Geavanceerde keramieken: Voordelen, uitdagingen en industriële toepassingen

Ondanks langzame, grootschalige adoptie, vinden geavanceerde keramieken en keramische matrixcomposieten hun weg in cruciale luchtvaart- en militaire toepassingen.

De hedendaagse keramieken zijn een heel eind gekomen van de ovens van de oude wereld. Keramieken gaan 24.000 jaar terug. Hun toepassing blijft echter evolueren, vooral voor hoogpresterende militaire en commerciële straalmotoren, raketten, ruimtevaartuigen, en in componentonderdelen en andere toepassingen waaronder "hoge hardheid voor pantser en slijtageonderdelen of hoge temperatuurbestendigheid voor refractaire toepassing", volgens Machine Design.

Of als structurele keramieken of als onderdeel van keramische-matrixcomposieten, helpt het veelzijdige materiaal fabrikanten de brandstofefficiëntie in straalturbinemotoren te verhogen terwijl de behoefte aan zoveel koeling als traditionele motoren wordt geëlimineerd. GE Aviation claimt bijvoorbeeld dat hun CMCs twee derde lichter zijn dan metaal en een 20 procent hogere temperatuurmogelijkheid dragen.

"[G]eavanceerde keramieken, die begonnen te duiken na de ontdekking van het Bayer-proces voor het raffineren van bauxiet in 1887, hebben superieure mechanische, thermische en elektronische eigenschappen vergeleken met traditionele keramieken", schrijven Anthony Vicari en Anthony Schiavo van Lux Research, in een artikel voor MachineDesign.

Verschillende van de grootste spelers in de industrie hebben de voordelen van keramieken in luchtvaartontwerp ontdekt. Van General Electric tot United Technologies, Safran, Boeing en Rolls Royce, zijn meer dan 8.000 octrooien voor luchtvaartontwerp met keramieken toegekend sinds de vroege jaren '80, volgens American Machinist.

Geavanceerde keramieken & keramische matrixcomposieten: Het goede met het slechte nemen

Ondanks de voordelen betekent dat niet noodzakelijk dat keramieken de ultieme oplossing zijn voor luchtvaartontwerpmaterialen. Zoals fabrikanten ook ontdekten, hebben keramieken uitdagingen in bewerking en in kosten.

Keramieken zijn vol met warmte-isolerende eigenschappen, wat ze een effectief hulpmiddel maakt wanneer ze gepaard gaan met de hoge temperaturen binnen vliegtuigturbines. Ze zijn ook extreem lichtgewicht en niet-corrosief, in staat om contact met straalbrandstof te weerstaan en in staat om hogere snelheden en uitgebreid gebied in de ruimte te bereiken. Maar vormgeven en verwerken kan langzaam en zwaar zijn.

"[W]anneer keramieken falen, doen ze dat plotseling en catastrofaal, in plaats van elegant zoals metalen", merkt Lux Research op. "Dit is niet de enige beperking: Structurele keramieken hebben een extreme temperatuurbestendigheid, wat betekent dat ze verwerkt moeten worden door langzame en energie-intensieve vastestofmethoden. Daarnaast maakt de hoge hardheid na verdichting het bewerken van keramieken tot vorm een grote uitdaging."

Om catastrofaal falen te tegengaan, wordt vezelversterking gebruikt om "kraakvoortplanting door de matrix te controleren en lasten te dragen nadat het materiaal begint te falen", merkt Lux Research op, wat CMCs in staat stelt "om geleidelijk te falen, meer als de duktiliteit van metaal."

Keramieken kunnen moeilijk te bewerken zijn, maar niet onmogelijk

Fabrikanten weten dat het gebruik van keramieken in luchtvaartontwerp een zekere manier is om het gewicht van hun vliegtuigen te verlagen terwijl een duurzaam materiaal wordt gebruikt.

"Dezelfde eigenschappen die kracht en temperatuurbestendigheid verhogen, maken bewerking ook moeilijker", schrijft Don Graham, manager onderwijs en technische diensten bij Seco Tools, in een artikel voor Manufacturing Engineering. De moeilijkheid treedt op tijdens de finale bewerking of slijpperiode, wijst Graham uit, waar de oppervlakteintegriteit van de keramieken in het geding komt als onjuist gesneden. Wat meer is, de kans op schade wordt verder verhoogd bij een hoge materiaalafvoersnelheid.

"Vanwege de broze aard, hoge hardheid, weerstand tegen kruipen en hoge kracht, zijn conventionele bewerkingsmethoden zoals draaien, frezen en boren moeilijk goed uit te voeren op geavanceerde keramieken vanwege kraken, broze breuken en randscheuringen", leggen Alexander Gorin en M. Mohan Reddy uit in hun paper, Advanced Ceramics: Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods.

De moeilijkheid van bewerken met keramieken kan niet volledig worden geëlimineerd, maar winkels hebben manieren gevonden om de uitdagingen te verlichten met de juiste gereedschapsselectie, volgens Graham. Gereedschappen met scherpe snijden en positieve insteekhoeken zullen snijkrachten verminderen, terwijl platen met fijnkorrelige substraten een goede match zijn voor afslijtende snijomstandigheden.

"Vezelversterking heeft de broosheidzorgen grotendeels weggenomen, maar bewerkbaarheid lijdt door de lage thermische geleiding, hoge hardheid en afslijtendheid van CMCs", schrijft Graham. "Naast traditionele bewerkingsmethoden experimenteren fabrikanten met alternatieve manieren om CMC-onderdelen te verwerken zoals waterstraal, EDM, laser-geassisteerd bewerken, slijpen en het gebruik van PCBN-ingepaste gereedschappen."

Wanneer keramieken onjuist bewerkt worden, verliest de structuur zijn kracht

Als een stuk keramiek onjuist bewerkt wordt, zal de kracht van de structuur zelf sterk afnemen. Wanneer gesandwicht composietmateriaal wordt gesneden met scheurende, oneffen of vervormde randen, zal de hele structuur een significante hoeveelheid rigiditeit verliezen.

"Gesandwicht composietmateriaal dat oneffen of vervormd wordt gesneden, verliest zijn kracht, net als het vouwen van golvend karton de rigiditeit vernietigt", schrijft Graham. "Voor afwerkbewerking moeten winkels hogesnelheids eindfrezen gebruiken die speciaal voor dergelijke gesandwichte composieten zijn ontworpen."

Bij bewerken met keramieken in luchtvaartontwerp is het cruciaal om elke vorm van buigen of uiteenlopen te vermijden. De oplossing, wijst Graham uit, is het gebruik van een snijmachine met extreem scherpe randen en snelle snijsnelheden.

Keramieken zijn duur, maar de innovaties zijn nuttig

Met zo'n nadruk op een sterke, efficiënte snede bij het bewerken van keramieken, is het geen wonder dat veel winkels bekend zijn om tot 80 procent van hun totale uitgaven te besteden aan het behoud van de integriteit van hun keramiek-gebaseerde structuren, volgens het Gorin/Reddy-papier. Natuurlijk kan dit een probleem zijn bij het behoud van een budget of het toewijzen van middelen aan andere aspecten van het werk.

"[O]ntwerpers die gebruik willen maken van de superieure mechanische eigenschappen van CMCs, zullen moeten betalen voor het privilege", merkt Lux Research op in het MachineDesign-artikel. "De laagste kost graphite/koolstofvezel CMCs behoren prijzen van ongeveer $30/lb voor eenvoudige vormen, wat dramatisch stijgt met bewerking. Siliciumcarbide matrix/siliciumcarbide vezel CMCs voor hoge-temperatuurtoepassingen vereisen hoge zuiverheid vezels, met prijzen vanaf meer dan $4.000/lb, leidend tot preform prijzen van meer dan $9.000/lb."

Experts merken op dat keramiekadoptie langzaam is geweest en vaak gesteund door subsidies en prikkels van overheidsfinanciering, dus om echt op te gaan, moet de kosten dalen. Lux Research wijst erop dat "technologieën die de kosten van intermediairen zoals vezels verlagen, nieuwe markten kunnen ontgrendelen, en verwerkingsvoortgang CMC-onderdelen betrouwbaarder kan maken, wat kwalificatie vergemakkelijkt."

Heeft uw winkel ooit met keramieken bewerkt? Zo ja, welke uitdagingen hebben u en uw team tegengekomen? Laat het ons weten!