Нанесение покрытия сопряжено с большими трудностями, поскольку при температурах выше точки плавления металла кварц энергично взаимодействует с алюминием. Были выработаны меры, понижающие скорость разъедания и изменяющие его характер, так что вся поверхность поражается равномерно, а не на отдельных участках. Такие меры обеспечивали хорошую адгезию между волокнами и металлической матрицей, позволяя в то же время избежать огрубления поверхности, приводящего к снижению прочности. Предел прочности при растяжении кварцевых воло­кон, отнесенный к площади нетто-сечения кварца, превосходил 490 кг/мм2.

Как видно из рисунка, прочность композиции алюми­ний—кварц зависит от способа их изготовления. Снижение температуры процесса приводит к заметному повышению проч­ности при растяжении в широком температурном интервале. Хотя в процессе производства композиции прочность волокон умень­шалась, тем не менее удалось получить композицию с преде­лом прочности до 105 кг/мм2 при комнатной температуре. Контроль межфазных реакций, в результате которых обеспе­чивалось хорошее сцепление при незначительных поврежде­ниях волокон, позволил соз­дать композиции с отличными свойствами при комнатной и повышенных температурах.

Реакции на поверхностях раздела существенно влияют на свойства волокнистых материалов систем металл — керамика. Многие керамики плохо смачиваются металлами, следствием чего является слабое сцепление между компонентами в системах металл — керамика. Это приводит к низкой прочности компози­ций. Данную проблему решают путем легирования армирован­ной матрицы элементами, улучшающими сцепление бла­годаря реакциям взаимодействия на поверхностях раздела. Вместе с тем такие элементы способны и понизить прочность композиции вследствие разъедания керамики. Соответствующим выбором технологии изготовления можно затормозить развитие реакций. Контроль реакций на поверхностях раздела с помощью соответствующей технологии позволит создать высо­копрочные волокнистые композиции.

Области применения. Армирование керамики короткими (нарезанными) металли­ческими волокнами первоначально изучалось с целью получе­ния основных теоретических сведений, а не для изыскания новых областей применения. Поэтому главные усилия были направле­ны на определение физических свойств композиций в зависи­мости от используемых материалов, размеров металлических волокон, разности коэффициентов теплового расширения матри­цы и армирующего металла и т. д.

В настоящее время керамика, армированная нарезанными волокнами, применяется лишь для облицовки сопел эксперимен­тальных ракет. Методика изготовления облицовки в этом случае такова. Вольфрамовые волокна диаметром 0,12 мм сби­ваются в войлок с конфигурацией сопла ракеты и помещаются в пористую форму. Затем волокнистая основа путем вакуумной фильтрации пропитывается керамической суспензией из карбида титана. Композиция высушивается и подвергается уплотнению горячим прессованием в графитовой форме под давлением 280 ат. При испытании таких сопел в экспериментальных раке­тах видимых признаков эрозии не было обнаружено; сопла по­казали очень высокую термостойкость.

Область применения армированных тугоплавких керамиче­ских покрытий гораздо обширнее, исследования в этой области носят преимущественно прикладной характер. Армированные керамические покрытия успешно используются в качестве внутренней облицовки камер сгорания реактивных двигателей, плазменных камер, сопел ракет, подии нагревательных печей и т.д.

Использование армированного покрытия из двуокиси цирко­ния в теплообменниках крупного воздухоочистителя представ­ляет типичный пример применения армированных тугоплавких керамических покрытий. Этот теплообменник из восьми труб­чатых секций диаметром по 203,2 мм имел высоту 4,24 м. По­крытие из двуокиси циркония толщиной 41,27 мм армировали гофрированными полосками из нержавеющей стали 321 шири­ной 3,2 мм и толщиной 0,25 мм. Для крепления этой арматуры из стальных полосок к внутренней стороне трубы необходимо было произвести 25 000 точечных сварок. Потребовалось около 1 т керамической матрицы, которую наносили с помощью вибраци­онной заливки. Установка работала на загрязненном воздухе при 1700°С для нагрева чистого воздуха от 815 до 1540° С. Нор­мальное рабочее давление составляло 14 ат.

Армированные тугоплавкие керамические покрытия, подоб­но керамике, армированной непрерывными нитями (т. е. прово­лочной сеткой, сотами и т. п.), испытывались на передних кром­ках крыльев, в головных частях снарядов и носовых капсулах для орбитальных космических кораблей, возвращающихся на землю. Надо отметить, что во всех этих случаях применение армированных покрытий было не столь успешным, как в слу­чаях, когда поверхность керамики была вогнутой и, следователь­но, испытывала при нагреве сжатие. Предпринимались попытки преодолеть это путем секционирования выпуклых поверхно­стей.

Перспективы. Выше были изложены преимущества композиций, армиро­ванных металлическим волокном. Однако предстоит выполнить еще много исследований, прежде чем такие композиции найдет применение в технике. Усилия, затраченные на теоретические исследования и прикладные разработки, носили нерегулярны» и бессистемный характер. Чтобы реализовать те действительные перспективы, которые сулят армированные керамические ком­позиции, необходимы более всесторонние и систематические ис­следования, программы которых не должны быть связаны с ка­кими-либо ограничениями. Например, только из тех соображе­ний, что волокна пли нити, являясь легко доступной формой армирующих элементов, показали очень хорошие результаты при армировании смол или пластиков, еще не следует, что даль­нейшие исследования армированных керамик должны автоматически исключать другие формы армирующих элементов. Арми­рующие элементы слоистых пли пластинчатых форм могут фак­тически оказаться более пригодными для армирования керамики или хотя бы для улучшения тех или иных ее характеристик. Недостаточно изучать только количественные характеристики, обусловленные различием формы, пропорций, распределения и ориентации, а также совместимости физических и химических свойств. Необходимо еще широко разрабатывать соответствую­щие модели и теории, чтобы глубже понять взаимосвязь этих параметров и их влияние на свойства композиции. В противном случае, усилия, необходимые для отбора наилучших рецептов композиций из множества возможных, приобретут огромные масштабы.

Попытки применения армированных керамических компози­ций в конструкциях были также сугубо специальными и эмпи­рическими. Чаще всего эти композиции использовались лишь как последнее средство в тех случаях, когда монолитные мате­риалы оказывались непригодными для применения. По тради­ции инженерный подход к разработке заключался в том, чтобы подогнать конструкцию изделия к свойствам материала. В бу­дущем необходимы новые принципы, заключающиеся в том, чтобы при разработке таких материалов, как композиции, учи­тывать конструкцию изделия, условия эксплуатации и экономи­ческие соображения. Кажется сомнительным, чтобы одна или даже несколько керамических композиций дали универсальный материал для решения проблем, связанных с реальными условиями работы в горячей среде. Композиции, вероятно, всегда будут разрабатываться специально, применительно к специфическим условиям их эксплуатации. Об этом свидетельствует весь опыт применения армированных керамических покрытий. Однако при наличии достаточных данных, такие композиции могут дать инженерам возможность воспользоваться лучшими свойствами керамики, не будучи связанными её недостатками.