Пористые порошковые материалы.

 

Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %).

Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200^oС, а материал в объеме – до 500…600^oС. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле – 0, 08…0, 15, при сухом трении – до 0, 7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:

а) основа – медь и ее сплавы – для рабочих температур 500…600^oС, железо, никель и сплавы на их основе – для работы при сухом трении и температурах 1000…1200^oС;

б) твердые смазки – предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;

в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

 

Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.

Они могут работать при температурах от –273^oС до 900^oС, быть коррозионностойкими и жаропрочными (можно очищать горячие газы). Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.

Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов: бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др. Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений. Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.

Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит.

 

Прочие пористые изделия.

 

“Потеющие сплавы “ – материалы, через стенки которых к рабочей наружной поверхности детали поступает жидкость или газ. Благодаря испарению жидкости температура поверхности понижается (лопатки газовых турбин).

Сплавы выпускаются на основе порошка нихрома с порами диаметром до 10…12 мкм при пористости 30 %. Сплавы этого типа используются и для решения обратной задачи: крылья самолетов покрывают пористым медно-никелевым слоем и подают через него на поверхность антифриз, препятствующий обледенению.

Пеноматериалы – материалы с очень высокой пористьстью, 95…98 %. Например, плотность вольфрама 19, 3 г/см³, а пеновольфрама – всего 3 г/см³. Такие материалы используют в качестве легких заполнителей и теплоизоляции в авиационной технике.

 

Конструкционные порошковые материалы.

 

Спеченные стали. Типовыми порошковыми деталями являются кулачки, корпуса подшипников, ролики, звездочки распределительных валов, детали пишущих и вычислительных машин и другие. В основном это слабонагруженные детали, их изготавливают из порошка железа и графита. Средненагруженные детали изготавливают или двукратным прессованием – спеканием, или пропиткой спеченной детали медью или латунью. Детали сложной конфигурации (например, две шестерни на трубчатой оси) получают из отдельных заготовок, которые насаживают одну на другую с натягом и производят спекание. Для изготовления этой группы деталей используют смеси железо – медь – графит, железо – чугун, железо – графит – легирующие элементы.

Особое место занимают шестерни и поршневые кольца.

Шестерни в зависимости от условий работы изготавливают из железо – графита или из железо – графита с медью или легирующими элементами. Снижение стоимости шестерни при переходе с нарезки зубьев на спекание порошка составляет 30…80 %. Пропитка маслом позволяет обеспечить самосмазываемость шестерни, уменьшить износ и снизить шум при работе.

Спеченные поршневые кольца изготавливают из смеси железного порошка с графитом, медью и сульфидом цинка (твердая смазка). Для повышения износостойкости делают двухслойные кольца: во внешний слой вводят хром и увеличивают содержание графита. Применение таких колец увеличивает пробег автомобильного двигателя, уменьшаеттего износ и сокращает расход масла.

 

Спеченные цветные металлы.

 

Спеченный титан и его сплавы используют в виде полуфабрикатов (лист, трубы, пруток). Титановый каркас пропитывают магнием. Такие материалы хорошо обрабатываются давлением.

Широко используются материалы на основе меди, например, изготавливают бронзо – графитные шестерни. Свойства спеченных латуней выше, чем литых, из-за большей однородности химического состава и отсутствия посторонних включений.

Спеченные алюминиевые сплавы используют для изготовления поршней тяжело нагруженных двигателей внутреннего сгорания и других изделий, длительное время работающих при повышенных температурах, благодаря их повышенной жаропрочности и коррозионной стойкости.

Керамикометаллические материалы (керметы) содержат более 50 % керамической фазы. В качестве керамической фазы используют тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, в качестве металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали.

Керметы отличаются высокими жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, прочностью. Они используются для изготовления деталей конструкций, работающих в агрессивных средах при высоких температурах (например, лопаток турбин, чехлов термопар). Частным случаем керметов являются твердые сплавы.

 

 

Лекция. Наноструктурные материалы. Классификация наноматериалов.

Наноструктурныематериалы (наноматериалы) – кристаллические материалы со средним размером зерен или других структурных единиц менее 100 нм и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Они состоят из наночастиц, которые представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

К ним относятся:

1.Фуллерены - молекулярные соединения, представляющие аллотропическую форму углерода (аллотропия – существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур). Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно 1 нм и напоминает футбольный мяч. Атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников.

 

молекула С₆₀ молекула С₇₀

 

Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри " оболочки". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен C₆₀ (в виде футбольного мяча), а также молекула С₇₀ ( в виде мяча регби).

 

2.Нанотрубки углеродные - цилиндрические молекулы с гигантским числом атомов углерода.

Они представляют собой графитовые сетки, свёрнутые в трубки, и могут быть открытыми и закрытыми, одностенными, двустенными и многостенными. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников, являющихся ячейками в плоском графитовом листе. На концах закрытых нанотрубок помимо шестиугольных ячеек, характерных для структуры графита, присутствуют пятиугольные ячейки.

Углеродные нанотрубки, фото которых представлены ниже, имеют необычную структуру. Они бывают разных форм и размеров: однослойные, двухслойные и многослойные, прямые и извилистые. Несмотря на то, что нанотрубки выглядят довольно хрупкими, они являются прочным и хорошо работают на растяжение и изгиб.

 

 

Однослойная нанотрубка

 

 

Двухслойная нанотрубка

 

 

 

 

Многослойная нанотрубка это несколько однослойных нанотубуленов, «одетых» одна на одну по принципу русской матрёшки

 

Методы получения нанотрубок. На сегодняшний день существуют следующие методы получения углеродных нанотрубок:

распыления, аблясация и осаждение из газовой фазы.

Распыление в дуговом разряде – получение в плазме электрического разряда, который происходит с применением гелия.

Аблясация –получение углеродных нанотрубок в результате испарения графита на нижней части реактора. Охлаждение и сбор их происходит при помощи охлаждающей поверхности.

Осаждение из газовой фазы– получение нанотрубок из паров углерода, полученных при взаимодействии углеродсодержащих газов (ацетилен, метан, этанол и аммиак) с катализатором виде мелких частиц металлов (кобальт, никель и др.) Данный способ получения нанотрубок является самым распространенным.

Углеродные нанотрубки применяются:

в качестве добавок к полимерам; катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и трубок в телекоммуникационных сетях; в качестве поглотителя электромагнитных волн; для преобразования энергии; изготовления анодов в различных видах батареек; хранения водорода; изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств.

Функционализация углеродных нанотрубок сводится к наделению полимеров проводящими свойствами. Коэффициент теплопроводности нанотрубок достаточно высок, поэтому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного массивного оборудования.

Важнейшей отраслью применения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи.

3.Фуллери́ ты — кристаллы, образованные молекулами фуллерена, имеющие гранецентрированную кубическую решётку со слабыми межмолекулярными связями.

 

 

 

Фуллерит является аллотропной модификацией углерода(C).

 

Крупнокристаллический порошок фуллерита C₆₀ в растровом электронном микроскопе

При нормальных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1, 417 нм, средний диаметр молекулы фуллерена С₆₀составляет 0, 708 нм, расстояние между соседними молекулами С₆₀ равно 1, 002 нм. Плотность фуллерита составляет 1, 7 г/см³, что значительно меньше плотности графита (2, 3 г/см³), и, тем более, алмаза (3, 5 г/см³). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые.

Применение фуллерита:

1.как исходный материал для получения алмаза

Совсем недавно было показано, что поликристаллический фуллерит можно превратить в алмаз при давлении всего лишь 2 * 10⁵ атм и при комнатной температуре. Пока же, как известно, для превращения поликристаллического графита в алмаз необходимо давление (3 - 5) * 10⁶ атм и температура 1200 °С.

Таким образом, фуллериты являются наиболее перспективным сырьем для синтеза самого твердого и дорогого материала - алмаза.

Он тверже алмаза, прочнее стали, замечательно упруг, горит только при очень высокой температуре. Его открыли двадцать лет назад, но получали до сих пор с большими трудностями. И вот недавно случился настоящий прорыв. Ученые из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ и МИСиС первыми в мире нашли способ с легкостью синтезировать фуллерит в любых количествах.

Конструкционные наноматериалы могут быть представлены наноструктурированными композитами.

Наноструктурированные композиты – материалы, в которых наноразмерные частицы наполнителя в небольшом количестве вводят в расплав материала матрицы (металл или полимер).

При этом наблюдается значительное увеличение механической прочности и достижение высоких функциональных свойств.

Эффект наноструктурирования чаще возникает при использовании наночастиц, имеющих протяженную и сложную по геометрии форму (нанотрубки, нановолокна, нанозвездочки и др.), а следовательно – более развитую поверхность. Содержание наноразмерного наполнителя в наноструктурированных материалах обычно составляет не более 5 масс.%.

Характер влияния наночастиц на свойства композиционных наноматериалов и направления их использования в значительной степени зависит от типа матрицы, в которой диспергируются наночастицы.

Классификация нанокомпозитных материалов:

– полимер-матричные нанокомпозиты;

– металл-матричные нанокомпозиты;

– стекло-матричные нанокомпозиты;

– керамические нанокомпозиты.

В настоящее время наиболее широко используются следующие виды наноразмерных наполнителей композитных наноматериалов:
1. Углеродные нанотрубки и нановолокна, включая простые, двойные и многостеночные нанотрубки; простые и графитизированные нановолокна.,

На рынке представлены различные виды относительно длинных (5-30 мкм), обычно – взаимопереплетенных, нанотрубок и нановолокон (диаметром 1-20 нм), а также короткие легко диспергируемые в различных средах нанотрубки и нановолокна длиной 0, 5-2 мкм и диаметром 20-50 нм.

 

Длинные нановолокна

2. Металлические, оксидные и гидроксидные нанотрубки.

Наиболее распространенными видами подобных нанонаполнителецй являются следующие: B₄C, BN, LaF₃, SiC, TiS₂, MoS₂, ZrS₂. Длина нанотрубок этого типа составляет от 3 до 30 мкм, внешний диаметр 25-100 нм, внутренний диаметр 10-80 нм.
Кроме того, на рынке представлены нанотрубки следующих оксидов и гидроксидов металлов: Y₂O₃, MgO, TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, др, имеющие длину 0, 2 -20 мкм, внешний диаметр 40-200 нм, внутреннийдиаметр 15-150 нм.

3. Короткие нановолокна и наностержни

В том числе металлические (Ag, Bi, In, Si), полупроводниковые (GaP, InP), нитридные (Si₃N₄) и оксидные (TiO₂).

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: