Výchozí pozice
Poměrně málo keramických materiálů (monolitická keramika) se láme již při malém mechanickém zatížení. Typickou zkušební geometrií pro stanovení pevnosti keramiky (komplexní Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti a tlumení tan δ) je tzv. tříbodový ohyb.
V tomto případě se pásový vzorek o rozměrech např. 30 mm x 5 mm x 1 mm obvykle umístí na podpěru ve tvaru U s roztečí boků např. 20 mm a mechanicky se "zatíží" nebo "ohne" uprostřed pomocí tlačné tyče.
Vložením vláken do monolitické matrice vznikají tzv. kompozity s keramickou matricí (CMC). Při zatížení se v keramické matrici během výroby kompozitu vytvoří počáteční trhliny. Tyto trhliny jsou však přemostěny nosnými vlákny, takže materiál nepraská a je odolnější vůči poškození.
Pokud není kompozit s vlákny a matricí nijak zvlášť pevný, lze v kompozitu realizovat výrazně vyšší prodloužení až do lomového prodloužení vláken (obvykle <3 %), než dojde ke konečnému porušení. Ve srovnání s prodloužením při přetržení u kovů a polymerů zůstává prodloužení vláknové keramiky stále small.
Pro dynamicko-mechanickou analýzu monolitické keramiky a vláknové keramiky to znamená, že je třeba zaznamenávat a vyhodnocovat deformace small až do vysokých teplot.
Zároveň tříbodové ohybové zkoušky nepředstavují fyzikálně čistý zatěžovací stav kvůli tahovým, tlakovým a smykovým složkám, které se vyskytují v důsledku zkušební geometrie. Jsou proto vždy kompromisem. Vhodnější tahové zkoušky selhávají kvůli nedostatku vhodných možností upnutí u křehkých keramických materiálů, které se tak snadno porušují. Proto zůstává metodou volby tříbodová zkouška ohybem.
Bezpodmínečně nutné je stabilní třecí spojení mezi držákem vzorku a vzorkem, které se v ideálním případě po dobu analýzy nemění. Třecí spojení je nedostatečné, například pokud se geometrie vzorku odchyluje od rovinné rovnoběžnosti a oba držáky jsou se vzorkem v kontaktu pouze částečně.
Také rozdílné koeficienty tepelné roztažnosti (Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE) vzorku a pevné ohybové podpěry vedou k nežádoucímu mechanickému namáhání v podélném směru vzorku v důsledku tření mezi podpěrou a vzorkem. Ta se překrývají s působícím mechanickým napětím, čímž dochází ke zkreslení výsledků měření.
Kromě toho mohou vnitřní tepelná napětí vznikající i bez mechanického zatížení způsobit mechanickou destrukci citlivých vzorků v důsledku teplotních gradientů v peci (příklad: křemenné destičky). Cílem je všechny tyto rušivé vlivy omezit.
Experimentální řešení
Proti výše uvedeným rušivým vlivům se používají konstruktivní opatření.
Homogenizace teploty v oblasti vzorku
Jako opatření pro teplotní homogenizaci se používají dvě různá řešení.
Vložka keramické pece s vlákny (obrázek 1)
Jedná se o oxidovou keramiku vyztuženou vlákny, která odděluje komoru vzorku a komoru pece a snižuje teplotní gradienty. Kromě toho tato vložka nabízí možnost realizovat uvnitř atmosféru s nízkým obsahem kyslíku nebo v případě potřeby s jinými plyny.
Jako další součást lze použít tepelný ochranný štít (obrázek 2) ve spojení s vložkou pece nebo samostatně. Tepelný ochranný štít (obrázek 2) lze umístit na horní část ohýbací podpěry, aby se snížily tepelné gradienty uvnitř a tím i v blízkosti vzorku.
Jednoduché provedení z Cu lze použít až do max. 950°C. Nad touto teplotou je třeba použít verzi se zirkoniem. Obě verze jsou opotřebitelné díly, takzvané "obětní" materiály, protože se pomalu spotřebovávají oxidací.
Vliv rušivých rozdílů v koeficientech tepelné roztažnosti lze eliminovat pomocí ohybové podpěry s válečkovými ložisky (safír). Leštěná safírová ohýbací podpěra (obrázek 3) nepodléhá žádným fázovým přechodům v celém příslušném teplotním rozsahu. Díky své monokrystalické struktuře má relativně málo míst schopných reakce, tj. je chemicky inertní. Z těchto důvodů je safír ideální pro použití jako ohýbací podpěra! Leštěné válečky, které jsou rovněž vyrobeny ze safíru, kompenzují rozdílnou tepelnou roztažnost tím, že převádějí rozdíl teplotních deformací mezi vzorkem a podpěrou na rotační pohyb. Změna rozpětí, ke které tím dochází, je v zásadě jen nepatrná. Pokud dojde k chemické nekompatibilitě materiálu mezi válečky a vzorkem, lze poškození snadno opravit. Válečky jsou konstruovány jako opotřebitelné díly, a proto je lze snadno a rychle vyměnit. Jako alternativa jsou k dispozici různé materiály válečků (např. válečky Si3N4 a SSiC).
Pro optimalizaci mechanického spojení lze použít kardanovou podpěru (obrázek 3, nahoře uprostřed). Tato tlačná tyč slouží především k vyrovnání chybějící rovinné rovnoběžnosti vzorku. Je však účinná i v případě tepelně indukovaného zkroucení vzorku díky tomu, že kardanovou podpěru vždy nastaví na příslušnou plochu.
Výsledky měření
Teplotní měření provedené při použití těchto konstrukčních zlepšení na
a) polykrystalický vzorek Al2O3 (obr. 4),
b) safírový vzorek, rovněž monokrystal Al2O3 (obr. 5) a
c) kompozit C/CSiC (obr. 6)
přináší následující výsledky:
a) polykrystalický Al2O3
Oba zkoumané materiály Al2O3 mají zásadně odlišnou strukturu. Polykrystalický vzorek Al2O3 se skládá z α-Al2O3 o čistotě 99,7 % a je slinutý. Má skelnou fázi obklopující jednotlivé krystality. Při teplotách nad cca 1100 °C začíná tato interkrystalická skelná fáze měknout [2], což se projevuje jako creepingový proces v teplotním rozptylu (obr. 4) a je charakterizován prudkým poklesem Youngova modulu.
b) Safír (monokrystal)
V případě monokrystalu safíru jsou strukturní vztahy zcela odlišné. V monokrystalu samozřejmě neexistují hranice zrn a skelné fáze. Proto je také bez creepových efektů, ale také mnohem méně tolerantní k poškození. Kontinuální pokles |E*| a absence jakýchkoli známek creepových efektů jsou očekávatelné, stejně jako nižší hodnoty tlumení ve srovnání s polykrystalickým vzorkem (obr. 5).
c) C/SiC vláknová keramika
Kompozity C/SiC, vyrobené na University of Queensland, představují příklad použití vláknové keramiky v HT DMA. Jedná se o kompozit vyrobený procesem polymerní infiltrace (PIP) s preceramickým prekurzorem, který byl následně podroben procesu pyrolýzy (1600 °C) v atmosféře argonu. Tento 20vrstvý kompozit má jednosměrné uspořádání vláken po vrstvách se střídavým uspořádáním 0°/90° a objemovým podílem vláken přibližně 50 % [1].
Dynamicko-mechanické zkoumání bylo provedeno v podmínkách okolní atmosféry při teplotním rozptylu (ohřevu) z pokojové teploty na cca 1300 °C a následně přímo při dalším teplotním rozptylu z 1300 °C na pokojovou teplotu. Rychlost ohřevu a ochlazování činila 10 K/min. Pro sběr dat z měření se nejprve vzorek (12,8 mm x 4,5 mm x 50 mm; rozpětí 44,5 mm) vyburcuje statickou silou 55 N s dynamickou superponovanou silou o amplitudě 45 N při zkušební frekvenci 3 Hz. Výsledek měření je znázorněn na obrázku 6.
Zatímco u nevyztužené keramiky, jako je SiC, Youngův modul s teplotou klesá [3], keramika s vlákny C/SiC vykazuje rostoucí Youngův modul. Stejné zjištění poskytují i měření RFDA (Resonant Frequency Damping Analysis) provedená DLR Stuttgart [4] na vláknové keramice C/SiC. Výsledky DLR rovněž ukazují rostoucí Youngův modul s rostoucí teplotou. Za normálních okolností se nárůst modulu s teplotou neočekává, a proto je poněkud překvapivý.
U vláknové keramiky však mohou mikrostrukturní příčiny vysvětlit nárůst Youngova modulu u kompozitů C/SiC v důsledku zahřívání. Pyrolýzou vzniká mimo jiné materiál, který je již při pokojové teplotě a pod vnitřním napětím popraskaný v důsledku hmotnostních ztrát v matricové části. S rostoucí teplotou se trhliny opět uzavírají, tj. silový tok stále více probíhá přímo přes matrici v důsledku její větší roztažnosti.
Obraz deformačních artefaktů, které mají svůj původ ve styčné ploše mezi vzorkem a ohýbacím držákem a které lze eliminovat válečky a kardanovým ložiskem, je třeba rozšířit i na materiál pro vláknovou keramiku. Vláknová keramika, jako je C/SiC, podléhá v důsledku výrobního procesu praskání. Je pravděpodobné, že trhliny, které se při nižších teplotách rozšiřují a s rostoucí teplotou zužují, způsobuje menší vlastní deformace v důsledku tepelné roztažnosti. Plánují se další výzkumy.
Tepelná roztažnost matrice - která je obvykle větší než roztažnost obsahu vláken - pak způsobuje, že trhliny vlastní vzorkům, které jsou rovněž různě široké, se s rostoucí teplotou zpočátku zmenšují a pak se možná i uzavírají.
S rostoucí teplotou se nadhodnocení deformace snižuje, takže Youngův modul roste. Skutečné chování prasklého materiálu v závislosti na teplotě se tedy odráží v Youngově modulu! V okolní atmosféře může OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace na povrchu trhliny poškodit i vlákna. Tyto důsledky se projeví po delší expozici opakovaným poklesem modulů, především při ochlazování. Trhliny již zvětšené předchozí oxidací se během ochlazování dále rozšiřují. Pokud oxidační poškození vede k trhlinám v segmentech vlákna, lze je pozorovat jako skoky v průběhu Youngova modulu.
Souhrn
Dynamicko-mechanickou analýzou (DMA) lze spolehlivě a relativně rychle určit elastické vlastnosti, jako je Youngův modul |E*| a tlumení tan δ, v podmínkách blízkých aplikaci s předloženými konstrukčními úpravami. Teploty do 1500 °C jsou možné, stejně jako volba atmosféry v komoře pro vzorky (např. okolní podmínky, inertní plyn nebo prostředí s nízkým obsahem kyslíku). To platí i pro vláknovou keramiku, jako je C/SiC. Konstruktér tak získá mechanické údaje závislé na teplotě až do 1500 °C pro návrh vláknokeramických (konstrukčních) součástí v podmínkách aplikace. Změnou pracovní atmosféry ve vzorkovací komoře lze také cíleně měnit rychlost poškození v důsledku OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace.