Основная причина неудач при попытках добиться повышения прочности керамических материалов путем армирования скрыва­ется в сочетании малой прочности при растяжении с высоким мо­дулем упругости, присущем большинству таких материалов. И действительно в этом случае при напряжении разрушения ке­рамики удлинение матрицы будет недостаточным для того, что­бы передать значительную часть нагрузки армирующим элемен­там, так что композиция разрушится, если только объемное содержание волокна не сделать исключительно высоким. Эту трудность можно в известной мере преодолеть путем выбора ар­мирующего материала с очень высоким модулем упругости. Дру­гое и, возможно, более удовлетворительное решение этой задачи сводится к созданию предварительной напряженности волокон в керамической матрице. Его можно осуществить при условии, ес­ли армирующий материал расширяется при нагревании сильнее матрицы. Если такую систему перевести в «ненапряженное» со­стояние при высокой температуре, то в процессе остывания в во­локнах возникнут напряжения. Оба варианта решения требуют, конечно, чтобы между керамикой и волокнами существовала до­статочно прочная связь, необходимая для должного перераспре­деления нагрузки.

Если керамика расширяется при нагревании сильнее арми­рующего материала, то попытка сделать прочность композиции больше, чем у неармированной керамики, может закончиться не­удачей. В такой композиции растягивающие напряжения в кера­мике при охлаждении возрастают. Это обычно приводит к обра­зованию микротрещин, распространяющихся в матрице от волок­на к волокну. И хотя такие микротрещины не нарушают целостности композиции, они могут привести к тому, что предел прочности при растяжении композиции станет ниже, чем у неар­мированной керамики.

Ударная вязкость керамики, армированной металлическими нитями, обычно намного выше, чем у неармированной керамики. Это обусловлено совокупным действием двух механизмов. Во-первых, волокна воздействуют на распределение механического напряжения, уменьшая концентрацию напряжений в керамике. Во-вторых, даже если волокна не могут предохранить керамику от растрескивания под действием сильного удара, они тем не ме­нее ограничивают распространение трещин и предотвращают катастрофическое разрушение конструкции, которая часто еще способна работать, несмотря на растрескивание.

Подобным же образом термостойкость керамики, армирован­ной металлическими нитями, намного выше, чем у неармирован­ной керамики, даже для композиции, в которых возникли микро-трещины. Металлические нити, по-видимому, обеспечивают рас­пределение термических напряжений и ограничивают распространение трещин в основном таким же образом, как и в случае механического удара. Интересно отметить, что для дости­жения одинаковой термостойкости в керамику необходимо ввес­ти в три раза больше металлического порошка, чем волокон с от­ношением длины к диаметру не ниже 20:1.

Армирование керамических изделий. Предметом исследований явились металлические армирую­щие элементы трех основных видов для керамики: нарезанные волокна, металлический войлок и сплошные сетки или металли­ческие нити.

Нарезанные волокна получают мерной резкой связок проволо­ки или сплошных нитей обычно диаметром от 25 до 150—200 мк. Например, промышленная стальная проволока имеет диаметр до 150 мк и предел прочности при растяжении 315 кг/мм2. Проволо­ки из других интересующих нас металлов и сплавов, например из хастеллоя-С, Рене-41, молибдена и вольфрама, выпускаются та­кой же толщины и с такой же прочностью. К сожалению, нерав­номерность трения, обусловленная несовершенствами фильер и загрязнениями, весьма затрудняет выпуск проволоки диаметром менее 25 мк обычными методами. Короткие металлические нити, или усы, очень малых диаметров получались, по крайней мере в экспериментальных количествах, различными химическими или электролитическими методами. Однако в литературе нет сведе­ний о применении усов для армирования керамических компо­зиций.

Металлический войлок, как правило, состоит из твердой упру­гой стружки из стали или другого металла длиной до 1 м. Такая стружка, обычно многогранного сечения, по большей части в фор­ме трапеции, имеет острые кромки. Промышленные предприятия выпускают металлический войлок из стружки в поперечнике от 50—75 мк до 2 мм.

Исследовались и различные армирующие элементы из непре­рывных нитей, начиная от проволочной сетки и кончая металли­ческими сотами.

В виде нарезанных волокон использовались такие металлы, как сталь, молибден, вольфрам, тантал, нихром, ниобий, Рене-41, цирконий, циркалой-2 и платина. Длина применяющегося волок­на находилась в пределах от 76,2 до 1,6 мм, но в большинстве случаев составляла менее 25 мм.

Изучались различные концентрации металлических волокон; в некоторых композициях концентрация волокна доводилась до 50% по объему. Улучшение свойств при растяжении с ростом кон­центрации волокна иллюстрируется данными, полученными при армировании электрических изоляторов вольфрамовой проволо­кой диаметром 50 мк, нарезанной па куски длиной по 3,2 мм. Весовой состав керамики был следующим: 50% каолина, 30% кремнезема и 20% полевого шпата F-4. Керамику подвергли об­жигу для защиты вольфрамовых волокон от окисления в процес­се изготовления. Кривые напряжение-деформация для таких композиций:

Если концентрация волокна превышает 40%, то сопротивление растяжению заметно ухудша­ется. Снижение прочности композиции объясняется, по-видимому, тем, что с ростом концентрации волокна плотность композиции становится гораздо меньше теоретической.

Рассматриваемые композиции являют собой хороший пример использования металлических волокон с высоким модулем для придания прочности при растяжении, превосходящей прочность неармированной керамики. Хотя коэффициенты теплового рас­ширения волокна и матрицы в этом случае достаточно близки друг к другу, чтобы предотвратить сколь-либо заметное предва­рительное напряжение волокна, модуль волокна относится к мо­дулю керамики приблизительно как 5:1. Поэтому волокно ока­зывается в состоянии воспринять на себя значительную часть об­щего напряжения даже при малых удлинениях, которые допускает керамика до своего разрушения. Конечно, эффектив­ность волокна, даже обладающего высоким модулем, можно по­высить, если его подвергнуть предварительному напряжению в матрице. Это делает долю общего напряжения, воспринимаемую волокном, еще больше, повышая тем самым предельное растя­гивающее напряжение композиции.

По-видимому, существует также определенная взаимосвязь между концентрацией волокна и прочностью после испытания на термостойкость.

Данные о прочности керамики окись алюминия – муллит при армировании волокнами вольфрама