Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


9. новые материалы и технологии будущего
Методами космической металлургии могут производиться сплавы из несмешиваемых соединений, твердые растворы, композиты с уникальны
9.1. новые конструкционные материалы
9.2. композиционные материалы
По характеру распределения
По служебному назначению
Подобный материал:
1   ...   37   38   39   40   41   42   43   44   ...   48

9. НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО



Честь науке — ей дано уменье

Выводить нас из недоуменья.

М. Светлов



  • Космическая металлургия — это направление космической технологии, связанное с получением металлургическими методами материалов и изделий, обладающих уникальными свойствами и изготовление которых в земных условиях невозможно.
  • Методами космической металлургии могут производиться сплавы из несмешиваемых соединений, твердые растворы, композиты с уникальными характеристиками, пенометаллы.




Материалы будущего можно разделить на группы:

металлы: стали, композиционные материалы с металлической матрицей, металлокерамика, металлические пеноматериалы, жаропрочные суперсплавы, интерметаллиды, аморфные материалы, сплавы с поглощенным водородом; сверхпроводники, легкие и сверхлегкие сплавы на основе алюминия, магния, бериллия и др.; высокоэффективные хорошо свариваемые титановые сплавы; сплавы с особыми свойствами;

керамические материалы: композиты с керамической матрицей, керамические материалы для газовых турбин и двигателей; сверхпроводящая керамика, керамические покрытия, новые виды стекла (нелинейное оптическое стекло);

композитные материалы: высококачественные пластики с упрочнением из углеродных волокон; высококачественные металлические композитные материалы; высококачественные композиты типа С-С;

наноматериалы или ультрадисперсные системы (УДС): материалы с размерами частиц или зерен 1–100 нм (нановолокна, нанопленки, ультрадисперсные порошки и т. п.);

материалы для микро- и наноэлектроники: оптические интегральные схемы; полупроводниковые элементы со сверхрешеткой; гетероструктуры на квантовых размерных эффектах; терабитная память; суперинтеллектуальные чипы; микросистемная техника и микросенсорика.

9.1. НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ



Возрастающие требования потребителей к свойствам конструкционных материалов относятся к таким показателям, как: прочность, упругость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса для снижения массы изделий и затрат по эксплуатации; повышение сопротивляемости воздействию рабочей среды (температуре, агрессивность, излучение и т. п.); увеличение срока службы и надежности в эксплуатации.

Ведущими высокотехнологичными потребителями новых металлических материалов является аэрокосмический комплекс, энергетика, автомобилестроение, медицина и др., например, главная проблема при создании электростанций нового поколения — разработка и внедрение технологичных материалов, обеспечивающих ресурс работы установок 200 тыс. ч и более (свыше 25 лет).

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 г., но до применения его на практике прошло почти столетие. После получения реальных материалов начали развиваться направления по использованию этого явления: производство и преобразование энергии; высокоскоростной наземный транспорт на магнитной подвеске; уникальное медицинское оборудование (томографы); работы по обогащению руд; очистка воды.

Стало развиваться новое направление — создание уникальных экспериментальных установок для физических исследований, начиная с самых простых магнитов со сверхсильными магнитными полями и кончая мощными ускорительно-накопительными комплексами для исследования по физике элементарных частиц, в которых сверхпроводящее оборудование занимает периметр в несколько километров. Явление сверхпроводимости либо приводит к качественному улучшению электроэнергетических показателей по сравнению с существующими традиционными аналогами, либо позволяет создать уникальное оборудование, реализация которого была бы абсолютно невозможна без применения сверхпроводимости.

Эффективность и экологическая безопасность энергосистем зависит от технологических параметров энергоблоков. Турбины бывают паровые и газовые, они существенно различаются конструктивно и по техническим параметрам. Различные рабочие температуры и габариты роторов определяют применение различных материалов при их изготовлении. В последние 20 лет в мире ведутся интенсивные поиски оптимального состава роторных сталей и способа их производства. Для этой цели была создана специальная программа (европейская программа COST505), в результате которой были разработаны новые классы роторных сталей и технология, основанная на схеме ВИП–ЭШП–ВДП. Наибольший слиток для газовой турбины с температурой газов 1260 °С получен диаметром 610 мм, а нужен диаметром 915 мм, для турбины с температурой 1427 °С — создан слиток диаметром 500 мм, тогда как необходим диаметр 685 мм. Так что работы в этой области будут продолжаться.

Нанотехнологии (по-гречески “нанос” — карлик) имеют дело с объектами размером порядка нанометра (миллионная доля миллиметра). Теоретически с помощью нанотехнологии можно создавать любые изделия: вычислительные элементы, искусственные органы, конструкционные материалы с уникальными свойствами, высококачественные продукты и т. д. Биотехнология оказались первым этапом развития нанотехнологий. Она ориентирована на синтез биологически активных веществ из крупных молекулярных блоков. На базе “молекулярного сборщика” атомы встраиваются в формируемую структуру.

9.2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ



Большинство современных материалов по своей сути являются композиционными. Композиционные материалы (композиты) — это твердые системы, состоящие из двух или более компонентов, имеющих четкую границу раздела и обладающих совокупностью свойств, не присущих ни одному из этих компонентов в отдельности. Например, один из двух компонентов может быть пластичным, но малопрочным, а другой — высокопрочным, но хрупким. В целом же получается достаточно прочный и пластичный материал. Такие материалы можно получить либо в результате кристаллизации из расплава, превращения в твердом состоянии (естественным путем), либо при искусственном сочетании компонентов. Один из компонентов называют матрицей, другие компоненты, упрочняющие или армирующие эту матрицу, могут быть в виде как изолированных друг от друга частиц, нитей, пластин, волокон, так и в виде связной конструкции (подобно сетке арматуры в железобетоне).

По характеру распределения армирующего материала композиты делятся на два класса: с упорядоченным армированием и с неупорядоченным армированием. В первом случае конфигурация распределения арматуры дается заранее, во втором она носит случайный характер. Композиты, в которых заранее заданное распределение армирующей фазы создает требуемое изменение служебных свойств по объему материала, называются функционально-градиентными материалами (ФГМ).

Если армирующая фаза имеет вид отдельных мелких частиц сферической, кубической и подобных форм, композит называется дисперсно-армированным. Если армирующая фаза присутствует в виде волокон (непрерывных или дискретных), то такой композит называют волокнистым (ВКМ), а если армирующая фаза присутствует в виде широких пластин (слоев), то композит называют слоистым (СКМ).

По служебному назначению композиты можно разделить на три группы: конструкционные (включая износостойкие); со специальными физическими свойствами (проводники, сверхпроводники, токопроводящая резина и т. п.); информационные.

Дисперсно-армированные композиты обычно относятся к первым двум группам. Существует много материалов со специальными свойствами (например, система медь—графит для скользящих электроконтактов), но важнейшим видом этих композитов являются конструкционные дисперсно-упроченные композиты (ДУКМ). Они имеют металлическую матрицу, а вторая фаза представлена в виде мелких (менее 1 мкм) частиц оксидов, нитридов и карбидов. Существуют материалы с матрицей на основе железа, никеля, алюминия и других легких металлов, титана, тугоплавких металлов и интерметаллидов.

Получают ДУКМ обычно методами порошковой металлургии — тщательным смешением (физическим или химическим) порошков матрицы и второй фазы, с добавлением 1–2 % связующего, формовкой заготовки и ее спеканием.

Примером ДУКМ на алюминиевой матрице являются материалы САП — спеченные алюминиевые пудры, армированные оксидом Al2O3.

Широко известны жаропрочные ДУКМ на основе никеля, упрочненные 1–2 % оксидов Th, Hf, Al — так называемый TD-никель. Очень перспективным материалом является композит FeAl40 Grade 3 (Fe + 24 % Al; 0,11 % Zr; 0,0025 % B; 1 % Y2O3), свойства которого превышают свойства сталей и не уступают свойствам никелевых и титановых сплавов при температурах 500–600 °С, а коррозионная и эррозионная стойкость превышают уровень свойств лучших нержавеющих сталей.

К ДУКМ близки так называемые керметы — композиты с металлической матрицей и керамическим упрочнением с высокой (до 45–60 %) объемной долей керамической фазы. Примером керметов являются карбидостали и ферротитаниты, в которых стальная матрица упрочнена частицами карбида титана TiC размером 2–5 мкм. Это очень износостойкие материалы, используемые в деталях, подверженных износу трением. По режущим свойствам они превышают быстрорежущие стали и только немного уступают твердым сплавам, будучи значительно дешевле последних.

Очень перспективными и широко используемыми являются волокнистые и слоистые композиты с матрицами из различных материалов:

стеклопластики — стеклянные волокна в матрице из полимерных смол;

углепластики — углеродные волокна в полимерной матрице;

ВКМ и СКМ с металлической матрицей и керамическими или металлическими волокнами;

слоистые металлоорганопластики, применяемые в авиастроении взамен алюминиевых сплавов, снижающие массу конструкций и резко повышающие ее надежность за счет резкого (в 10–15 раз) снижения скорости роста усталостных трещин;

углеродные ВКМ с углеродной (графит) матрицей и углеродными или карбидными (SiC) волокнами;

керамические ВКМ с керамической (SiC, Si3N4) матрицей и металлическими (МО, W) волокнами для работы при температуре до 1700 °С.

Главная задача армирующей фазы в конструкционных ВКМ и СКМ — воспринимать внешнюю нагрузку, а задача матрицы — связать волокна в компактный монолит, передавать напряжения от волокна к волокну, защищать волокна от внешних воздействий.

ВКМ и СКМ бывают с пластичной матрицей и пластичными волокнами (металл—металл), пластичной матрицей и хрупкими волокнами (металл—керамика) и хрупкой матрицей и пластичными волокнами (керамика—металл).

Методы изготовления ВКМ и СКМ зависят от свойств материалов. Композиты с полимерными матрицами изготавливают, пропуская пучки волокон через жидкие, быстро твердеющие смолы, а композиты с металлической матрицей — обработкой давлением, пропиткой пучка волокон расплавом, методами порошковой металлургии. Такие материалы используют в судостроении и аэрокосмической технике.

К материалам с особыми физическими свойствами относятся:

высокопрочные композиты с высокой проводимостью (медный провод в оболочке из нержавеющей стали; медно-ниобиевые провода);

сверхпроводники (металлические и керамические);

проводники с контролируемые свойствами.

Сверхпроводники (СП), работающие при температуре жидкого гелия (4,2 К), представляют собой многоволоконные ВКМ с волокнами из деформируемого сверхпроводящего сплава НТ-50 (50 % Nb, 50 % Ti) с диаметром волокон (жил) 6–200 мкм и числом жил от 6 до 9000, расположенных в матрице из меди или бронзы. Получают такие СП многократной экструзией “сборок” — медных капсул, заполненных стержнями из бронзы, меди и сплава НТ-50 с последующим волочением экструдированных прутков.

Новейшим достижением в области СП является сверхпроводящая оксидная керамика на основе системы иттрий — барий — медь — кислород, которая охлаждается жидким азотом. Эти СП выпускают в виде проводов, проволоки, ленты в серебряной оболочке длиной до 600 м или в виде цилиндров и штабиков. Их можно использовать в магнитных подшипниках, допускающих скорость вращения до 100 000 об./мин., для транспорта на магнитной подушке, в электродвигателях с мощностью в пять-семь раз выше, чем у обычных.