Конструкционная металлокерамика с пониженной температурой спекания - один из наиболее перспективных материалов современной техники. Она обладает рядом ценных свойств, присущих как керамике (твердость, высокая прочность, малая ползучесть), так и металлу (высокая теплопроводность, электропроводность, стойкость к ударным нагрузкам).

Одним из направлений создания композитов является совмещение неметаллической матрицы с металлическим наполнителем. Получаемый строительный материал экономически выгоден, обладает низкой теплопроводностью, повышенными износостойкостью и демпфирующими свойствами.

Нами предложена идея получения керамических композиционных материалов с содержанием металлического наполнителя до 20% методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом. Особенностью получаемого материала является то, что вводимый на стадии приготовления сырьевых масс металл не только исполняет роль наполнителя, но и участвует в стадиях структурообразования композита.

Керамика характеризуется низкой прочностью при растяжении в сочетании с высоким модулем Юнга, низкой ударной вязкостью. При высоких температурах одной из причин выхода из строя изделий из керамики является растрескивание. Введение металлического наполнителя позволяет получить интересное сочетание важнейших эксплуатационных характеристик - высокой прочности (включая диапазон высоких температур), усталостной прочности и др. Основные преимущества таких композиционных материалов связаны с высокими температурами эксплуатации (что характерно для керамики) при одновременном значительном повышением прочностных свойств.

При выборе металлического наполнителя предпочтение было отдано алюминию, так как он относительно дёшев, кроме того, обладает хорошей пластичностью и податливостью, низкой температурой плавления (660°С). В качестве матрицы использовали каолинитовые глины. Керамическая матрица способна в процессе обжига изделия привести к протеканию физико-химических реакций между компонентами, что позволяет получить материал с заданными эксплуатационными характеристиками.

Одной из главных проблем возникших при получении композиционного материала предложенным методом явилось достижение совместимости гидрофильных глин с гидрофобным металлическим наполнителем. При этом необходимо было решать две задачи: обеспечение прочной связи между компонентами и предотвращение выплавов алюминия на стадии обжига, так как последний при спекании практически в любой среде окисляется, и дальнейшее уплотнение образца зависит, в среде прочих факторов, и от фазовых трансформаций вновь образовавшегося оксида.

Физико-механические свойства получаемых материалов в большой степени зависят от вида адгезионного взаимодействия матрицы и наполнителя. В зависимости от физико-химических свойств отдельных компонентов и механизма образования связей на границе раздела фаз адгезионное взаимодействие можно разделить на три группы. Это механическая адгезия, обусловленная отсутствием химического взаимодействия и образующаяся при механическом сцеплении матрицы с поверхностью наполнителя; физическая адгезия, обусловленная взаимодействием электронов на атомном уровне; физико-химическая адгезия, определяемая необратимым смачиванием матрицы наполнителем, их взаимным растворениями и возможным последующим образованием химических соединений или твёрдых растворов[1].

Физико-химическое взаимодействие между металлической матрицей и неметаллическими наполнителями в металлокерамических композициях в процессе их изготовления и службы является одним из главных аспектов проблемы совместимости. При этом необходимо решать две задачи: обеспечение прочной связи между компонентами и предупреждение недопустимого развития на их границе процессов деградации. Задача осложняется тем, что механизмы образования адгезионных соединений на границе металл-неметалл в настоящее время недостаточно изучены. Однако их исследование необходимо для разработки новых композиционных строительных материалов с заранее заданными механическими эксплуатационными свойствами.

Введение в небольших количествах добавок, которые химически взаимодействуют, как с металлом, так и с керамикой, в значительной мере способствует образованию прочной связи между разными по химической природе частицами[2]. В наших исследованиях для обеспечения совместимости матрицы с металлическим наполнителем и создания однофазной структуры получаемого композита проводилась активация поверхности глин механической обработкой, термической и химической модификацией. Так как расплав алюминия плохо совмещается с частицами глины, то для улучшения смачиваемости в глину вводили поверхностно активные вещества (ПАВ) в количестве 0,1-1%. Химическая модификация глин ионами Аl³⁺ из водных растворов и термомеханическая модификация алюминиевой матрицы с одновременным диспергированием позволила увеличить содержание алюминия в композите до 20 %, при этом избежать выплавов металлов и разрыхления структуры прослойками нестабильного оксида алюминия, снизить температуру образования жидкой фазы на 80 - 120°С, а также сместить максимумы на кривых вязкости в область более низких температур.