De voor- en nadelen van geavanceerde keramiek

Ondanks de langzame, grootschalige toepassing vinden geavanceerde keramiek en keramische matrixcomposieten een thuis in belangrijke ruimtevaart- en militaire toepassingen.

Het keramiek van vandaag is ver verwijderd van de ovens van de oudheid. Keramiek gaat 24.000 jaar terug. Hun toepassing blijft echter evolueren, met name voor krachtige militaire en commerciële straalmotoren, raketten, ruimtevaartuigen en in onderdelen en andere toepassingen, waaronder "hoge hardheid voor bepantsering en slijtagecomponenten of hoge temperatuurbestendigheid voor vuurvaste toepassingen", aldus naar machineontwerp.

Of het nu gaat om structurele keramiek of als onderdeel van keramische matrixcomposieten, het veelzijdige materiaal helpt fabrikanten de brandstofefficiëntie in straalturbinemotoren te verhogen, terwijl er niet zoveel koeling nodig is als bij traditionele motoren. GE Aviation beweert bijvoorbeeld dat zijn CMC's tweederde lichter zijn dan metaal en een 20 procent hogere temperatuurcapaciteit hebben.

"[A] geavanceerde keramiek, die begon op te komen na de ontdekking van het Bayer-proces voor het raffineren van bauxiet in 1887, heeft superieure mechanische, thermische en elektronische eigenschappen in vergelijking met traditionele keramiek", schrijven Anthony Vicari en Anthony Schiavo van Lux Research, in een artikel voor MachineDesign.

Verschillende van de grootste spelers in de industrie hebben ook de voordelen van keramiek in het ruimtevaartontwerp ontdekt. Van General Electric tot United Technologies, Safran, Boeing en Rolls Royce, volgens American Machinist zijn sinds het begin van de jaren tachtig meer dan 8.000 patenten verleend voor ruimtevaartontwerp met keramiek.

Geavanceerde keramiek en keramische matrixcomposieten:neem het goede met het slechte

Ondanks de voordelen betekent dit niet noodzakelijkerwijs dat keramiek het beste is voor materialen voor ruimtevaartontwerp. Zoals fabrikanten ook hebben ontdekt, heeft keramiek uitdagingen in bewerking en in kosten.

Keramiek zit boordevol warmte-isolerende eigenschappen, waardoor het een effectief hulpmiddel is in combinatie met de hoge temperaturen in vliegtuigturbines. Ze zijn ook extreem licht en niet-corrosief, bestand tegen contact met vliegtuigbrandstof en kunnen hogere snelheden en een groter gebied in de ruimte bereiken. Maar vormgeven en verwerken kan traag en moeilijk zijn.

"[Wanneer] keramiek faalt, doen ze dat plotseling en catastrofaal, in plaats van gracieus zoals metalen", merkt Lux Research op. "Dit is niet de enige beperking:structurele keramiek heeft een extreem hoge temperatuurbestendigheid, wat betekent dat ze moeten worden verwerkt met langzame en energie-intensieve solid-state methoden. Daarnaast maakt de hoge hardheid na verdichting het vormgeven van keramiek een grote uitdaging.”

Om catastrofale storingen tegen te gaan, wordt vezelversterking gebruikt om "scheurvoortplanting door de matrix en lagerbelastingen te beheersen nadat het materiaal begint te bezwijken", merkt Lux Research op, waardoor CMC's "gradueel kunnen falen, meer zoals het ductiele falen van metaal."

Keramiek kan moeilijk te bewerken zijn, maar niet onmogelijk

Fabrikanten weten dat het gebruik van keramiek in ruimtevaartontwerp een trefzekere manier is om het gewicht van hun vliegtuig te verlagen terwijl ze een duurzaam materiaal gebruiken.

"Dezelfde eigenschappen die de sterkte en temperatuurbestendigheid vergroten, maken bewerking ook moeilijker", schrijft Don Graham, manager onderwijs en technische diensten bij Seco Tools, in een artikel voor Manufacturing Engineering. De moeilijkheid doet zich voor tijdens de laatste bewerkings- of slijpperiode, benadrukt Graham, waar de oppervlakte-integriteit van het keramiek in gevaar komt als het verkeerd wordt gesneden. Bovendien wordt de kans op compromissen verder vergroot bij een hoge materiaalafname.

"Vanwege de brosse aard, hoge hardheid, weerstand tegen kruip en hoge sterkte, zijn conventionele bewerkingsmethoden zoals draaien, frezen en boren moeilijk goed uit te voeren op geavanceerde keramiek vanwege scheuren, brosse breuken en randafbrokkeling", leggen Alexander Gorin en M. Mohan Reddy in hun paper, Advanced Ceramics:Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods.

De moeilijkheid van machinale bewerking met keramiek kan niet volledig worden geëlimineerd, maar winkels hebben manieren gevonden om de uitdagingen te verminderen met de juiste gereedschapsselectie, aldus Graham. Gereedschappen met scherpe snijkanten en positieve harken verminderen de snijkrachten, terwijl wisselplaten met fijnkorrelige substraten prima geschikt zijn voor schurende snijomstandigheden.

"Vezelversterking heeft de zorgen over brosheid grotendeels overwonnen, maar de bewerkbaarheid lijdt onder de lage thermische geleidbaarheid, hoge hardheid en abrasiviteit van CMC's", schrijft Graham. "Naast traditionele bewerkingsmethoden experimenteren fabrikanten met alternatieve manieren om CMC-onderdelen te verwerken, zoals waterjet, EDM, lasergestuurde bewerking, slijpen en het gebruik van PCBN-gereedschappen."

Als keramiek verkeerd wordt bewerkt, verliest de structuur zijn kracht 

Als een stuk keramiek verkeerd wordt bewerkt, neemt de sterkte van de structuur zelf sterk af. Wanneer composietmateriaal wordt gesneden met rafelige, ongelijke of vervormde randen, verliest de hele structuur een aanzienlijke hoeveelheid stijfheid.

"Ingeklemd composietmateriaal dat ongelijkmatig wordt gesneden of vervormd, verliest zijn sterkte, net zoals gekreukt golfkarton zijn stijfheid vernietigt", schrijft Graham. "Voor het nabewerken moeten werkplaatsen high-speed vingerfrezen gebruiken die speciaal zijn ontworpen voor dergelijke sandwichcomposieten."

Bij het bewerken met keramiek in ruimtevaartontwerp is het van cruciaal belang om elke vorm van buigen of rafelen te voorkomen. De oplossing, benadrukt Graham, is om een ​​snijmachine te gebruiken met zeer scherpe randen en hoge snijsnelheden.

Keramiek is duur, maar de innovaties zijn gunstig

Met zo'n nadruk op een sterke, efficiënte snede bij het bewerken van keramiek, is het geen wonder dat van veel winkels bekend is dat ze tot 80 procent van hun totale kosten bijdragen aan het behoud van de integriteit van hun op keramiek gebaseerde structuren, volgens de Gorin/Reddy papier. Uiteraard kan dit een probleem vormen bij het handhaven van een budget of het proberen om geld toe te wijzen aan andere aspecten van het werk.

"[Ont]etekenaars die gebruik willen maken van de superieure mechanische eigenschappen van onze CMC's, zullen voor het voorrecht moeten betalen", merkt Lux Research op in het MachineDesign-artikel. "De goedkoopste CMC's van grafiet/koolstofvezel hebben een prijs van ongeveer $ 30/lb voor eenvoudige vormen, wat dramatisch toeneemt met machinale bewerking. Siliciumcarbidematrix/siliciumcarbidevezel-CMC's voor toepassingen bij hoge temperaturen vragen om zeer zuivere vezels, met prijzen vanaf meer dan $ 4.000/lb, wat leidt tot preform-prijzen van meer dan $ 9.000/lb."

Experts merken op dat de acceptatie van keramiek traag is en vaak wordt ondersteund door subsidies en stimulansen van overheidsfinanciering, dus om echt van de grond te komen, moeten de kosten omlaag. Lux Research wijst erop dat "technologieën die de kosten van tussenproducten zoals vezels verlagen, nieuwe markten kunnen ontsluiten, en verbeteringen in de verwerking kunnen CMC-onderdelen betrouwbaarder maken, waardoor de kwalificatie wordt vergemakkelijkt."

Heeft uw winkel eerder met keramiek bewerkt? Zo ja, voor welke uitdagingen stonden u en uw team? Laat het ons weten!