Niezawodne materiały ceramiczne do wysokowydajnych systemów

Badania zaawansowanych materiałów ceramicznych ujawniły ich wyjątkowe właściwości mechaniczne, termiczne i trybologiczne, szczególnie przydatne w takich zastosowaniach, jak nowoczesne łożyska toczne i ślizgowe czy też narzędzia do obróbki i cięcia metali. W ramach projektu ROLICER (Enhanced reliability and lifetime of ceramic components through multiscale modelling of degradation and damage) uczeni starali się wypełnić lukę w wiedzy na temat mikrostrukturalnych właściwości materiałów ceramicznych oraz ich uszkodzeń i degradacji. Ponieważ mikrostruktura wpływa na właściwości makroskopowe materiałów ceramicznych, jej degradacja powoduje pogorszenie niezawodności wszelkich wykonanych z nich komponentów.

Naukowcy wykorzystali zestaw narzędzi symulacyjnych i specjalnych doświadczeń do przeprowadzenia modelowania mechanizmów uszkodzeń, wpływających na żywotność i niezawodność azotku krzemu. Obliczenia i symulacje pęknięć w skali atomowej pozwalają na poznanie orientacji i płaszczyzn, w których najczęściej występują pęknięcia w większych skalach. Przy pomocy symulacji w skali makro możliwe jest także określenie gradientów naprężeń, wpływających na stan naprężenia w miejscu pęknięcia, a tym samym opracowanie zaleceń dotyczących projektowania czy dopuszczalnych obciążeń.

Stosując analizę elementów skończonych, uczeni zbadali zachowanie azotku krzemu podczas pękania pod wpływem różnych obciążeń. Modele strefy kohezyjnej pomogły w symulacji oraz przewidzeniu powstawania i propagacji małych pęknięć o długości od 10 do 100 μm. Do dłuższych pęknięć zespół wykorzystał rozszerzoną metodę elementów skończonych.

W skali atomowej prowadzono dokładne modelowanie właściwości ziaren, granic ziaren, struktur masowych i błon międzyziarnowych (IGF), pojawiających się na granicach ziaren. Symulacje te pozwoliły uczonym na zbadanie wytrzymałości rozdzielczej ziaren azotku krzemu z defektami i zanieczyszczeniami oraz bez nich. Ponadto symulacje IGF usprawniły badania adhezji między ziarnami.

W oparciu o wyniki symulacji numerycznych prowadzono prace związane z projektowaniem materiałów i ich wprowadzeniem do przemysłu. Zespół wyprodukował i przetestował dwa rodzaje azotku krzemu, nadające się do walcowania na gorąco. Ceramiczne walce przetworzyły 150 000 kg stali o różnej klasie, w tym przewodów ze superstopu niklu o niespotykanej wcześniej jakości.

Wyniki prac przeprowadzonych w projekcie ROLICER powinny znaleźć praktyczne zastosowanie w przemyśle. Powinny też przyczynić się do znaczącego poszerzenia gamy wysokowydajnych systemów wykorzystujących komponenty ceramiczne, w tym ceramicznych przekładni zębatych oraz systemów ślizgowych.