COMPOSITES CER

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COMPOSITES CERÁMICOS

• Introducción
• Fractura
• Mecanismos de mejora de la resistencia y
  tenacidad
• Analisis de Weibull
• Comportamiento a altas temperaturas
• Resumen
• BIBLIOGRAFÍA
• - R. Warren, Ceramic-Matrix Composites. Blackie
  1992
• - M. Low, Ceramic Matrix composites. Woodhead
  2006
• - V. Shanti, Nair and Karl Jakus, High
  Temperature mechanical behavior of Ceramic
  Composites. Elsevier. http//www.sciencedirect.com
  /science/book/9780750693998

2
INTRODUCCIÓN

• PROPIEDADES DE LAS CERÁMICAS (Monolíticas)
• Módulos elásticos grandes
• Elevadas resistencias en compresión
• Capacidad para soportar altas temperaturas
• Dureza
• Resistencia al desgaste
• Baja conductividad térmica (aislantes)
• Químicamente inertes
• INCONVENIENTES DE LAS CERÁMICAS
• Fragilidad. Fractura catastrófica
• No se deforman plásticamente a temperatura
• ambiente
• Muy sensible a pequeñas grietas

Aplicaciones en altas temperaturas
Limitadas aplicaciones estructurales
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• EL USO DE LAS CERÁMICAS EN APLICACIONES
  STRUCTURALES
• AUMENTO DE LA TENACIDAD

• REFUERZO CON FIBRAS, WHISKERS, O PARTÍCULAS
• COMPOSITES DE MATRIZ CERAMICA

• Materiales compuestos por 2 o más fases
  cerámicas combinadas a escalada microscópica!!
• Functional CMC
• Structural CMC

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COMPONENTES DE LOS COMPOSITES CERÁMICOS

• MATERIALES CERAMICOS CON CAPACIDAD ESTRUCTURAL
• Al2O3 ZrO2 SiC Si3N4
• Si3N4/Al2O3 (Sialon) ZrO2/Y2O3

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TIPOS Y EJEMPLOS DE CMCs
6
LÍMITE DE LAS TEMPERATURAS SERVICIO DE LOS
MATERIALES
ºC
204
427
649
871
1093
1316
1538

• CFRP carbon fiber reinforced polymers
• GMC glass matrix composites
• GCMC glass-ceramic matrix composites
• CMC ceramic matrix composites
• C-C Cf/C composites
• C-SiC Cf/SiC composites
• SIALON Al2O3/AlN/Si3N4 composites

Specific strength UTS/densidad
7
(No Transcript)
8
(No Transcript)
9
(No Transcript)
10
MODOS DE FRACTURA EN CMCs

• CON CARGA EN TENSIÓN
• Mechanismo de redistribución de cargas por
  combinación de grietas en la matriz y rotura de
  fibras en material pre-agrietado (notched)
• CON CARGA EN FLEXIÓN

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MECANISMOS BÁSICOS DE FRACTURA DE FRACTURA EN CMCs
Los tres tipos de curvas tensión-deformación de
los CMCs

1. Fractura frágil en la zona elástica causada por
   propagación rápida e incontrolada de una grieta.
2. Fractura frágil precedida por el crecimiento de
   alguna grieta de tamaño subcrítico. El cambio de
   pendiente lo revela.
3. Fractura no frágil observada generalmente
   composites reforzados uniaxialmente con fibras
   largas con una cohesión matriz/refuerzo débil.

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a. FRACTURA FRÁGIL EN LA ZONA LINEAL

• La pendiente la establece la elasticidad del
  material
• La tensión de fractura, ?F, la determina la
  tenacidad de fractura del material y el defecto
  efectivo más grande a través de la ecuación
• Kc es la tenacidad dada como el factor de
  intensidad de la tensión crítica en la grieta
  (MPa m1/2)
• c tamaño de la grieta
• Y factor geométrico adimensional que describe la
  distribucución de tensiones y el tipo de material

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b. FRACTURA FRÁGIL INDUCIDA POR GRIETAS
SUBCRÍTICAS

• En determinados CMCs al avanzar la grieta se
  producen determinados cambios en la geometría y
  en la distribución de tensiones en su vértice que
  originan aumento de la superficie, lo que conduce
  a un aumento de la tenacidad de fractura ?
  R-curve behavior
• Ahora la tenacidad se expresaría por R (W), la
  energía de fractura en J/m2
• El origen de los cambios
• Curvado de grietas (crack bowing)/Desviación de
  grietas (crack deflection)
• Decohesión del refuerzo/matriz (debonding)
• Separación del refuerzo (fiber pull-out)
• Puenteo del refuerzo (fiber gridging or wake
  toughening)
• Microcrack toughening
• Transformation toughening

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c. FRACTURA NO FRÁGIL(CMCs con fibras uniaxiales
y unión matriz/fibra débil)
Comportamiento típico de un CRGC

• Comportamiento lineal (región I) hasta la
  aparición de grietas en la matriz
• Debonding, desviación, bridging en la región II
• Pull-out de las fibras en la región III conducen
  a la fractura final del material
• CMCs tejidos y laminados con fibras
  multidireccionales también presentan este
  comportamiento
• Este comportamiento pseudo-plástico es el deseado
  en los CMCs porque
• Es insensible a los defectos
• Evita la fractura catastrófica

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PROPIEDADES CONSTITUTIVAS DE LOS CMCs Y SUS
MÉTODOS DE MEDIDA
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MEJORA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

• Matriz con
• baja resistencia mcánica
• bajos módulos elásticos

• MECANISMOS DE MEJORA DE LA TENACIDAD (RESISTENCIA
  A LA FRACTURA)
• Disipación de energía mediante
• Curvado de grietas (crack bowing)/Desviación de
  grietas (crack deflection)
• Decohesión del refuerzo/matriz (debonding)
• Separación del refuerzo (fiber pull-out)
• Puenteo del refuerzo (fiber gridging or wake
  toughening)
• Microcrack toughening
• Transformation toughening

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MECANISMOS DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA(FENÓMENOS
BASICOS RESPONSABLES DE LA DEFORMACIÓN INELÁSTICA)
?i
SC
2R
h
Curvas tensión-deformación características de
materiales cerámicos
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CRACK BOWING CRACK DEFLECTION
La interacción del campo de tensiones en el
vértice de la grieta con el refuerzo (fibra o
partícula) rebaja la tensión en la matriz y
obstaculiza la propagación de la grieta causando
los fenómenos crack bowing y crack deflection!!

K es el factor de intensidad de las tensiones en
la grieta
Mecanismo de toughening por curvatura de la grieta

• El frente de la grieta se curva entre los
  refuerzos
• La K disminuye en los tramos curvados pero
  aumenta justo en las intersecciones con el
  refuerzo
• Mientras más se curva la grieta más aumenta K en
  las intersección hasta el Kc del refuerzo

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EL AUMENTO DE TENACIDAD POR CURVATURA DE LA
GRIETA(Crack bowing)

• Es proporcional a la fracción de volumen de
  refuerzo
• Depende del grado de la interacción
  grieta/refuerzo establecida por
• el espaciado entre el refuerzo
• la tenacidad del refuerzo
• Depende de la morfología del refuerzo

Efecto de la fracción de refuerzo y de su
relación de aspecto R en el caso de refuerzos
duro y blandos
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DESVIACIÓN DE LA GRIETA/CRACK DEFLECTION
La interacción del refuerzo (fibra o partícula)
con el frente de la grieta, éste de desvía y la
superficie de la grieta deja de ser plana. Al
aumentar la superficie total de la grieta la
proapagación de la grieta requiere más energía !!

• Inclinación del frente de la grieta
• Torsión del frente de la grieta
• Efecto de la relación de aspecto
• Rlongitud/anchura

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EL AUMENTO DE TENACIDAD POR DESVIACIÓN DE LA
GRIETA(Crack deflection)

• Depende de la morfología del refuerzo
• Es proporcional a la fracción de volumen de
  refuerzo, pero por encima de una fracción de
  volumen de 0,2 el aumento es muy pequeño
• Las diferencia del valor del módulo elástico
  entre matriz y refuerzo, y de sus coeficientes de
  expansión térmica favorece la desviación de las
  grietas

Efecto de la fracción de refuerzo y de la razón
de aspecto sobre la tenacidad
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DECOHESIÓN REFUERZO/MATRIZ (DEBONDING)

• El debonding al crear nuevas superficies requiere
  energía y por tanto dificulta la propagación de
  la grieta

EXTRACCIÓN DEL REFUERZO / FIBER PULL-OUT

• El fiber pull-out implica el debonding previo, y
  la fractura de la fibra si se el refuerzo es por
  fibras continuas

Superficie de fractura del GCMC composite
SILCERAM 25. CaO-20 Al203-55. SiO2/SiC
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WAKE TOUGHENING

• Los mecanismo reciben este nombre (wake) porque
  tienen lugar en la estela de la grieta, no en
  grieta propiamente dicha no en la punta (tip) o
  en la zona dañada adyacente!!
• FIBER BRIDGING
• Las tensiones en las gridging fibers son
  tensiones que tratan de cerrar la grieta y
  reducen las tensiones en la punta de grieta
  inhibiendo su propagación.
• Cuando en una grieta se tiene decohesión y
  pull-out de las fibras también puede tenerse
  fibras intactas que actúan como tirantes entre
  las superficies de las grietas. Una grieta bajo
  la acción de tensiones aplicadas trata de
  abrirse. Parte de éstas se transfire a la fibras
  intactas que une las caras de la grieta
  deformándolas elásticamente.

24
WAKE THOUGHENING

• Bloqueo por los granos de la matriz cerámica
• Bridging por porciones de matriz intactas en la
  estela

Bridging, pull-out and deflection en Al2O3/SiC
25
MICROCRACK THOUGHENING
La energía de deformación de la grieta primaria
se reduce cuando se producen microgrietas en su
vértice inducidas por el campo de tensiones de la
grieta!!

• Se produce la formación de una zona de
  microgrietas delante del vértice de la grieta
  primaria que causa aumento de tenacidad por
• Rebajar la constante elástica en esa zona
• Absorber energía de la grieta primaria al
  producir las microgrietas
• Un efecto de cierre de la grieta inducido por la
  dilatación que causa la microgrietas.
• Las fibras cortas es la mejor fuente de
  microgrietas
• La causa es las diferencias entre los
  coeficientes de expansión térmica (CTE)
• El efecto desaparece si las microgrietas se
  conectan entre ellas

Microcracking borosilicato reforzado con fibras
de carbono
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TRANSFORMATION THOUGHENINGMejora de la tenacidad
por transformación de fase
Un refuerzo en una fase metastable se
transforma en la fase estable de mayor volumen
molar por efecto del aumento de las tensiones en
el vértice de la grietas primarias!! La tenacidad
aumenta porque esta transformación en zona
próxima al vértice de la grieta absorbe energía,
y el aumento del volumen específico tiende a
cerrar la grieta..
ZrO2 estabilizado con 10CeO
27
TRANSFORMATION THOUGHENINGdel ZrO2
Entre los compuestos cerámicos que experimentan
cambios de fase que se pueden aplicar para
mejorar la tenacidad de un composite cerámico, la
ZrO2 es la más usada.

• Se añade Y2O3 para tener regiones de estructura
  (mt), (tc) y (mc) rebajando también la
  temperatura de las transiciones.
• La transición de la fase t retenida ? m
  martensítica, por tanto asistida por tensiones y
  con aumento de volumen de ? 4, es la responsible
  del aumento de tenacidad y resistencia en las
  matrices.
• La transformación además de causar aumento de la
  tenacidad por si misma, también lo causa por
  producir micro-grietas.

Ver las transformaciones martesíticas
en http//www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/abstracts
/L9.pdf http//www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/
encyclopedia.article.2001.pdf
28
TZP tetragonal zirconia polycrystalline
29
TRANSFORMATION THOUGHENING del ZrO2
Al2O3/(3 mol Y2O3 ) ZrO2
CASO TÍPICO ZTA (Zirconia thoughned alumina)
Efecto del contenido del contenido de Y2O3 en el
ZrO2 en la tenacidad del ZTA
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DESCRIPCIÓN ESTADÍSTICA DE LA FRACTURA EN
CMCsANÁLISIS DE WEIBULL
Análisis estadístico mediante la distribución de
Weibull

• Se debe tener un número representativo de
  ensayos del mismo tipo de muestras bajo las
  mismas condiciones (gt20)!!

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ANÁLISIS DE WEIBULL
La resistencia mecánica, o la tenacidad, de un
material frágil se admite que está determinada la
distribución aleatoria de microgrietas (flaws)
existente en el material sometido al ensayo.
Experimentalmente se ha demostrado que la
resistencia mecánica sigue la llamada
distribución de Weibull.
Densidad de probabilidad
mgt0 es un parámetro de forma de la distribución
llamado módulo de Weibull que nos la anchura de
la distribución ?o es un parámetro de escala
característico de la distribución

• Para un ?o dado, la anchura de la distrubución
  disminuye si m aumenta
• Para un m dado, la anchura diminuye si ?o
  disminuye

La función de distribución de la probabilidad
acumulada es
32
ANÁLISIS DE WEIBULL
La probabilida acumulada es
Siendo la resistencia media de Weibull
Y la desviación standar
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ANÁLISIS DE WEIBULL
Efecto del módulo de Weibull sobre la
probabilidad acumulada de fractura en función de
la tensión aplicada normalizada a lt?fgt

• En el pasado se aplicaba por razones puramente
  empíricas sin justificación teórica.
• Se ha desarrollado bases teóricas que relacionan
  la distribución de Weibull con la densidad de
  probabilidad del tamaño de los defectos, f(a).

34
ANÁLISIS DE WEIBULL
La función densidad de probabilidad de defectos
de tamaño a, f(a)

• n es la velocidad a la que f(a) ? 0 agtgtc/n, c es
  parámetro de escala.
• Se demuestra que este parámetro se encuentra
  relacionado con el módilo de Weibull a través de
  la relación
• m2n-2
• La dispersión en la resistencia mecánica y
  tenacidad de fractura está relacionada
  directamente con el tamaño y forma de los
  defectos precursores de grietas.
• La fiabilidad del material la establece el
  módulo de Weibull y el valor del parámetro ?0.

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ANÁLISIS DE WEIBULL
Análisis estadístico mediante la distribución de
Weibull

• Cuando se tiene un número representativo de
  ensayos del mismo tipo de muestras bajo las
  mismas condiciones (gt20)
• La probabilidad de que se rompa la muestra al
  alcanzar una tensión aplicada ?, se representa
  por la distribución de Weibull
• ? la tensión aplicada
• ?u tensión para la cual P0
• ?0 ?lim- ?u un intervalo de valores de tensiones
  aplicadas, característico del material y tipo be
  muestras, para los cuales se produce la fractura
• m módulo de Weibull característico del material

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ANÁLISIS DE WEIBULL
El módulo de Weibull m se obtiene del ajuste de
los datos a la recta

• Para obtener la probabilidad P(?i), se ordenan
  los datos de menor valor de ? (strength o de
  tenacidad) a mayor. Si N es el número total de
  valores. Al ensayo de orden i-esimo
  correspondiente al valor ?I se le asigna la
  probabilidad

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COMPORTAMIENTO DE LOS CMCS A ALTAS TEMPERATURAS

• FRACTURA POR TENSIONES TÉRMICAS
• Por diferencias en los coeficientes de expansión
  témica (CTE)
• Por choque térmico
• FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTA TEMPERATURA
• CREEP

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FRACTURA INDUCIDAS POR TENSIONES TÉRMICAS

• TENSIONES CAUSADAS POR LA DIFERENCIA DE CTE ENTRE
  MATRIZ Y REFUERZO
• Al enfriarse el composite durante su
  fabricación, si los valores de los CTE de la
  matriz y del refuerzo son muy distintos aparecen
  tensiones residuales en el material que pueden
  contribuir a la formación prematura de defectos
  donde se nuclean grietas. En el caso de un
  composite reforzado con fibras largas uniaxiales
  las tensiones axiales que originan el desajuste
  de los CTE viene dado por
• en la matriz
• en la fibra
• V representa la fracción de volumen
• el CTE
• E el módulo elástico
• ?T al variación de temperatura, lt0 para
  enfriamiento
• f, m y c fibra, matriz y composite,
  respectivamente
• Slt0 corresponde a tensiones de compresión, y Sgt0
  de tracción

Mullita Al6Si2O13
39
FRACTURA INDUCIDAS POR TENSIONES TÉRMICAS

• CHOQUE TÉRMICO
• Independientemente que exista diferencia entre
  los CTE de la matriz y refuerzo, los gradientes
  de temperatura en el material, y su varianción
  con el tiempo, causan tensiones en el material
  como consecuencia de las diferencias de expansión
  térmica de un punto a otro.
• El choque térmico es la fractura del material
  causada por un cambio brusco de temperatura en
  algunos puntos. Depende de la velocidad de cambio
  de la temperatura, de la conductividad térmica,
  del CTE, del módulo elástico, de la tenacidad y
  también de la geometría de la muestra.
• La resistencia al choque térmico se mide
  experimentalmente midiendo la degradación de la
  resistencia mecánica en función del ?T en
  experimentos de templado. Una idea de la
  resistencia al choque témico la proporciona el
  parámetro ? dado por
• ? es el coeficiente de Poisson
• ? la conductividad témica
• KIc la tenacidad de fractura
• E el módulo elástico
• ? el CTE
• CMCs con alta conductividad témica y bajo módulo
  elástico y CTE sería los que muestran más
  resistencia al choque térmicoo.

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FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS

• CMCs REFORZADOS CON PARTÍCULAS

Propiedades características de las matrices
cerámicas típicas y de sus composites con
partículas de refuerzo

• El refuerzo con partículas mejora la tenacidad y
  la resistencia al choque térmico pero no siempre
  como es el caso de Si3N4

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FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS

• CMCs REFORZADOS CON PARTÍCULAS

Variación de la tenacidad y de la resistencia de
fractura de Al2O3 y Si3N4 refozorzado con 30 vol
de partículas de TiC

• El aumento de tenacidad para Tgt900 ºC se atribuye
  a la formación de una fase vítrea amorfa en las
  fronteras de grano. Esto causa un descenso de la
  resistencia mecánica debida al debilitamiento de
  las fronteras de grano. La formación de la fase
  vítrea se favorece con la adición de agentes como
  Si2O, BaO, B..

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FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS

• CMCs REFORZADOS CON PARTÍCULAS

Al2O3/30 vol Ti(C,N)
Al2O3/3 volZrO2
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FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS

• CMCs REFORZADOS CON FIBRAS
• Los vídrios y las cerámicas vítreas son las
  matrices son que proporcionan mejores composites
  de fibras largas, porque estas matrices
• proporcionan un amplio rango de de valores de CTE
• la temperatura de procesado es más baja que la de
  las cerámicas
• tienen módulos elásticos más bajos

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FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS

• CMCs REFORZADOS CON FIBRAS
• El CTE de la matriz, ?m, no debe ser mayor que
  el de la fibra
• Si ?mgt ?f, las tensiones de tracción en la matriz
  causar la presencia de abundantes cracks en la
  matriz
• Si ?fgt?m aparecen en la matriz tensiones
  residuales de compresión paralelas a las fibras
  lo que retrasa las formación de cracs porque
  aumenta la deformación requerida para la
  formación de los cracks iniciales
• Además, si ?fgt?m ligeramente, la contracción
  radial que sufre la fibra respecto la matriz
  cuando se enfría el material causa un descenso
  de la energía de cohesión matriz/fibra que
  conduce a una mejora de la tenacidad y
  resistencia del composite

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FRACTURA Y DEFORMACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS

• EJEMPLO Mejora de la resistencia mecánica de
  cordierita reforzada con fibras de SiC

Efecto de un tratamiento de una hora a T?1000 ºC
sobre la resistencia mecánica de una cordierita
reforzada con diferentes fracciones de fibras de
SiC,(MgO-Al2O3-SiO2-BaO)/SiC, fabricada por
hot-pressing a 900 ºC.
La mejora se debe a que para Tlt1000 ºC ?mgt ?f,
pero para T?1000 ºC ?fgt ?m, porque la
cordidierita sufre una transformación de fase
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CREEP DE CMCs

• La ruptura de los CMCs por creep es uno de los
  principales problemas de estos materiales a altas
  temperaturas!!
• El fallo de un CMC bajo carga a altas
  temperaturas ocurre por
• Crecimiento de una grieta pre-existente
• Nucleación, crecimiento y coalescencia de
  cavidades
• Normalmente la matriz es la fase menos
  resistente al creep, por tanto es allí donde se
  inicia el flujo del material.
• Cuanto más refractaria es la matriz más
  resistente es el composite al creep
• El comportamiento de los MCMs frente al creep lo
  establece las características de la matriz y la
  fracción de refuerzo.
• La resistencia al creep aumenta con la fracción
  de refuerzo hasta cierta fracción límite a partir
  de la cual el mecanismo de creep cambia dejando
  de estar controlado por la interacción del
  refuerzo con los procesos de fluencia en la
  matriz.
• Para altas concentraciones de refuerzo, el creep
  es controlado por procesos que ocurren en los
  puntos de contacto entre partículas
  deslizamiento de unas partículas respecto a
  otras, formación de cavidades y cracks.

47
CREEP DE CMCs
Curvas de creep en tensión SiC/Si (Carborundum
KX01). Hay una etapa I muy corta, y prácticamente
no existe etapa III
Curvas de creep para Nextel 85Al2O3-15SiO2/fibra
de mullita. Bajo ciertas condiciones sólo se
tiene la etapa I.
48
CREEP DE CMCs
Microestructura de SiC/Si a) Carborundum KX01(33
vol Si) b) COORS SCRB210 (18 vol Si
Velocidad de deformación s-1
Relación entre la velocidad de creep, la
deformación de fractura y la fracción de refuerzo
en SiC.
49
CREEP DE CMCs
Velocidad de creep en flexión para Al2O3 y
Al2O3/20 SiCW. El cambio de pendiente en la
curva de 1400 ºC indica un cambio en el mecanismo
de creep
50
CREEP DE CMCs

• ASIMETRÍA EN EL CREEP
• Una característica del creep de los CMCs es que
  su velocidad bajo tracción es más alta que en
  compresión.

Este efecto se debe a la formación de cavidades
en las fronteras de grano y en las interfaces
matriz/refuerzo bajo tracción. En compresión no
se forman estas cavidades!!
51
CREEP DE CMCs

• FORMACIÓN DE CAVIDADES DURANTE CREEP.

Formación de cavidades en SiC/Si KX01 bajo
tracción a 1300 ºC
Formación de cavidades y propagación de grietas
en glass/alumina. La cavidad se forma en las
inclusiones vitreas entre los granos de alumina
52
COMPOSITES CERÁMICOS
RESUMEN

• Las propiedades de los materiales cerámicos de
  altas prestaciones se mantienen, y su resistencia
  mecánica y tenacidad se mejoran, cuando se
  refuerzan con partículas, fibras o whiskers.
• La matriz debe tener una adecuada resistencia
  mecánica, el refuerzo ser más duro que la matriz,
  y la unión matriz/refuerzo débil.
• Los mecanismos de disipación de energía
  operativos
• Curvado de grietas (crack bowing)/Desviación de
  grietas
• Decohesión del refuerzo/matriz (debonding)
• Separación del refuerzo (fiber pull-out)
• (fiber gridging or wake toughening)
• Microcrack toughening
• Transformation toughening
• Algunos CMCs pueden soportar temperaturas
  superiores a 1600 ºC (C-C protegido contra la
  oxidación)
• Aplicaciones componentes estables a altas
  temperaturas y resistentes a la corrosión,
  desgaste por fricción e inertes, que no se rompan
  catastróficamente (herramientas de corte,
  toberas, proteción térmica y anticorrosión,
  motores de combustión, turbinas y sistemas de
  producción de energía, industría aeronáutica y
  aeroespacial)

53
COMPOSITES CERÁMICOS
APLICACIONES DE LOS CFCC
Ver enhttp//www.ms.ornl.gov/programs/energyeff/c
fcc/brochure/cfccbroch.pdf