peso-%)
diámetro
(Jim)
densidad
(g/cm3)
tensión
fuerza/módulo
(MPa / CPA)
producción
técnica/
estructura
Aprox.precio
1.4.2.3 No óxido de fibras de filamento de cerámica
Tabla 1.4 ofrece un panorama de venta en comercios (algunos sólo en
menor cantidad) fibras de filamento sin óxido. Los precios de las fibras Nicalon fueron
proporcionados por el distribuidor de Cerámica de América del Norte Inc. COI Sin
embargo, no se puede dar responsabilidad por la exactitud de esta información.
Figura 1,8 muestra un ejemplo de un óxido amorfo de Si-NC fibra después del
tratamiento a 1500 ° C de temperatura durante 12 horas en aire. Esta fibra se produjo
en ITCF, Denkendorf con un material precursor del Departamento de Ingeniería de
Materiales Cerámicos de la Universidad de Bayreuth. Al lado de la capa de
Esto puede hacerse por los tratamientos de temperatura en una atmósfera inerte bajo
tensión.
Perpendicular al eje de la fibra generalmente no hay orientación de los planos decarbono. Este tipo de estructura está presente en todas las fibras de carbono, pero sin
embargo hay diferencia significativa en términos del grado de orientación, disponer de
las capas en dirección radical, en la interacción entre los planos, y la presencia de
diferentes defectos estructurales tales como micro-huecos y otras imperfecciones [32]
(Fig. 1,10). Esto conduce a fibras con diferentes propiedades mecánicas, muy alto
módulo de resistencia a la tracción.
El módulo de elasticidad de las fibras depende principalmente del grado de orientación
de los planos a lo largo del eje de la fibra, mientras que la resistencia a la tracción está
limitada por el número de defectos estructurales. Durante los tratamientos detemperatura de hasta 1500 ° C, la resistencia a la tracción tiende a ser optimizado y
tratamientos a temperaturas incluso más altas (hasta 2800 ° C) para conducir las fibras
con módulos elevados .Por el uso de fibras de carbono en los CMC, tales como C / SiC
(fibra de carbono reforzada de carburo de silicio), las fibras tienen que ser protegidos
contra la oxidación. En caso contrario, pueden ser protegidos contra la oxidación por la
matriz circundante, sí sino en la mayoría de los casos, el compuesto tiene que ser
protegido adicionalmente por EBC.
1.5.1Procesos de Producción
1.5.1.1 Fibras de Carbono a partir de precursores del PAN
Los materiales de partida para esto son fibras de poliacrilonitrilo producidos
especialmente para la manufactura. La fibra de carbono PAN es diferente de los otros
utilizados para aplicaciones textiles (diferente monómeros se utilizan para la
polimerización de acrilonitrilo).
Figura 1.10 Estructura PAN deriva de fibra de carbon
con diferentes estructuras: A - región de la superficie; B
región de granel; C - "horquilla" defecto; D - dislocación
Fibras de materiales compuestos de matriz cerámica
Fig. 1.11 Dos procesos Productivos importantes para las fibras de carbono
La composición del PAN es diferente de la otra utilizada para aplicaciones textiles (co
monómeros se utilizan para la polimerización de acrilonitrilo).Las fibras de PAN se
trata en primer lugar bajo tensión en una etapa de estabilización en una atmósfera
oxidante a temperaturas entre 250 y 300 ° C. En este proceso, la molécula de PAN de
cadena lineal se transforma en un material con elementos de estructura de escalera y
cíclicos, que pueden soportar tratamientos posteriores a temperaturas más altas (fig.
1,11, arriba). En el siguiente paso, las fibras se tratan a 500 a 1500 ° C en una atmósfera
inerte (nitrógeno), también bajo tensión, lo que conduce a la carbonización de las fibras.
En este proceso, los elementos de carbono no se eliminan como productos volátiles,
produciendo las fibras de carbono con aproximadamente 50% de la masa del precursor PAN original. Durante este carbonización, los llanos de carbono están optimizados en
su estructura (reducción del número de defectos estructurales), dando lugar a fibras con
alta resistencia a la tracción.
En los pasos adicionales de alta temperatura (grafitización) en una atmósfera de
nitrógeno o argón, la estructura de la fibra puede ser mejorado para producir módulos
elevados. Temperaturas de hasta 2800° C se aplican para arreglar los llanos de carbono
y para incrementar su orientación hacia el eje de la fibra. Sin embargo, los patrones de
difracción de rayos X muestran que en este estado no hay una estructura de grafito que
está formado de verdad.
Típicamente fibras, que han sido tratados sólo a 1000 °C, valores exhiben resistencia a
la tracción de aproximadamente 2000 MPa y módulos de tracción de aproximadamente
170 GPa. Después de los tratamientos de temperatura de hasta 1500 ° C, resistencias a
la tracción de aproximadamente 3500 MPa y módulos de tracción de aproximadamente