|
|
ОглавлениеГлава 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 3.4. Перспективы нанотехнологии Глава 4. Объемный наноматериал. 4.1. Моностадийное формирование объемного наноматериала 4.2. Машиностроительный потенциал Глава 5. Объемный материал с добавкой наночастиц. 5.1. Основы конструирования 5.3. Матрица объемных нанокомпозитов 5.4. Контактное взаимодействие компонентов Глава 6. Объемный наноструктурированный металл. 6.1. Основы фрагментирования структуры металлов 6.2. Наноструктурированные металлы Приложение. Организация практических занятий по изучению предмета «Объемные наноматериалы» Теоретический семинар «Нанотехнология» Лабораторная работа «Наноматериалы» Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу5.3. Матрица объемных нанокомпозитовОдним из основных условий конструирования композиционных материалов с заданными свойствами является правильный выбор компонентов, для чего следует предварительно ознакомиться с их потенциальными технологическими и эксплуатационными характеристиками. Основное назначение матрицы в композиционных материалах состоит в связывании наночастиц зернистой или волокнистой формы в объемное твердое тело, а также восприятие и равномерное перераспределение внешней нагрузки на компоненты нанокомпозита. Для выполнения указанных функций матричный материал должен быть пластичным и обладать достаточно высокой прочностью контактного взаимодействия с поверхностью наполнителя. В качестве матрицы объемных нанокомпозитов используются традиционные материалы промышленного производства, имеющие и самостоятельное применение, в том числе конструкционное (см. рис. 3.24). Металлическая матрица. Создание композиционных материалов на металлической матрице преследует цель устранить основные недостатки металлов, препятствующие их эффективному применению в качестве конструкционного материала: большую плотность, низкую рабочую температуру эксплуатации и низкую вязкость разрушения. В качестве матрицы композиционных материалов наиболее широкое применение получили легкие и жаропрочные металлы и сплавы. Легкие металлы и сплавы позволяют получать максимальное значение удельной прочности композиционных материалов на их основе. Это обеспечивает максимальное уменьшение материалоемкости деталей машин, что приобретает особо важное значение применительно к транспортным устройствам. Из легких металлов наиболее широкое применение получил алюминий. Это обусловлено его большими природными ресурсами и соответственно большим объемом производства, а также ценным комплексом свойств. К его достоинствам следует отнести низкую плотность (2,7 г/см3) и высокую коррозионную стойкость при нормальных и повышенных температурах. Низкая температура плавления и высокая пластичность облегчают технологические процессы его переработки. Недостатком алюминия является низкая прочность (σв ~ 60 МПа). Поэтому при использовании в качестве матрицы композиционных материалов его применяют преимущественно в виде сплавов с другими элементами. Деформируемые сплавы, легированные магнием и марганцем, не подвергаются термической обработке. Это позволяет сократить время высокотемпературного контакта сплава с наполнителем в процессе изготовления композиционного материала, что уменьшает их химическое и диффузионное взаимодействие. Недостатком этой группы сплавов является относительно низкая прочность (σв до 200 МПа). Дюралюминий, основными легирующими элементами которого являются медь и магний, подвергается термической обработке. После закалки и старения прочность дюралюминиевых сплавов достигает σв ~ 450 МПа. В качестве литьевых сплавов широкое применение получили силумины — сплавы алюминия с кремнием. По механическим свойствам они уступают деформируемым сплавам. Кроме того, при литье трудно предотвратить химическое взаимодействие алюминия с наполнителем. Общим недостатком алюминия и его сплавов является низкая жаропрочность: рабочая температура алюминиевых сплавов не превышает 300 °С. Для создания жаропрочных нанокомпозитов представляет интерес спеченный алюминиевый порошок, маркируемый САП, который сам является композиционным материалом, упрочненным дисперсными частицами диоксида алюминия, на алюминиевой матрице. САП обладает высокой жаропрочностью: он работоспособен в условиях длительного нагрева при температурах до 500 °С. Минимальная среди металлов и сплавов конструкционного назначения плотность сплавов магния (~1,8 г/см3) представляет существенное достоинство для использования в качестве матрицы при создании композиционных материалов с высокой удельной прочностью. Однако следует отметить, что работы по совмещению магния и его сплавов с наноразмерным наполнителем сопряжены со значительными технологическими трудностями вследствие их плохой деформируемости и наличия рыхлой окисной пленки на магниевых поверхностях. Титановые сплавы обладают максимальной удельной прочностью по сравнению со сплавами на основе других металлов. Однако широкому использованию титановой матрицы препятствуют технологические трудности введения наполнителя в матрицу. Жаропрочные сплавы используют для изготовления ответственных деталей, работающих под нагрузкой при рабочих температурах более 700 °С. Наибольшее развитие получили жаропрочные сплавы на основе никеля. Пластичность жаропрочных сплавов вполне достаточна для передачи нагрузки на армирующую матрицу нановолокна, но недостаточна для проведения процессов совместной пластической деформации без разрушения волокна. Поэтому композиционные материалы на их основе изготавливают преимущественно жидкофазными методами (литье, пропитка и др.). Наряду с легкими и жаропрочными металлами и сплавами для создания композиционных материалов используют металлы и другого назначения. Полимерная матрица. Термопластичные полимеры в качестве конструкционных материалов имеют ограниченное применение из-за относительно низких характеристик пределов прочности и текучести. Улучшение конструкционных свойств термопластичных полимеров путем введения армирующих наполнителей также не получило большого развития. Широкому использованию термопластов в качестве матрицы композиционных материалов препятствуют технологические трудности вследствие плохой смачиваемости ими поверхности большинства наполнителей. Кроме того, вязкость термопластичных полимеров резко возрастает при введении зернистого или дискретного волокнистого наполнителя, что затрудняет равномерное распределение наполнителя в матрице композиционного материала и приводит к разрушению наполнителя в процессе гомогенизации системы матрица-наполнитель. Из термопластичных полимеров в качестве матрицы композиционных материалов нашли применение полиамиды, более известные как капрон и нейлон, и фторорганические полимеры. Полиамиды ударопрочны и обладают вибропоглощающими свойствами. Они химически стойки в щелочной среде, устойчивы к воздействию бензина и спирта. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения и поэтому служат матрицей композиционных материалов преимущественно антифрикционного назначения. Из фторорганических полимеров в качестве матрицы композиционных материалов наиболее широко используют полифторэтилен, более известный как фторопласт или тефлон. Фторопласт выпускают в виде порошка с частицами волокнистой структуры, а также в виде тканого материала в сочетании со стеклянными, металлическими и другими полимерными волокнами, которые затем перерабатывают в детали антифрикционного назначения. Внимание! Авторские права на книгу "Объемные наноматериалы. Учебное пособие" (Волков Г.М.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||
