Omgaan met brosheid: hoe maak je taaier keramiek?

Kenmerkend voor een bros materiaal als keramiek is dat een component zonder waarschuwing in één keer kan breken bij een zware trekbelasting. Hier kun je natuurlijk bij het ontwerpen van een component rekening mee houden door te zorgen dat het component tijdens gebruik alleen op druk wordt belast en niet op trek. Of door scherpe hoeken en randen te vermijden, zodat hier geen spanningsconcentraties ontstaan. Maar aan het materiaal zelf kun je ook iets doen: in-situ vertaaiing, transformatievertaaiing en het gebruik van keramische matrixcomposieten zijn drie manieren om keramiek minder bros en dus taaier te maken.

In-situ vertaaiing
Siliciumnitride is een voorbeeld van een keramisch materiaal dat in-situ vertaaid kan worden. Door tijdens de materiaalbereiding met kleine beetjes sinterhulpmiddel te spelen kun je β-Si3N4-korrels in één bepaalde richting langer laten groeien. Door de naaldachtige vorm van deze korrels kan een scheurtje in het keramiek langs deze naalden afgebogen worden (‘crack deflection’) en een langere weg afleggen. De scheur plant zich langzamer voort, en het materiaal gedraagt zich effectief taaier. Bovendien kunnen de naalden de scheurtjes overbruggen (‘crack bridging’) en ook zo de scheurvoortgang vertragen.

Transformatievertaaiing
Aluminiumoxide is één van de meest gebruikte technisch-keramische materialen. In de zuivere vorm is het een sterk maar bros materiaal. In die hoedanigheid voldoet het materiaal goed als elektrische isolator in bougies van auto’s, in de bekende oranje gasontladingslampen langs de snelweg of als versterkende vulstof voor kunststoffen. Door zo’n 15 vol% zirkoonoxide toe te voegen neemt de taaiheid van aluminiumoxide toe, en dat maakt het materiaal nog meer geschikt voor toepassing in bewegende pomponderdelen of lagers, maar ook als implantaat in je lichaam of als snijgereedschap. Het geheim achter zirkoonoxide-vertaaid aluminiumoxide (oftewel ZTA) is transformatievertaaiing. Hoe gaat dit in z’n werk?
Meng aluminiumoxidepoeder met 15 volumeprocent zirkoonoxidepoeder, pers dit mengsel in de gewenste vorm, en warm het geheel op. Rond 1170 °C wordt de monokliene kristalstructuur van zirkoonoxide omgezet in de tetragonale structuur. Bij de overgang van monoklien naar tetragonaal neemt het volume van het zirkoonoxide met zo’n 4% af. Bij verdere verwarming bakken poederdeeltjes rond 1600 °C aan elkaar, en als je het voorwerp een paar uur bij deze hoge temperatuur laat dan sintert het dicht. Maar nu komt het … Bij afkoelen wil het tetragonale zirkoonoxide bij 1170 °C zich weer omzetten naar de monokliene structuur. De omringende aluminiumoxide matrix verzet zich echter tegen de volumevergroting die gekoppeld is aan deze transformatie, zodat de transformatie wordt onderdrukt. Het zirkoonoxide is nu metastabiel: het heeft nog de tetragonale structuur, maar wil het liefst overgaan naar de monokliene structuur die bij de lage temperatuur past.
Als het ZTA nu een trekbelasting ondergaat, en er ontstaan bij een grote belasting scheuren in het materiaal, dan treft zo’n scheur op een gegeven moment een zirkoonoxidedeeltje. Dit deeltje krijgt nu de ruimte om zich alsnog om te zetten naar de monokliene structuur, en neemt daarbij 4% in volume toe. De trekspanning van de scheur wordt tegengewerkt door de drukspanning van het grotere volume, en de scheur stopt verder met groeien. Het transformerende zirkoonoxidedeeltje is een hindernis geworden voor de zich voortplantende scheur door het aluminiumoxide. Met andere woorden: het materiaal is nu taaier geworden.

Keramische matrixcomposieten
Keramische matrixcomposieten zijn de keramische tegenhangers van kunststof composieten en bestaan uit lange keramische of koolstofvezels die ingebed zijn in een eveneens keramische matrix. Koolstofvezelversterkte siliciumcarbide composieten (C/SiC) zijn hiervan typische voorbeelden, die hun toepassing vinden in hoogwaardige keramische remschijven voor auto’s.
De combinatie van vezels met matrix zorgt voor taai breukgedrag. In het matrix-gedeelte kunnen tijdens gebruik wel scheurtjes ontstaan, maar de voortgang van deze scheurtjes wordt gehinderd door de vezels. Het grensvlak tussen de vezel en de matrix is hierbij cruciaal. Dit grensvlak bestaat uit een coating die op de vezel is aangebracht voordat deze tot de ‘preform’ wordt geweven. Voor C/SiC composieten of SiC/SiC composieten (met lange vezels gemaakt van siliciumcarbide) kan zo’n coating uit zachte koolstof of boornitride bestaan, die met CVD op de vezel is aangebracht. Deze coating vormt bewust een slechte hechting tussen de vezel en de matrix van de composiet. Wat gebeurt er namelijk? Bij belasting van zo’n composiet voorbij het elastische regime gaat eerst het matrix-materiaal scheuren. Deze scheurtjes gaan niet ver, want ze komen op enig moment een vezel tegen. Als de hechting tussen de matrix en de vezel gering is, dan loopt de scheur verder langs het grensvlak tussen beide. Door deze afbuiging beweegt de scheur zich langzamer voort door het hele materiaal; de composiet is taaier dan het pure matrix-materiaal.
Als je de composiet nu nog zwaarder belast, dan breken de vezels of trek je de vezels uit de matrix. Ook door de wrijving tijdens deze ‘fiber pull-out’ neemt het materiaal energie op – een ander vertaaiingsmechanisme. Zou er een goede hechting zijn tussen vezel en matrix, dan zou de scheur uit de matrix zo door kunnen lopen in de vezel, en weer terug de matrix in, enzovoorts, zodat het materiaal alsnog bros zou breken.