Microstructure and mechanical properties of metal/ceramic-matrix composites

Περίληψη: Η παρούσα διδακτορική διατριβή είχε ως στόχο την σύνθεση σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας ενισχυμένων με μεταλλικά εγκλείσματα με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Η σύνθεση έγινε μέσω μιας κατάλληλης μεθόδου μορφοποίησης (χύτευσης αιωρήματος) και αναγωγικής πυροσυσσωμάτωσης. Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τέσσερις διαφορετικές συνθέσεις δειγμάτων: (α) καθαρή, μη ενισχυμένη αλούμινα, (β) αλούμινα ενισχυμένη με σωματίδια χαλκού, (γ) αλούμινα ενισχυμένη με σωματίδια βολφραμίου, δ) αλούμινα ενισχυμένη με συνδυασμό σωματιδίων βολφραμίου/χαλκού, σε διάφορες περιεκτικότητες. Τα δείγματα μελετήθηκαν ως προς την μάκρο- και μίκρο-δομή τους, αξιολογήθηκε η μηχανική τους απόκριση, και βρέθηκε ο συσχετισμός ανάμεσα στη δομή τους και τις μηχανικές τους ιδιότητες. Τα σύνθετα υλικά παρουσίασαν ομοιογενή δομή, υψηλή πυκνότητα και χαμηλό πορώδες. Αυτό φαίνεται ότι οφείλεται στην επιλεγμένη μέθοδο μορφοποίησης, η οποία μπορεί να δημιουργήσει ωμά υλικά με υψηλή πυκνότητα, και στην κατάλληλη επιλογή της κοκκομετρίας της μήτρας. Η δυσθραυστότητα του κεραμικού βελτιώθηκε με την προσθήκη μικρών ποσοστών μεταλλικής ενίσχυσης. Το μέτρο ελαστικότητας και η σκληρότητα των συνθέτων αυτών υλικών δεν επηρεάστηκαν αρνητικά από την προσθήκη των (κατά κανόνα) μαλακότερων μεταλλικών κόνεων. Συμπερασματικά η εργασία απέδειξε ότι μικρά ποσοστά μεταλλικής ενίσχυσης μπορούν να βελτιώσουν τη δυσθραυστότητα των κεραμικών υλικών. Με την κατάλληλη επιλογή των συστατικών καθώς και των μεθόδων μορφοποίησης και πυροσυσσωμάτωσης του συνθέτου η βελτίωση αυτή επιτυγχάνεται χωρίς να συνοδεύεται από σημαντική μείωση της ακαμψίας και της σκληρότητας του υλικού. Summarization: The aim of this research was to fabricate metal-ceramic composites with enhanced mechanical properties via a suitable processing route (slip-casting) followed by sintering under a reducing atmosphere. Four different compositions were fabricated including samples of: (i) pure alumina, (ii) alumina reinforced with metallic copper, (iii) alumina reinforced with metallic tungsten, (iv) alumina reinforced with mixed tungsten and copper. The composites were characterized in terms of their macro- and micro-structure, their mechanical response was evaluated, and the structure was correlated to the mechanical properties. The sintered samples exhibited a sufficiently dense microstructure over the entire metal loading range and a rather high density for low additions of metallic particles. A uniform structure and a homogeneous distribution of second-phase inclusions was achieved, which was attributed to the processing route that has been followed. The composites exhibited notably enhanced fracture properties derived from the dispersion and even distribution of (small amounts of) metal particles in the ceramic matrix. The accompanying reduction in stiffness and hardness was due to the addition of the softer metal particles, but was not compromised, and followed a theory-based trend after the corresponding correction for residual porosity and metal content.