Керамика и стекло являются хрупкими материалами, так есть ли у них место в инженерии, не говоря уже об автомобилестроении?
Факты говорят о том, что египетские пирамиды пирамиды и великая китайская стена до сих пор стоят, также, как и нормандские соборы, в строительстве которых использовался гранит, песчаник и менее прочный известняк. Некоторые ранние глиняные керамические изделия все еще сохранились, как и оружие и режущие инструменты из кремня. Стекло и керамика не являются прочными и пластичными, как металлы и некоторые полимеры. Их структуры межатомных связей обычно не допускают достаточного скольжения, чтобы привести к общему изменению формы или пластической деформации.
Даже принимая во внимание этот фактор связи, прочность и жесткость керамики все еще намного ниже, чем можно было бы теоретически ожидать, хотя теперь это полностью изучено. В отличие от металлов и полимеров, керамика имеет хорошую износостойкость и химическую стойкость в агрессивных средах. Она обладает высокой термостойкостью и являются хорошим электроизолятором. Конструкция деталей автомобилей нуждается в таких свойствах. Чтобы решить проблему хрупкого поведения, в первую очередь необходимо понимание природы этой проблемы.
В дополнение к фундаментальной проблеме соединения, хрупкое разрушение усугубляется наличием дефектов на всех структурных уровнях, включая те, которые вызваны производством. Контроль атомного состава, термических свойств и методов производства может минимизировать количество и форму дефектов, тем самым уменьшить вероятность хрупкого разрушения при низких уровнях напряжения. При производстве технической керамики такой контроль теперь реализуется. Однако все еще остается нерешенной основная причина хрупкости – ограниченная деформация соединения, которую необходимо преодолеть или избежать. В настоящее время контроль атомного состава и термических свойств реализуется при использовании керамики как в металлических, так и в полимерных композитах.
В производственных процессах используются керамические режущие инструменты из карбида кремния, нитрида кремния, сиалона (Si/Al/O/N), диоксида циркония и плотного оксида алюминия (оксид алюминия с минимальной пористостью), которые могут работать при более высоких температурах и скоростях резания и при меньшем износе. Высокая температура плавления позволяет их использовать для повышения топливной экономичности в деталях двигателя, которые работают при высоких температурах. Это особенно актуально для деталей дизельного двигателя в области цилиндров, головки поршня и клапанов. Для бензиновых двигателей это преимущество не используется, так как более высокие рабочие температуры могут привести к преждевременному воспламенению и «детонации».
Керамику можно разделить на несколько групп: стекло, стеклокерамика, техническая керамика и современные композитные материалы. Стекло можно рассматривать как аморфную керамику на основе диоксида кремния или кремнезема с добавлением оксидов металлов для снижения температуры плавления или размягчения готовых смесей. Стекло широко используется в строительстве, а также элементах автомобиля, несущих нагрузку, например, ветровые стекла. Ветровые стекла изготавливаются по многослойной технологии таким образом, чтобы поверхность стекла оставалась в сжатом состоянии, что предотвращает распространение трещин от попадания камней.
Существует два основных типа материалов: натриево-известковое и боросиликатное стекло. Натриево-известковое стекло используется для изготовления ветровых стекол, а боросиликатное стекло находит применение в технической стеклянной посуде, где более высокое содержание кремнезема приводит к высокой температуре размягчения, низкому коэффициенту расширения и хорошей термической стойкости.
Стекловидная керамика состоит из двух составляющих: стекловидной или стеклообразной фазы и керамической или кристаллической фазы. Продукция машиностроения использует электротехнический фарфор и трубные изделия, а также конструкционный и огнеупорный кирпич. При изготовлении деталей в процессе обжига образуется стеклообразная фаза, которая плавится и распределяется по поверхности частиц инертной, но прочной кристаллической фазы, связывая их друг с другом в результате локализованного взаимодействия. Алмаз нашел применение в инженерии для режущих инструментов, буров, фильер для волочения электропроводов и абразивов. Однако он дорогой и дополняется инженерной или технической керамикой, такой как плотный оксид алюминия, карбид кремния и нитрид кремния, сиалон и цирконий. Эта керамика имитирует структуру кристаллов алмаза, с более узким распределением мелких микродефектов, чем традиционная керамика, что обеспечивает превосходные механические свойства, такие как высокая вязкость разрушения. Она используется в качестве покрытий для подшипников двигателей и деталей дизельных двигателей, а также для режущего инструмента станков и современных бронежилетов.
Свойства керамики определяются тем, что эти материалы образуют твердые и хрупкие компоненты. Они разрушаются из-за хрупкости или термического удара, в отличие от большинства конструкционных металлов, которые обычно разрушаются из-за пластической деформации, усталости или коррозии. Таким образом, несмотря на то, что модуль упругости при растяжении и прочность имеют большое значение, при проектировании керамических компонентов транспортных средств большее значение имеют прочность на изгиб или модуль упругости при разрыве и устойчивость к тепловому удару.
Как и в случае с металлами, керамика обладает общими свойствами, отличающимися от свойств других материалов. Для конкретных керамических материалов данные испытаний необходимы для целей проектирования, а окончательные испытания на обеспечение качества необходимы для готовых изделий. Здесь неоднородность свойств внутри производственной партии намного больше, чем в случае металлических деталей. Свойства, не зависящие от структуры, такие как теоретическая плотность, модуль упругости и температура плавления, могут отличаться примерно на 10%. И напротив, структурно-чувствительные свойства, такие как вязкость разрушения, модуль упругости при разрыве и некоторые термические свойства, изменчивы в пределах партии продукта, что требует детального статистического анализа. Несмотря на то, что в 1980-х годах, казалось, что появились возможности для создания технической керамики, ее потенциал до сих пор не реализован в автомобилестроении.
