книги / Нанотехнологии и специальные материалы

Из определения КМ следует, что они представляют собой ге­ терогенные системы из двух или большего числа разнородных по структуре и свойствам компонентов с четкой границей раз­ дела между ними. В качестве упрочняющих фаз могут исполь­ зоваться волокна (волокнистые композиционные материалы — ВКМ), фольга или полосы (слоистые композиционные материа­ лы - СКМ).

Взависимости от состава матричной основы волокнистые композиционные материалы могут иметь металлическую матрицу (металлические композиционные материалы — МКМ) или поли­ мерную матрицу (полимерные композиционные материалы — ПКМ).

Вотличие от ДКМ, в волокнистых материалах основную на­ грузку испытывают волокна, вследствие чего прочность ВКМ прежде всего зависит от прочности волокна.

Матрица в ВКМ цементирует волокна в единое тело опреде­ ленной формы, защищает их от механического повреждения и от окисления. Такая матрица поддается значительному упрочнению

иучаствует в создании несущей способности, являясь средой, передающей нагрузку на волокна, а при разрушении волокна перераспределяет напряжения между соседними волокнами. Ме­ таллами, удовлетворяющими этим свойствам, являются алюми­ ний, магний, титан, медь, никель и кобальт, а также некоторые сплавы.

При выборе упрочняющих волокон необходимо учитывать

коэффициент теплового расширения матрицы и волокон, геомет­ рию и ориентацию волокон в матрице. Материал волокна должен обладать химической стойкостью, иметь высокую температуру плавления, малую плотность и высокую прочность во всем рабо­ чем температурном интервале, малую растворимость в материале матрицы, не образовывать с ней малопрочных и хрупких фаз. При наличии жидкой фазы при спекании или пропитке распла­ вом волокна должны хорошо смачиваться, а при ее затвердева­ нии обеспечивать хорошее сцепление с матрицей. В процессе производства изделий и эксплуатации материал должен быть не­ токсичным.

В качестве материала волокон применяют металлическую проволоку, нитевидные кристаллы металлов, волокна карбидов кремния, бора, углерода, кварца, оксидов. При использовании в качестве упрочняющей фазы волокон из стали и тугоплавких ме­ таллов применяют проволоку, рассеченную на кусочки опреде-

ленной длины, а также ткани, сетки, изготовленные из металли­ ческих проволок. Обычно диаметр волокна колеблется от 10 до 2000 мкм, а длина от 2—3 мм до нескольких десятков милли­ метров.

Ответственной операцией является смешивание, т. е. получе­ ние однородной смеси с равномерно распределенными компонен­ тами.

Наиболее равномерное распределение составляющих компо­ нентов достигается при химическом смешивании методом осажде­ ния на поверхности волокон матричного материала из растворов химических соединений.

После механического и химического смешивания смесь слегка подсушивают при температуре 100—110 °С на воздухе, а в случае возможного окисления —в защитной среде.

Особенностью МКМ является равномерное распределение с повторяющейся геометрией высокопрочных и высокомодульиых волокон в матрице. Оптимальной ориентировкой считается рас­ положение волокон в направлении основного усилия. Если боль­ шинство волокон расположено под углом, например, 45° к на­ правлению усилия, то упрочнение составит только 75—80 % мак­ симальной прочности волокон. Поэтому при создании МКМ большое внимание уделяется технологии формования заготовок и готовых изделий.

Однонаправленная ориентированная волокнистая структура может быть получена при экструзии и прокатке. При экструзии путем продавливания смеси через матрицу определенного профи­ ля получают заготовки труб, прутков и т. п. а при прокатке — заготовки больших размеров по длине и ширине.

Формирование МКМ заканчивается спеканием заготовок в защитной среде при оптимальных температурно временных ре­ жимах, обеспечивающих достаточно прочную связь волокон с матрицей без их заметной взаимной растворимости. Температура спекания обычно составляет 0,7—0,8 Г„л (температуры плавле­ ния) основы матричного материала.

Из ВКМ наибольшее применение находят материалы на ос­ нове алюминия и его сплавов. Это объясняется сравнительно низкой стоимостью алюминия, доступностью и широким распро­ странением алюминиевых сплавов в технике, разнообразием их механических свойств, которые с помощью термической обработ­ ки могут регулироваться в широких пределах. В качестве упроч­ няющей фазы используют волокна из стали, молибдена, вольф­ рама, борсика (волокна бора, покрытые SiC), карбида кремния, углерода, оксида алюминия, а также из стекла и кварца. При из-

готовлении полуфабрикатов и изделий применяют горячее прес­ сование, пропитку расплавом, плазменное напыление, экструди рование, прокатку и т. п.

При прочности на разрыв более 1000 МПа ВКМ на основе алюминия при использовании волокон из мартенситностареющих сталей могут дополнительно повышать свою прочность за счет закалки с последующим старением. С целью повышения рабочих температур (до 550—600 °С) в качестве матричного материала мо­ гут использоваться ДКМ типа САП-1. Получают изделия на ос­ нове МКМ алюминий —сталь диффузионной сваркой, горячим прессованием, пропиткой, прокаткой, экструзией и т. и. При ар­ мировании волокнами из углеродистых и низколегированных ста­ лей используют импульсные методы формования (динамическое горячее и взрывное прессование).

МКМ А1—В сочетают высокую прочность и жесткость с ма­ лой плотностью и конструктивной надежностью, имеют высокие электро- и теплопроводность, пластичность, ударную вязкость и абразивную стойкость. На них легко наносятся покрытия, они поддаются термической обработке, невоспламеняемы, влагоустой­ чивы. Конструкции из этих КМ способны работать в широком диапазоне температур.

Волокна бора, отличаясь высокой прочностью и жесткостью, при повышенных температурах вступают во взаимодействие с алюминием, что отрицательно отражается на свойствах КМ. Для уменьшения взаимодействия волокна бора покрываются барьерными покрытиями: карбидом кремния или нитридом бора.

Механические свойства зависят от свойств упрочняемой фазы и матрицы, их относительного содержания, от диаметра и на­ правления укладки волокон, а также условий изготовления. Так,

держания борных волокон и даже при 250 °С значительно пре­ вышает предел выносливости стандартных сплавов при комнат­ ных температурах.

По прочности KM А1—В значительно превосходит алюминий и его сплавы. Так, если прочность на растяжение алюминия рав­ на 70—140 МПа, то прочность KM А1—В при содержании 20 и 50 % волокон при тех же температурах соответственно равна 500—650 и 1100—1400 МПа. Из КМ на основе А1—В производят листы, плиты, трубы, уголки и изделия другого профиля.

Когда в качестве связующего волокон применяют полимер­ ные матрицы, КМ называют армированными и обозначают ПКМ.

Они характеризуются низкой плотностью, высокими удельной прочностью и жесткостью, химической и радиационной стойко­ стью, стабильными электрическими свойствами в широком интер­ вале температур.

Композиционные материалы на полимерной основе широко применяют в защитных конструкциях от ионизирующих излуче­ ний. В этом случае в качестве основы применяют эпоксидные смолы, а в качестве наполнителя — порошки свинца, оксиды свинца, вольфрама, молибдена. Материалы этой группы исполь­ зуются для жесткой монолитной защиты помещений, обслужи­ вающего персонала АЭС. Применяются они также в качестве восстановительных материалов при ремонте защитных конструк­ ций. В качестве наполнителей в этом случае используют свинец, свинцово-медные сплавы, эпоксидно-свинцовую пасту.

При изготовлении гибкой защиты, например защитных про­ тиворадиационных комбинезонов, применяют гибкие защитные материалы — просвинцованную стеклоткань, резину. Удовлетво­ рительной радиационной стойкостью обладает резина с высоким содержанием водорода и порошкового бора. Этот композит эф­ фективен при нейтронной защите и длительно выдерживает тем­ пературу до 90 "С.

Недостатками резины, используемой для изготовления за­ щитной спецодежды, являются быстрое старение (растрескива­ ние) и низкие санитарно-гигиенические качества.

Наиболее эффективным материалом для замедления и погло­ щения ионизирующих частиц является полиэтилен. Он имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов (у полиэтилена оно

дуктов ядерных взаимодействий. Широкое применение находит ма­ териал на основе полиэтилена, содержащего до 70 % ВаС. В связи с его низкой прочностью он используется в виде усиленных тка­ нью листов.

7.5.3. КЕРМЕТЫ

Разновидностью дисперсноуирочиенных материалов являются керметы — гетерогенные композиции одной или нескольких ке­ рамических фаз с металлами или сплавами. В отличие от ДКМ, в керметах относительное содержание металлических и керамиче­ ских составляющих не ограничено и определяется заданным уровнем свойств, поэтому количество керамической составляю­ щей может колебаться от 15 до 85 % (об.). В составе могут при­ меняться любые металлы и сплавы. Керамическая составляющая

может быть на основе оксидов и бескислородных соединений. Исходя из этого, керметы подразделяются по виду неметалличе­ ских составляющих: оксидные (оксид —металл), карбидные (кар­ бид —металл); нитридные (нитрид —металл); боридные (борид —металл); алюминидные (алюминид —металл) и силицидные (силицид —металл).

Неметаллические составляющие придают материалу требуе­ мые эксплуатационные свойства: твердость, жаропрочность, из­ носостойкость. Металлическая составляющая объединяет твер­ дые частицы в кермете в единое тело, обеспечивая необходи­ мую прочность и пластичность. Поэтому свойства кермета зависят от свойств матрицы, твердой фазы, их объемного соот­ ношения, термической совместимости и адгезии между ними на границе фаз.

Широкое применение нашли керметы на основе карбида вольфрама, содержащие более 30 % никеля и других металлов. Они термостойки и выдерживают условия работы в реактивных двигателях.

Перспективным является также применение керметов на ос­ нове карбида кремния и карбида бора. Получается кермет спека­ нием под давлением при температуре 2000 *С. По сравнению с другими материалами такой кермет наиболее прочен (ст,иг = 200— 300 МПа, осж = 1300 МПа), отличается высокой коррозионной стойкостью, до 1000 °С практически не окисляется на воздухе. Невысокий коэффициент трения при смазке водой позволяет ре­ комендовать кермет для изготовления подшипников.

Износостойкость этого кермета в струе сухого абразива в че­ тыре-пять раз превышает износостойкость твердого сплава типа ВК и в 1000 раз — износостойкость стали 45. Из кермета изго­ тавливают кольца, конусные втулки, насадки для пневмонасо­ сов, сопла для дробе- и пескоструйных аппаратов, подшипники и т. п., а также детали машин и приборов, работающих в усло­ виях агрессивных сред при нормальных и повышенных темпе­ ратурах.

При производстве керметов на оксидной основе широкое применение находит оксид алюминия, комплекс свойств которого обеспечивает возможность его широкого использования. Среди керметов на оксидной основе наиболее широко используются керметы состава АЬОз—Сг, характеризующиеся высокой прочно­ стью, термостойкостью, достаточной для их применения в реак­ тивных двигателях.

Силициды используются в технике в основном благодаря их высокой стойкости против окисления при повышенных темпера-

турах, высокой температуре плавления, стойкости к действию расплавленных металлов и шлаков, кислот, различных агрессив­ ных газов.

Особенно большим сопротивлением окислению при сильном нагреве обладает дисилицид молибдена. Это объясняется образо ванием на его поверхности стекловидного защитного слоя, пре­ пятствующего дальнейшему окислению при нагреве. Изделия из силицидов молибдена и молибденовые изделия с силицидными покрытиями могут работать длительное время при температурах до 1700 °С в окислительных средах и на воздухе в качестве на­ гревательных элементов высокотемпературных печей сопротивле­ ния, сопел реактивных двигателей и т. п. Защитная пленка на дисилициде молибдена обеспечивает также устойчивость к окис­ лению при работе в атмосфере хлористого водорода, углекислого газа и сернистого ангидрида.

7.5.4. ПСЕВДОСПЛАВЫ

Псевдосплавы (ПС) —это композиционные материалы, полу­ чаемые в результате объединения в одном материале двух или более металлических компонентов, резко различающихся но фи зико-химической природе, температурам плавления и практиче­ ски не образующих ни растворов, ни химических соединений, что не позволяет получать металлические сплавы на их основе по стандартным металлургическим технологиям. Г1С —это продукты порошковой металлургии. Псевдосплавы могут быть получены путем прессования и последующего спекания в присутствии жид­ кой фазы или путем пропитки пористого спеченного каркаса из тугоплавкого компонента расплавом более легкоплавкого. В зави­ симости от метода получения ПС могут иметь либо матричную структуру, либо каркасную. Конструкция структуры определяет­ ся назначением и требованиями, предъявляемыми к ПС.

Среди ПС наибольший интерес представляют КМ на основе тугоплавких металлов вольфрама и молибдена, пропитанных ме дью или серебром. Оба металла с медыо и серебром практически не образуют пи жидких, ни твердых растворов и соединений. Поэтому единственным методом получения КМ на основе систем W—Си, W—Ag, Mo—Си и Mo—Ag является порошковая метал­ лургия.

При изготовлении КМ на основе псевдосилавов W—Си, W— Ag пропитку спеченного пористого вольфрамового каркаса про­ изводят при 1200—1300 °С. С повышением температуры пропитки смачиваемость улучшается. В результате пропитки реализуется каркасная структура.

Время пропитки выбирается исходя из объема заготовки, дисперсности частиц вольфрамового порошка, пористости карка­ са и температуры пропитки. Чем дисперсиее исходные частицы порошка, тем мельче норы и тем труднее проходит пропитка. С увеличением температуры время пропитки уменьшается.

Промышленное применение имеет Г1С на основе W—Си мар­ ки ВНДС-1 с вольфрамовым каркасом, легированный 0.1 % ни­ келя, который, активизируя процесс спекания, делает возможным производство тонкостенных круглых изделий при сравнительно низких температурах спекания каркасов — 1450—1550 °С. Введе­ ние до 1 % никеля позволяет понизить температуру спекания вольфрамового каркаса до 900—1000 °С.

Псевдосплавы на основе систем W—Си, W—Ag находят ши­ рокое применение при производстве электроконтактов

Хотя композиционные материалы на основе псевдосплавов W—Си, W—Ag и обладают высокой окалпностоикостыо, но по условиям работы изделий этого может быть недостаточно. В этом случае наряду с введением до 1 % никеля спеченные изделия подвергают хромированию при температуре 1250 °С в течение 2 ч в атмосфере водорода.

Варьируя содержание составляющих ПС, можно в широких пределах изменять их свойства. Так, увеличение содержания ме­ ди от 30 до 65 % (об.) в ПС с пропитанной каркасной структурой повышает прочность от 270 до 560 МПа.

В зависимости от состава относительное удлинение изменяет­ ся в пределах 0,9—1,1 %; ударная вязкость практически не зави сит от состава и находится на уровне 1,0—1,2 Дж/см"

Композиционные материалы на основе псевдосилавов W—Си, W—Ag применяют в ракетной технике для изготовления сопло­ вых вкладышей ракетных двигателей, работающих на твердом топливе, и ряда других детален, эксплуатирующихся в условиях воздействия мощных тепловых потоков. В этих случаях легко­ плавкая составляющая, расплавляясь и испаряясь, приводит к значительному понижению рабочих температур изделия за счет охлаждения его по механизму ’’выиотевания”

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Альтман /О. Военные технологии. М.: Техносфера, 2006. 424 с.

Ананян М. А., Омаров М. А. / / Рос. Вести. 2004. № 11 (1719). С. 7-10.

Андриевский Р. А., Рагуля Р. В. Наноструктурные материалы. М.. Академия, 2005. 192 с.

Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 308 с.

Бланк В. Д., Буга С. Г / / Наука и жизнь. 1995. № 10. С. 61— 64.

Бузник В. А'/., Фомин В. М., Алхимов А. П. и dp. / / Металлопо­ лимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 289 с.

Т. 380, № 1. С. 91-112.

Генералов М. Б. Крнохимическая нанотехнология. М: ИКЦ Академкнига, 2006. 325 с.

Дьячков П. II. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, при­ менение. М.: БИНОМ, 2006. 293 с.

Т. 165, №9. С. 977-1009.

Елинсои В. М., Сергеева H. С., Свиридова А. К. и др. Биоактив­ ные системы на основе полимеров с наноструктурнрованной по­ верхностью / / Высокие технологии в промышленности России. М. 2006. С. 93-99.

Журавлев В. Н., Путан В. Г Сплавы с термомеханической памя­ тью и их применение в медицине. Екатеринбург: Уральское от­ деление РАН, 2000. 150 с.

Золотухин И. В. / / Сорос, образоват. жури., 1996. Т. 2, № 2. С. 51-56.

Корсаков В. Г.} Сырков А. Г., Велютин Л. П. Физика и химия — в нанотехнологиях. СПб.: РТП ИК ’’Синтез” (СПбГТИ (ТУ)). 2002. 64 с.

Лякишев Н. П., Алымов М. И. / / Российские нанотехнологии. 2006. T. 1. С. 71-81.

Мастеров В. Ф. / / Сорос, образоват. жури. 1997 Т. 3, № 1. С. 2-97

Меретуков М. А., Пепин М. А., Воробьев С. А., Сырков А. Г.

Кластеры, структуры и материалы наноразмера. М.: Изд. дом ’’Руда и металлы” 2005. 128 с.

Металловедение и технология сверхпроводящих материалов / Под ред. С. Фонера, Б. Шварца: Пер. с англ. М.: Металлур­ гия, 1987 560 с.

Миели М. Г. Сверхпроводимость в современном мире. М.: Про­ свещение, 1991. 169 с.

Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М. К. Роко, P. С. Уильямса, П. Альвиатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. 293 с.

Научные школы МИСИС. 75 лет: Сб. научн. трудов. М.: МИСИС, 1997.

Новые материалы / Колл, авторов; Под ред. 10. С. Карабасова. М.: МИСИС. 2002. 736 с.

Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. М.: Металлургия, 1990. 224 с.

Пул Ч., мл., Оуэнс Ф. Нанотехнологии: Пер. с англ. М.: Техно­ сфера, 2006. 336 с.

Сидоров Л. И. Сорос, образоват. жури. 1998. Т. 4, Ns 3. С. 65— 71.

Солнцев /О. П., Ермаков Б. С., Пирайнен В. /О., Технология конструкционных материалов. СПб.: Хнмиздат, 2006. 504 с.

Солнцев Ю. П., Пирайнен В. Ю., Вологжанина С. А. Материа­ ловедение специальных отраслей машиностроения. СПб.: Химнздат, 2007 750 с.

Солнцев /О. Г1., Пряхин Е. И. Материаловедение. 4-е изд. СПб.: Химиздат, 2007 784 с.

Судзуки К., Судзуки X., Хасимото К. Аморфные металлы: Пер. с яп. М.: Металлургия, 1987. 323 с.

Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматерналов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.

Фалъковский В. А., Клячко Л. И. Твердые сплавы. М.: Изд. дом ’’Руда и металлы”, 2005. 378 с.

Черногорова О. Л. и др. / / Металлы. 2005. № 3. С. 61—65.

Шевченко В. Я., Баринов С. М. Прочность технической керами­ ки. М.: Наука, 1999. 256 с.

Шпилевский М. Э., Шпилевский Э. М., Стрельман В. Ф. /У

Инж.-физ. журн. 2001. Т. 74, № 6. С. 31—35.