Объемные наноматериалы. Учебное пособие

Волков Г.М.

Возрастное ограничение: 12+ Жанр: Наука Издательство: Проспект Дата размещения: 02.10.2013 ISBN: 9785392132959 Язык: Объем текста: 176 стр. Формат: epub

Оглавление

Предисловие

Введение

Глава 1. Основы нанотехнологии

1.1. Влияние дисперсности на свойства вещества

1.2. Физико-химические основы наноэффекта

1.3. Критический диаметр наночастиц

1.4. Целевые продукты нанотехнологии

Глава 2. Наночастицы. 2.1. Наночастицы семейства фуллеренов

2.2. Техническое применение наноразмерных частиц

Глава 3. Объемные материалы традиционной технологии. 3.1. Критерии оценки конструкционных свойств

3.2. Сырьевые ресурсы

3.3. Технический потенциал

3.4. Перспективы нанотехнологии

Глава 4. Объемный наноматериал. 4.1. Моностадийное формирование объемного наноматериала

4.2. Машиностроительный потенциал

4.3. Биоинженерный потенциал

Глава 5. Объемный материал с добавкой наночастиц. 5.1. Основы конструирования

5.2. Механика нанокомпозитов

5.3. Матрица объемных нанокомпозитов

5.4. Контактное взаимодействие компонентов

5.5. Техническое применение

Глава 6. Объемный наноструктурированный металл. 6.1. Основы фрагментирования структуры металлов

6.2. Наноструктурированные металлы

6.3. Порошковые наноматериалы

Приложение. Организация практических занятий по изучению предмета «Объемные наноматериалы»

Теоретический семинар «Нанотехнология»

Лабораторная работа «Наноматериалы»

Глоссарий

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

ГЛАВА 3.
ОБЪЕМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТРАДИЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

3.1. Критерии оценки конструкционных свойств

Материалом называют твердое тело макроскопических размеров с известными нам свойствами и определяющими их составом и строением. В отличие от вещества материал на его основе обладает комплексом свойств в макрообъеме, достаточном для их технического использования в конструкции машин и оборудования. В большинстве случаев практическое применение в технических устройствах находит именно материал, а не составляющее его вещество.

С помощью определенных технологических приемов материал может быть сформирован или в виде функционального покрытия на детали из другого материала конструкционного назначения, или в виде объемного материала, из которого может быть изготовлена деталь того или иного технического устройства. Объемные материалы являются основой машиностроения, без использования объемных материалов невозможно функционирование ни одной отрасли материального производства. Наличие или отсутствие объемных материалов современного уровня определяет статус любого государства.

Классификационным признаком объемного материала является его работоспособность в качестве самонесущей детали, для чего он должен обладать определенным комплексом свойств. Соответствие свойств объемного материала условиям эксплуатации конкретной детали в реальных производственных условиях оценивают путем исследования его прочностных, физических и химических характеристик, которые предопределены приданной материалу структурой.

Структура. Свойства материала зависят от пространственной ориентации его составляющих, которую обозначают единым термином — «структура». На рисунке 3.1 представлена классификация структуры материалов.

Рис. 3.1. Классификация структуры материалов

Атомарный уровень структуры характеризует свойства химического элемента. Мы уверенно отличаем, например, золото от серебра, в частности, по цвету. Менее уверенно можем отличить медь от золота, поскольку по оптическим свойствам они схожи. Для отождествления этих химических элементов следует воспользоваться другими методами анализа, например определить их плотность (золото имеет плотность 19,3 г/см3, а медь — 8,9 г/см3) или исследовать их взаимодействие с азотной кислотой: золото с этим реагентом не взаимодействует, а медь вступает в химическую реакцию.

Классификация химических элементов по строению ядра атомов и числу электронных оболочек ядра представлена в Периодической системе элементов, предложенной великим русским ученым Д.И. Менделеевым.

Кристаллический уровень структуры определяет свойства вещества, полученного из данного химического элемента. Из одного и того же химического элемента могут состоять вещества с диаметрально противоположными свойствами.

Мы легко отличим алмаз и графит. Алмаз является эталоном твердости, а графит очень мягок — мы пишем карандашом с графитовым стержнем. Однако эти вещества с резко отличающимися свойствами по атомарной структуре одинаковы: как алмаз, так и графит состоят из атомов углерода. Но в алмазе атомы углерода организованы в объемную тетрагональную, а графит имеет плоскую гексагональную кристаллическую решетку, что предопределяет различие их свойств.

Надмолекулярной (надкристаллической) структурой называют видимое строение материала, сформированное в результате взаимосогласованной укладки структурных элементов материала — соответственно молекул, кристаллов или кристаллитов. Кристаллитами называют несовершенные кристаллы.

Характерным элементом надмолекулярной структуры полимеров являются глобула (рис. 3.2, а) и пачка (рис. 3.2, б). Глобула представляет собой свернутые в клубок цепи макромолекул полимера или их агрегатов. Пачка состоит из параллельно расположенных цепей, причем суммарная длина пачки как правило превышает длину отдельных цепей макромолекул полимера.

Рис. 3.2. Схема надмолекулярных образований полимеров:

а — глобула; б — пачка; в — сферолит

Глобула является энергетически более выгодной формой надмолекулярного образования: она имеет минимум свободной энергии и поэтому термодинамически более устойчива.

Выделяющаяся в процессе полимеризации пачка макромолекул обладает анизометричной формой. Поэтому в случае гетерогенной полимеризации энергетически более выгодно ее расположение параллельно реакционной поверхности. Взаимосогласованная ориентация макромолекул относительно реакционной поверхности создает все многообразие надмолекулярных структур полимеров. В данном случае термодинамически более устойчивой формой надмолекулярного образования является сферолит (рис. 3.2, в), сформированный тангенциально расположенными пачками макромолекул. Сферолитные структуры типичны для многих полимеров.

Экспериментально установлено, что прочность торцевого контакта макромолекул более чем на порядок превышает прочность бокового контакта. Это открывает возможность управления прочностью полимеров.

Примером практической реализации влияния надмолекулярной структуры на прочность может служить ориентационное упрочнение полимеров. В процессе вытяжки полимеров при повышенных температурах макромолекулы ориентируются параллельно направлению приложения нагрузки. Полученная структура полимера затем фиксируется путем снижения температуры под силовой нагрузкой. Физико-механические свойства полимера в направлении ориентации увеличиваются примерно в 5 раз, а в перпендикулярном направлении уменьшаются до 2 раз от исходного значения. Анизотропия прочности объясняется изменением соотношения торцевого и бокового контактов макромолекул полимера. Ориентационное упрочнение полимеров наиболее широко применяется при получении искусственных волокон и пленок.

Изменяя структуру на надкристаллическом уровне, из одного и того же химического вещества можно получить материалы с резко отличающимися свойствами. В качестве примера рассмотрим влияние надкристаллического уровня структуры на свойства конструкционных материалов на основе углерода.

В процессе газофазной кристаллизации углерода образуется кристалло-ориентированный материал с резко выраженной анизотропией свойств. Такой материал называют пиролитическим углеродом. Анизотропия его свойств вызвана взаимосогласованной укладкой анизометричных кристаллитов графита с преимущественной ориентацией их атомарных плоскостей параллельно поверхности кристаллизации. Соотношение электропроводности пироуглерода в направлениях, параллельном и перпендикулярном плоскости кристаллизации, достигает величины 1•104. Схема его надкристаллической структуры представлена на рис. 3.3, а.

Рис. 3.3. Схема надмолекулярной структуры углерода:

а — кристалло-ориентированный пироуглерод; б — квазиизотропный пироуглерод

Путем искусственного введения дополнительных центров кристаллизации удается управлять надкристаллическим уровнем структуры пироуглерода, изменяя определяемые структурой свойства материала от полностью кристалло-ориентированного пироуглерода до практически изотропного материала (рис. 3.3, б). Его электропроводность практически одинакова во всех направлениях, хотя на кристаллическом уровне структуры коэффициент анизотропии электропроводности также составляет 1•104, т.е. структура такого материала квазиизотропна.

Дисперсная структура. Экспериментально установлено, что прочностные свойства твердого тела зависят от размера образца, которое было выделено из этого твердого тела для определения прочности. Полученная закономерность объясняется тем, что любое твердое тело содержит дефекты строения различного уровня, наличие которых отрицательно влияет на его прочность. При механическом воздействии разрушение твердого тела происходит по его дефектным участкам, т.е. трещина разрушения вскрывает дефекты твердого тела. Поэтому полученные при разрушении части твердого тела будут содержать меньшее количество дефектов. Концентрация дефектов в твердом теле обратно пропорциональна степени его измельчения.

Управление дисперсным уровнем структуры вещества также позволяет резко изменять свойства материалов на его основе.

В металловедении графит традиционно считается фазой, прочность которой настолько мала, что ее значением можно пренебречь. Поэтому чугуны с графитом часто описывают как сталь, физико-механические свойства которой снижены наличием пустот, заполненных графитом с практически нулевой прочностью.

Основным технологическим приемом уменьшения дефектности материала является уменьшение геометрических размеров дискретных элементов структуры материала. При диаметре сечения образцов около 10 мкм, бездефектных на дисперсном уровне структуры, графит имеет прочность, сопоставимую с прочностью металлов, а при меньших значениях превосходит ее. Например, прочность углеродных непрерывных волокон, получаемых путем пиролиза полимерных волокон, при диаметре 7 мкм достигает 5000 МПа. Прочность пиролитических дискретных волокон, получаемых путем газофазного пиролиза углеводородов, при диаметре около 3 мкм составляет 10 000 МПа. В условиях электродугового разряда получены нитевидные кристаллы углерода, имеющие прочность 22 000 МПа. Предел повышения прочности материалов в данном случае ограничен лишь его теоретической прочностью.

Прочность реального материала может быть повышена как за счет увеличения плотности дислокаций, так и уменьшением числа дефектов. На рисунке 3.4 показано влияние плотности дислокаций на предел прочности железа при растяжении.

Рис. 3.4. Зависимость предела прочности при растяжении σв

нитевидных кристалллов железа от плотности дислокаций ρ

Повышение плотности дислокаций тормозит их продвижение под воздействием приложенной нагрузки, что приводит к повышению физико-механических свойств материала. Традиционные способы упрочнения материалов основаны на повышении плотности дислокаций разнообразными технологическими приемами. Они отражены на правой ветви представленной на рисунке зависимости. Предел повышения прочности материалов традиционными технологическими приемами соответствует плотности дислокаций ρ = 1012 см-2. При большей плотности дислокаций материал перестает представлять интерес для технического применения в качестве конструкционного материала вследствие резкого падения прочности.

Для построения левой ветви кривой использованы экспериментальные данные, полученные при исследовании нитевидных кристаллов. Видно, что с уменьшением дефектности их прочность возрастает. Для нитевидных кристаллов железа экспериментально достигнуты величины около 15 000 МПа при теоретическом значении 22 000 МПа.

Рекордное значение предела прочности нитевидных кристаллов на растяжение составляет 4218 кг/мм2. Оно получено на нитевидных кристаллах карборунда, выращенного в лабораторных условиях.

Вдумаемся в полученную цифру. Она означает, что на карборундовую ниточку, которая имеет площадь поперечного сечения 1 мм2, для чего она должна иметь диаметр чуть более 1 мм, подвешен груз в 4 т. Ниточка этот груз выдерживает. К грузу добавили еще 200 кг — ниточка не рвется и только после дополнительного нагружения еще 18 кг разрушается. И это еще не все. Достигнутые показатели физико-механических свойств нитевидных кристаллов значительно ниже теоретических значений.

Для изучения разных уровней структуры материалов используют различные инструментальные методы.

Строение материала, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении не более чем в 50 раз, называют его макроструктурой. Изучение макроструктуры называют макроанализом. Строение материала, видимое при увеличении более чем в 50 раз, называют микроструктурой, а ее изучение — микроанализом. В тексте увеличение обозначают знаком умножения перед величиной увеличения, например х 50. На оптических приборах увеличение обозначают так: 50х.

Макроанализ позволяет одновременно наблюдать большую поверхность материала, но не выявляет всех особенностей его строения. Для макроанализа могут быть использованы как целая деталь или заготовка, так и вырезанный из них образец. Исследуемую поверхность материала называют макрошлифом.

Приготовление макрошлифа состоит из нескольких последовательных операций: формирования плоской поверхности, шлифования и травления. Травление выявляет неоднородность структуры материала. Для травления используют различные химические реактивы (кислоты, щелочи и др.).

Особым видом макроанализа является изучение излома детали, заготовки или специально приготовленного образца, называемое фрактографией (от лат. fractura — излом). Фрактография позволяет оценить поведение материала при разрушении, а также выявляет дополнительные детали макроструктуры.

Различают три вида излома:

1) кристаллический, имеющий блестящую зернистую поверхность. Он свидетельствует о хрупком разрушении материала путем отрыва по контактной поверхности зерен без их пластической деформации;

2) волокнистый, имеющий матовую поверхность. Он характерен для вязкого разрушения путем среза зерен. При вязком разрушении нагрузка вызывает вначале пластическую деформацию материала, а затем его разрушение. Кристаллический и волокнистый изломы формируются в процессе разрушения материала при однократном статическом или динамическом нагружении;

3) усталостный излом формируется при неоднократных знакопеременных нагружениях. Для него характерно наличие трех зон разрушения (рис. 3.5).

Очаг разрушения имеет блестящую поверхность, которая формируется путем стирания рельефа поверхности первичной трещины в процессе ее многократных открываний и закрываний. Участок развития усталостной трещины отличается большой шероховатостью. Зона долома образуется за некоторое количество циклов. В зависимости от степени пластичности материала она имеет кристаллическое или волокнистое строение.

Рис. 3.5. Схема макроструктуры усталостного излома

Все виды макроанализа служат для предварительной оценки качества материала и позволяют наметить участки для более подробного микроскопического анализа.

Микроанализ широко применяют для контроля качества материала на всех технологических переделах его производства.

Для микроанализа из детали или заготовки вырезают образец удобных для обращения размеров, обычно до 20 мм. Образцы неправильной формы закрепляют в оправке путем заливки серой, полимером или легкоплавким сплавом. Образец шлифуют на абразивной бумаге, последовательно уменьшая зернистость абразива.

При смене абразива направление шлифования изменяют на 90о и обрабатывают поверхность до удаления рисок от предыдущей шлифовки. Шлифованную поверхность полируют на сукне, которое смачивают суспензией абразивного микропорошка в воде. В качестве абразива обычно применяют окислы алюминия или хрома, реже используют абразивную и алмазную пасты. Полированную поверхность образца называют микрошлифом. Процессы приготовления микрошлифов механизированы. Для выявления структуры материала микрошлиф подвергают травлению. При обработке микрошлифа травителем происходит избирательное травление дефектных участков материала, к которым относятся границы зерен. Это приводит к образованию углублений по границам зерен. Глаз их оценивает как темные участки в поле зрения микрошлифа (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема формирования изображения в металлографическом микроскопе

Рис. 3.7. Оптическая схема металлографического микроскопа:

1 — микрошлиф; 2 — объектив; 3 — полупрозрачная пластина;

4 — лампа; 5 — призма; 6 — окуляр; 7 — зеркало

Для микроанализа используют металлографический микроскоп, оптическая схема которого приведена на рис. 3.7. Увеличение изображения обеспечивают объектив и окуляр, суммарное увеличение микроскопа получают умножением увеличений объектива и окуляра. Комбинируя набором объективов и окуляров, устанавливают желаемое увеличение микроскопа. Увеличение оптических микроскопов более чем в 1500 раз не повышает разрешающей способности микроскопа. Ее характеризуют минимальным расстоянием между двумя точками, на котором точки видны раздельно, не сливаясь в одно изображение. Оно зависит от длины волны света:

Волков Г.М. Объемные наноматериалы. Учебное пособие

Волков Г.М. Объемные наноматериалы. Учебное пособие

Приведены основные сведения по наноматериаловедению, введено понятие о критическом диаметре наночастиц, представлена методика, а также расчетные и экспериментальные результаты определения верхнего предела наноразмерного интервала дисперсных частиц вещества, теоретически обоснована и практически реализована принципиальная возможность моностадийной технологии объемных наноматериалов, приведены технические данные для выбора основных направлений практического использования достижений наноматериаловедения применительно к будущей специальности студента.<br> Для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся по циклу специальностей 190000 «Транспортные средства». Может быть полезно всем студентам высших технических учебных заведений, а также инженерно-техническим работникам, независимо от их будущей или уже приобретенной специальности, в качестве вводного курса в научно-техническое направление «Наноматериалы». <br><br> <h3><a href="https://litgid.com/read/obemnye_nanomaterialy_uchebnoe_posobie/page-1.php">Читать фрагмент...</a></h3>

Внимание! Авторские права на книгу "Объемные наноматериалы. Учебное пособие" (Волков Г.М.) охраняются законодательством!