El compuesto de matriz de SiC-SiC es un tipo particular de compuesto de matriz cerámica (CMC) que ha ido acumulando interés principalmente como material de alta temperatura para su uso en aplicaciones como turbinas de gas , como alternativa a las aleaciones metálicas . Los CMC son generalmente un sistema de materiales que se componen de fibras o partículas cerámicas que se encuentran en una fase de matriz cerámica . En este caso, un compuesto de SiC/SiC se fabrica teniendo una fase de matriz de SiC ( carburo de silicio ) y una fase de fibra incorporadas juntas mediante diferentes métodos de procesamiento. Las propiedades sobresalientes de los compuestos de SiC/SiC incluyen alta estabilidad térmica , mecánica y química, al mismo tiempo que proporcionan una alta relación resistencia-peso . [1]
Los compuestos de SiC/SiC se procesan principalmente mediante tres métodos diferentes. Sin embargo, estos métodos de procesamiento suelen estar sujetos a variaciones para crear la estructura o propiedad deseada: [1]
Las propiedades mecánicas de los CMC, incluidos los compuestos de SiC-SiC, pueden variar en función de las propiedades de sus diversos componentes, a saber, la fibra, la matriz y las interfases. Por ejemplo, el tamaño, la composición, la cristalinidad o la alineación de las fibras determinarán las propiedades del compuesto. La interacción entre el microagrietamiento de la matriz y el desprendimiento de la fibra-matriz suele dominar el mecanismo de fallo de los compuestos de SiC/SiC. Esto da como resultado que los compuestos de SiC/SiC tengan un comportamiento no frágil a pesar de ser completamente cerámicos. Además, las tasas de fluencia a altas temperaturas también son extremadamente bajas, pero aún dependen de sus diversos componentes. [1] [6]
Los compuestos de SiC-SiC tienen una conductividad térmica relativamente alta y pueden funcionar a temperaturas muy altas debido a su inherentemente alta resistencia a la fluencia y a la oxidación. La porosidad residual y la estequiometría del material pueden variar su conductividad térmica; el aumento de la porosidad conduce a una menor conductividad térmica y la presencia de la fase Si-O-C también conduce a una menor conductividad térmica. En general, un compuesto de SiC-SiC bien procesado típico puede alcanzar una conductividad térmica de alrededor de 30 W/mK a 1000 °C (1830 °F). [1]
Dado que los compuestos de SiC-SiC suelen buscarse en aplicaciones de alta temperatura, su resistencia a la oxidación es de gran importancia. El mecanismo de oxidación de los compuestos de SiC-SiC varía según el rango de temperatura, siendo más beneficioso el funcionamiento en el rango de temperatura más alto (>1000 °C) que en el de temperaturas más bajas (<1000 °C). En el primer caso, la oxidación pasiva genera una capa de óxido protectora, mientras que en el segundo caso, la oxidación degrada la interfaz fibra-matriz. No obstante, la oxidación es un problema y se están investigando recubrimientos de barrera ambiental para abordar este problema. [1]
Los compuestos de matriz cerámica (CMC) de carburo de silicio (SiC) son una aplicación específica de los materiales cerámicos de ingeniería que se utilizan para mejorar las aplicaciones aeroespaciales, como los componentes de motores de turbinas y los sistemas de protección térmica . Debido a que exhiben capacidades de alta temperatura, baja densidad y resistencia a la oxidación y la corrosión, los CMC de SiC/SiC se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales. El uso de CMC de SiC/SiC en componentes de motores rotativos reduce la complejidad del diseño y el peso de la estructura del motor, lo que proporciona un mejor rendimiento y emisiones de combustible. La implementación de componentes de matriz cerámica de SiC/SiC mejorará el rendimiento de las aeronaves y los vehículos espaciales y la eficiencia del combustible, reduciendo el daño adicional al medio ambiente de una manera rentable.
Otras aplicaciones de los CMC de SiC/SiC incluyen componentes de secciones de combustión y turbina de motores de turbina de gas terrestres y de propulsión aeronáutica, sistemas de protección térmica, toberas de propulsores, toberas de cohetes reutilizables y componentes de turbobombas para vehículos espaciales.
Con el desarrollo y la implementación de los futuros CMC de SiC/SiC, se deben examinar las propiedades de fluencia y ruptura de las fibras de SiC. Los defectos como el tamaño del grano , las impurezas, la porosidad y la tenacidad de la superficie contribuyen a la fluencia y ruptura de las fibras de SiC. Debido a la tenacidad relativamente baja, la baja tolerancia al daño y la gran variabilidad en las propiedades mecánicas, los CMC se han limitado a componentes menos críticos. En el futuro, la implementación de mayores CMC de SiC/SiC en aplicaciones aeroespaciales se ve obstaculizada por la falta de comprensión de las características del material cerámico, la degradación, los mecanismos y las interacciones para prevenir la vida útil de los componentes y ampliar el diseño de los mismos.