книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

Пористые материалы, в том числе алюминий, могут употребляться в качестве накопителей жидкости для последующей ее дозированной подачи, например, в пористых валках, в деталях подшипников скольжения (поры заполняют смазкой). При подаче газа через пористые материалы его можно в распределенном виде барботировать в жидкость или с помощью воздушной подушки создать поверхность скольжения (воздушный подшипник). Наконец, пористый алюминий благодаря своей теплопроводности используется в конструкциях пламягасителей.

4.3.2. Применение пористых непроницаемых материалов

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению, распиливанию и фрезерованию, а потому успешны для защиты от ударов в автомобилях, в качестве катализаторов в химии, в изготовлении топливных элементов, а также как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

В авиакосмической промышленности замена алюминиевыми пенными панелями дорогостоящих сотовых конструкций может сократить издержки производства (рис. 4.26). Алюминиевые пористые

Рис. 4.26. Биологически совместимый протез костной ткани и полые изделия с жесткостью за счет металлический пены

181

панели могут способствовать сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особое значение. Широкое поле применения

встроительстве открывается и для вспениваемых заготовок, которые могут, например, использоваться для закрепления штепсельных розеток в бетонной стене. Такая заготовка может быть помещена в отверстие в стене и подвергнута нагреву после монтажа розетки, в результате чего обеспечивается очень прочное соединение.

Возможно также создание конструктивных элементов с основой из алюминиевой пены, покрытой слоями алюминия, стали, пластмассы или углеродных волокон.

Прочность алюминиевых пористых панелей обусловливает возможность их использования в новых моделях облегченных автомобилей. В частности, они подходят для изготовления капотов, крышек багажников и люков, где требуется повышенная жесткость. Компания Karmann (Германия) проводит испытания многослойных алюминиевых панелей в автомобилях с кузовом «кабриолет».

Полагают, что металлическая «пена» может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях.

Изучается также возможность использования новых материалов

вкачестве звукоизоляции в автомобилях, так как они обладают важным преимуществом по сравнению с полимерными пенами – теплостойкостью.

Вмедицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Поэтому он идеально подходит для ее замещения. Использование композитных имплантатов из титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со сложными переломами костей. Ученые разработали биологически совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной кост-

182

ной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани.

Однако у алюминия есть и недостатки. Один из серьезных – алюминиевый лом трудно использовать повторно: в нем много различных легирующих добавок. При этом стальной лом целиком идет на вторичную переплавку. По этой причине на автозаводах используется лишь 35 % алюминия. Если еще учесть, что производство алюминия один из самых опасных загрязнителей природы, то широкая дорога в производство пены из этого металла кажется закрытой.

Наибольший интерес к пеноалюминию проявляют иностранные автомобилестроители. В 1998 г. на автошоу в Детройте Вильгельм Карманн представил новинку, в которой при изготовлении кузова использовались трехслойные алюминиевые листы с алюминиевой пеной (AFS – aluminium foam sandwich). Такой материал обладает высокой удельной жесткостью, малой термической и электрической проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения или демпфирования энергии. Низкая масса подобной конструкции уменьшает расход бензина. Кузов на 50 % легче соответствующего стального, но в 10 раз стабильней. Трехмерные многослойные структуры усиливают жесткость рамы, из них можно изготавливать также заднюю стенку кузова и сидения. Карманн предлагает идею безопасного автомобиля XXI в., в котором будут использоваться не плоские алюминиевые элементы, а трехмерные многослойные детали с пеноалюминием – от дверец до сложной группы днища. Такие детали очень легкие, их жесткость в 15 раз больше, чем у обычных листовых конструкций. Заметны преимущества пеноалюминия по шумоглушению при повышенных частотах (более 800 Гц).

Фирма Neuman Alufoam (Австрия) изготавливает из алюминиевой пены корпусные ненагруженные детали автомобилей и гасители бокового удара, которые закладываются в боковые дверцы. Плотность деталей из пеноалюминия – 0,5–0,6 г/см3. Отмечается, что закрытая внешняя оболочка, окружающая пористую структуру, обеспечивает многократно более высокую жесткость, чем структуры с открытой пористостью. Фирма выпускает также детали кузова

183

и ходовой части, работающие на изгиб и кручение для усиления их жесткости. Кроме того, пеноалюминий может использоваться в качестве литейных стержней. После литья они остаются в готовой фасонной отливке взамен пустот, которые предусмотрены для облегчения автомобиля, что дает определенные преимущества в прочности и уменьшает затраты на удаление обычных песчаных стержней.

Пеноматериалы фирмы Cymat в виде профилей прямоугольного сечения используются для амортизаторов дверец легковых автомобилей и аварийных перегородок. В отличие от сотовой конструкции алюминиевого материала пеноалюминий изотропен и может противостоять удару под любым углом.

Пеноалюминий применяется в строительстве в виде несгораемых перегородок и облицовочного материала.

Фирма Alulight International Gmbh, созданная недавно путем объединения капиталов ряда немецких и австрийских компаний, предлагает следующие виды изделий из материала аlulight, который представляет собой пеноалюминий плотностью от 300 до 1000 кг/м3:

•корпусные шумозаглушающие детали;

•электромагнитные экраны в виде настенных и потолочных плит, защищающих от проникновения или излучения электромагнитных волн частотой от 0,1 до 1000 МГц, а также корпуса электронных приборов;

•тепловые экраны;

•легкий строительный материал как несгораемую альтернативу дереву и пластмассам (может поставляться в виде плит с максималь-

ными размерами 625×625 мм, толщиной от 8 до 25 мм);

•гасители удара для автомобильного и рельсового транспорта;

•шумогасители, работающие в тяжелых условиях (высокая температура, влажность, пыль, вибрация), в стерильных или пожароопасных помещениях (самолетах, отелях, универмагах, промышленных зданиях). Пористый алюминий используется в конструкциях шумоглушителей, в которых путем декомпрессии шум, возникающий от выхода газа, уменьшается (например, в пневматических установках и компрессорах). Шумогасящие элементы, изготовленные из

184

неплотно спеченных порошков бронзы или стали, довольно дороги. Пористый алюминий, полученный литейным способом, может быть при изготовлении сочленен со сплошным металлом с резьбой, и соединение с выходом газа при этом становится простым. Первые технические испытания показали, что таким образом достигаются по крайней мере те же результаты, что и у спеченной бронзы.

На выставке Aluminium–2000 в Эссене была представлена новинка – плита из пеноалюминия с прочностью, подобной прочности армированного бетона. Фирма Alulight указывает следующие возможные области применения таких плит:

•строительство и архитектура (магазины, киоски, стеллажи, столы, мебель, выставочные стенды, внутренние и внешние фасады, разделительные перегородки, потолки и полы);

•транспорт и машиностроение (стенки рельсового транспорта, кораблей, системы безопасности и надстроек для легковых автомашин, авиаконтейнеры, троллеи, фундаменты машин, направляющие элементы, шумозащитные колпаки). Разработанные сотрудниками университета в г. Бойсе (штат Айдахо, США) и Северо-Западного университета (штат Иллинойс, США) сплавы никеля с марганцем

игаллием отличаются крупнопо-

обычное свойство – они удлиняются под действием внешнего магнитного поля до 10 % от исходной длины, при этом им присущ эффект памяти: они сохраняются в измененном состоянии сколь угодно

185

долго при снятии поля, но могут вернуться в исходное состояние при вращении магнитного поля на 90°.

Новый сплав получен в виде поликристаллического материала. Обычно такие материалы отличаются отсутствием пор, а их упругие свойства и способность к деформации в целом очень незначительные. Новый материал с «магнитной памятью формы» получен путем заливания расплава в образец из соли алюмината натрия, имеющего внутри поры. Затем алюминат натрия растворяют с помощью кислоты, и там, где были заполненные им фрагменты, образуются большие поры. Этот материал подвергали различным испытаниям, в частности, вращающимся магнитным полем. После 10 млн оборотов в магнитном поле материал сохранял свои способности к упругой деформации, что делает его вполне пригодным для использования в различных системах магнитного привода. Разработчики считают, что есть еще резервы для дальнейшего усовершенствования подобных систем.

Пористая структура материала (и, соответственно, малая плотность) и его реакция на магнитные поля подсказывают различные перспективы его использования в таких отраслях, как автомобилестроение, авиация и космонавтика, биомедицинские насосы без движущихся частей, различные устройства для контроля малых перемещений.

Имеются планы использования алюминиевой «пены» в качестве адапторов сопротивления в акустических приборах, а также для изготовления датчиков для осуществления измерений в горячей или агрессивной среде.

Цинковая «пена» может найти применение в качестве держателя активного материала в свинцово-кислотных аккумуляторах, что делает возможным создание сверхлегких электродов. «Пена» на основе серебра или золота имеет потенциал для использования в ювелирной промышленности.

В будущем развитие технологии может обеспечить получение изделий с открытой пористой структурой, что откроет новые области применения металлической «пены», в частности в теплообменниках, фильтрах и носителях катализаторов.

186

Разработка процессов получения «пены» таких металлов, как сталь и титан, может включить в сферу применения пористых металлов области, где требуется высокая теплостойкость и прочность. В силу хорошей совместимости таких металлов с биотканями они могут найти применение в изготовлении протезов (в частности, титановая «пена»).

Контрольные вопросы

1.Дайте классификацию высокопористых материалов.

2.Опишите структуру, свойства и методы исследования свойств высокопористых материалов.

3.Где используются высокопористые материалы?

4.Опишите технологии производства высокопористых материалов с закрытой пористостью.

5.Какие технологии производства высокопористых материалов

соткрытой пористостью существуют?

6.Какие технологии получения волокон и волоконных материалов вы знаете?

7.В чем сущность технологии получения мембран?

187

Глава 5 СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

5.1. Структура сверхтвердых материалов

Твердость – свойство материала оказывать сопротивление вдавливанию в него более твердого недеформируемого наконечника (индентора).

В 1811 г. Моосом была предложена шкала для определения твердости различных материалов, в соответствии с которой некоторые материалы принимают за эквивалент твердости, где вторым по твердости после алмаза был корунд: алмаз – 10; корунд (Al2O3) – 9;

кварц – 7; апатит Ca10(F, Cl)2(PO4)6 – 5; кальцит CaCO3 – 3; тальк (Mg/Fe/Ni)3(Si4O10)(OH)2 – 1.

Сверхтвердые материалы – моно- и поликристаллические вещества, микротвердость которых больше микротвердости корунда. Из природных сверхтвердых материалов (СТМ) существует только алмаз, все остальные – синтетические материалы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Синтетические сверхтвердые материалы с твердостью выше, чем у корунда

Необходимость увеличения производства СТМ обусловлена следующими факторами:

• Появление новых труднообрабатываемых материалов (керамика, жаро- и коррозионно-стойкие сплавы, угольные волокна).

188

•Ужесточение требований к качеству поверхностей (шероховатость, точность размеров). Только СТМ позволяют проводить обработку материалов при минимальной температуре в зоне резания, исключая дефектность и изменение в структуре. Также СТМ позволяют сократить затраты времени на обработку.

•Необходимость экономии вольфрама.

Свойства класса СТМ обеспечивают:

•направленная ковалентная связь атомов в кристаллической решетке;

•высокая локализация валентных электронов и образование наиболее энергетически устойчивых электронных конфигураций на субатомном уровне;

•симметричное строение атомных связей в кристалле;

•число ковалентных связей не менее трех.

Таким условиям по своему строению удовлетворяют следующие элементы: Be, B, C, N, O, Al, Si, P.

Зависимость твердости материала от его химического состава, выраженная графически, называется пирамидой твердости (рис. 5.1). Наиболее прочные и твердые из веществ являются соединениями этих элементов с переходными металлами: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W.

Рис. 5.1. Пирамида твердости для неметаллов

189

Твердость и ее связь с другими характеристиками может быть выражена суммой действующих в месте контакта сил:

H = H упр + Hпл + Hтр + Hповерх,

где Hупр – сила упругости; Hпл – сила пластического деформирования; Hтр – сила трения; Hповерх – сила поверхностного натяжения.

где K1, K2, K3, K4 – коэффициенты пропорциональности; G – модуль сдвига; γ – свободная поверхностная энергия; b – вектор Бюргерса – параметр, характеризующий дефектность структуры, расстояние, на которое смещена дислокация; d – межатомное расстояние; d0 – расстояние между атомами в соседних плоскостях сдвига; L – критическая длина трещины; Е – модуль упругости.

Выразим E, G, γ через характеристики кристаллического строе-

ния:

где Е0 – энергия межатомных связей; ac – уровень ковалентности. Таким образом, твердость вещества может быть аналитически

выражена через энергию межатомных связей, уровень ковалентности, межатомное расстояние, характеристики сопротивления деформированию (b) и разрушению (L). Из уравнения следует, что межатомные расстояния в сверхтвердых материалах должны быть малыми, ковалентные связи – жесткими и направленными, число связей больше 3, упаковка должна быть наиболее плотной.

Связь структуры и свойств СТС на примере углеродных ма-

териалов. Углерод (С) – шестой элемент Периодической системы Менделеева, атомная масса – 12 а.е.м. Проявляет свойства металлов

190