Cermet

För pansargenomträngande ammunitionsmaterial, se Volframkarbid § Ammunition .

En cermet är ett kompositmaterial som består av keramiska (cer) och metall (met) material.

En kermet kan kombinera attraktiva egenskaper hos både en keramik , såsom hög temperaturbeständighet och hårdhet, och de hos en metall, såsom förmågan att genomgå plastisk deformation . Metallen används som bindemedel för en oxid , borid eller karbid . I allmänhet är de använda metalliska elementen nickel , molybden och kobolt . Beroende på materialets fysiska struktur kan cermets också vara metallmatriskompositer , men cermets är vanligtvis mindre än 20 volymprocent metall.

Cermets används vid tillverkning av motstånd (särskilt potentiometrar ), kondensatorer och andra elektroniska komponenter som kan uppleva höga temperaturer.

Cermets används istället för volframkarbid i sågar och andra lödda verktyg på grund av deras överlägsna slitage- och korrosionsegenskaper. Titannitrid (TiN), titankarbonitrid (TiCN), titankarbid (TiC) och liknande kan lödas som volframkarbid om de är korrekt förberedda, men de kräver speciell hantering under slipning.

Kompositer av MAX faser , en framväxande klass av ternära karbider eller nitrider med aluminium eller titanlegeringar har studerats sedan 2006 som högvärdiga material som uppvisar gynnsamma egenskaper hos keramer när det gäller hårdhet och tryckhållfasthet tillsammans med duktilitet och brottseghet som vanligtvis förknippas med metaller . Sådana kermetmaterial, inklusive aluminium-MAX-faskompositer, har potentiella tillämpningar inom fordons- och rymdtillämpningar.

Vissa typer av cermets övervägs också för användning som rymdfarkostsskydd eftersom de motstår höghastighetspåverkan från mikrometeoroider och orbitalskräp mycket mer effektivt än mer traditionella rymdfarkostmaterial som aluminium och andra metaller.

Historia

Efter andra världskriget blev behovet av att utveckla material med hög temperatur och hög spänningsbeständighet tydligt. Under kriget utvecklade tyska forskare oxidbaserade cermets som substitut för legeringar. De såg en användning för detta för högtemperatursektionerna i nya jetmotorer samt högtemperaturturbinblad. Idag implementeras keramik rutinmässigt i förbränningsdelen av jetmotorer eftersom det ger en värmebeständig kammare. Keramiska turbinblad har också utvecklats. Dessa blad är lättare än stål och möjliggör större acceleration av bladenheterna.

Det amerikanska flygvapnet såg potential i materialteknologin och blev en av huvudsponsorerna för olika forskningsprogram i USA. Några av de första universiteten som forskade var Ohio State University , University of Illinois och Rutgers University .

Ordet cermet myntades faktiskt av United States Air Force , tanken är att de är en kombination av två material, en metall och en keramik . Grundläggande fysikaliska egenskaper hos metaller inkluderar duktilitet , hög hållfasthet och hög värmeledningsförmåga . Keramik har grundläggande fysikaliska egenskaper såsom hög smältpunkt , kemisk stabilitet och speciellt oxidationsbeständighet .

Det första keramiska metallmaterialet som utvecklades använde magnesiumoxid (MgO), berylliumoxid (BeO) och aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) för den keramiska delen. Tonvikten på högspänningsbrottstyrkor var runt 980 °C. Ohio State University var först med att utveckla Al ₂ O ₃ -baserade cermets med hög spänningsbrottstyrka runt 1200 °C. Kennametal , ett metallbearbetnings- och verktygsföretag baserat i Latrobe, PA , USA, utvecklade den första titankarbidcermeten med 19 megapascal (2 800 psi) och 100 timmars spänning-till-brotthållfasthet vid 980 °C. Jetmotorer arbetar vid denna temperatur och ytterligare forskning har investerats i att använda dessa material för komponenter.

Kvalitetskontroll vid tillverkning av dessa keramiska metallkompositer var svår att standardisera. Produktionen fick hållas till små partier och inom dessa partier varierade egenskaperna mycket. Fel i materialet var vanligtvis ett resultat av oupptäckta brister som vanligtvis bildades under bearbetningen.

Den befintliga tekniken på 1950-talet nådde en gräns för jetmotorer där lite mer kunde förbättras. Därefter var motortillverkarna ovilliga att utveckla keramiska metallmotorer. Intresset förnyades på 1960-talet när kiselnitrid och kiselkarbid tittades närmare på. Båda materialen hade bättre värmechockbeständighet, hög hållfasthet och måttlig värmeledningsförmåga.

Cermetproduktion, Helipot Division of Beckman Instruments, 1966

• 

  1. Steatitingredienser som vägs

• 

  2. Steatitgranuleringsprocess

• 

  3. Steatite Chip Pressning

• 

  4. Högtemperaturbränning av Steatitchip

• 

  5. Beckman Model 61 Potentiometer (Cermet Screening)

• 

  6. Slutlig bränning av Cermet

• 

  7. Kontrollera elektriskt motstånd

• 

  8. Slutmontering

Ansökningar

Keramiska till metall skarvar och tätningar

Cermets användes först i stor utsträckning i keramik-till-metall fogapplikationer. Konstruktion av vakuumrör var ett av de första kritiska systemen, där elektronikindustrin använde och utvecklade sådana tätningar. Tyska forskare insåg att vakuumrör med förbättrad prestanda och tillförlitlighet kunde tillverkas genom att ersätta glas med keramik. Keramiska rör kan avgasas vid högre temperaturer. På grund av högtemperaturtätningen tål keramiska rör högre temperaturer än glasrör. Keramiska rör är också mekaniskt starkare och mindre känsliga för värmechock än glasrör. Idag har cermet vakuumrörbeläggningar visat sig vara nyckeln till solvarmvattensystem.

Mekaniska tätningar av keramisk till metall har också använts. Traditionellt har de använts i bränsleceller och andra enheter som omvandlar kemisk, kärnkraft eller termionenergi till elektricitet. Den keramiska-till-metall-tätningen krävs för att isolera de elektriska sektionerna av turbindrivna generatorer utformade för att fungera i korrosiva flytande metallångor.

Biokeramik

Biokeramik spelar en omfattande roll i biomedicinska material. Utvecklingen av dessa material och mångfalden av tillverkningstekniker har breddat applikationerna som kan användas i människokroppen. De kan vara i form av tunna lager på metalliska implantat, kompositer med en polymerkomponent eller till och med bara porösa nätverk. Dessa material fungerar bra i människokroppen av flera skäl. De är inerta, och eftersom de är resorberbara och aktiva kan materialen förbli oförändrade i kroppen. De kan också lösas upp och aktivt delta i fysiologiska processer, till exempel när hydroxylapatit , ett material som kemiskt liknar benstruktur, kan integreras och hjälpa ben att växa in i det. Vanliga material som används för biokeramik inkluderar aluminiumoxid, zirkoniumoxid, kalciumfosfat, glaskeramik och pyrolytiska kol.

En viktig användning av biokeramik är vid höftproteskirurgi . Materialen som användes för att ersätta höftlederna var vanligtvis metaller som titan , med höftskålen vanligtvis fodrad med plast. Den multiaxiala kulan var en tuff metallkula men ersattes så småningom med en mer hållbar keramisk kula. Detta minskade den uppruggning som är förknippad med metallväggen mot plastfodret i den konstgjorda höftskålen. Användningen av keramiska implantat förlängde livslängden på höftprotesdelarna.

Dentala cermets används också inom tandvården som material för fyllningar och proteser.

Transport

Keramiska delar har använts i kombination med metalldelar som friktionsmaterial för bromsar och kopplingar .

Elektriska värmare

Cermets används som värmeelement i elektriska motståndsvärmare . En konstruktionsteknik börjar med cermetmaterialet formulerat som ett bläck, trycker det sedan på ett substrat och härdar det med värme. Denna teknik tillåter tillverkning av komplexa former av värmeelement. Exempel på applikationer för cermetvärmeelement inkluderar termostatvärmare, värmekällor för flasksterilisering, kaffekannavärmare, värmare för ugnsstyrning och fixeringsvärmare för laserskrivare.

Andra applikationer

Förenta staternas armé och brittiska armén har haft omfattande forskning i utvecklingen av cermets. Dessa inkluderar utvecklingen av lätta keramiska projektilsäkra rustningar för soldater och även Chobham-rustning .

Cermets används också vid bearbetning av skärande verktyg .

Cermets används också som ringmaterial i högkvalitativa linstyrningar för fiskespön.

En cermet av utarmat klyvbart material (t.ex. uran , plutonium ) och sodalit har undersökts för dess fördelar vid lagring av kärnavfall. Liknande kompositer har också undersökts för användning som bränsleform för kärnreaktorer och kärnvärmeraketer .

Som nanostrukturerad cermet används detta material inom det optiska området, såsom solabsorbenter/ selektiv yta . Tack vare storleken på partiklarna (~5 nm) genereras ytplasmoner på metallpartiklarna och möjliggör värmeöverföring.

Av lyxskäl har cermet ibland visat sig vara fodralmaterial för vissa klockor, inklusive Jaeger-LeCoultres Deep Sea Chronograph Vintage Cermet-klocka. Den användes också (november 2019) på ramen på flaggskeppsdykaren Seiko Prospex LX Line Limited Edition-klockan.

Se även

• Glidcop
• Kärnbränsle
• Kärnbränslecykeln

Vidare läsning

• Tinklepaugh, James R. (1960). Cermets . New York: Reinhold Publishing Corporation. ASIN B0007E6FO4.

externa länkar

• En översyn av femtio år av utvecklingsprogram för kärnbränsle i rymden ( bruten)