Тугоплавкие металлы и композиты

Карельский Государственный Педагогический Университет
Тугоплавкие металлы и
композиты
Выполнила: Полушкина Э.
553 гр. (2007 г.)
Как правило, новые материалы появляются в результате естественного
стремления проектировщиков улучшить характеристики эксплуатируемых конструкций, а
будучи освоенными, они открывают новые возможности для разработки принципиально
новых конструкций и технологических процессов. Одно из наиболее ярких проявлений
такой взаимной обусловленности в разработке материалов, конструкций и технологий
связано с композитными материалами (КМ), находящими все более широкое
распространение в различных областях техники.
Композитные материалы по праву считаются материалами XXI века - они
обладают высочайшими физико-механическими характеристиками при низкой плотности
- они крепче стали и легче алюминиевых сплавов.
С развитием техники, в особенности авиационной, ракетной и космической,
возникла необходимость в материалах, имеющих повышенную прочность при высоких
температурах. Поэтому все чаще начинают обращаться к материалам на основе
тугоплавких металлов и соединений, которые получают методом порошковой
металлургии.
Среди тугоплавких металлов наибольший интерес представляют металлы так
называемой большой четверки – тантал, ниобий, молибден, вольфрам. (слайд №3)
Области применения тугоплавких металлов определяются их свойствами. Из всех
металлов, встречающихся в природе, вольфрам (слайд №4) – это металл с самой высокой
температурой плавления t = 3422 °C, поэтому получить его в компактном виде это
довольно
непростая
задача.
Обладает
высокой
прочностью
при
повышенных
температурах. Плотность вольфрама, больше плотности железа в два с половиной раза (и
в 7 раз больше алюминия ). Она почти равна плотности золота (отличается меньше чем на
1%).Поэтому вольфрам и материалы на его основе идут на изготовление изделий,
работающих при очень высоких температурах, например, в соплах реактивных
двигателей, в деталях космических аппаратов. Широко применяется вольфрам в
электроламповой, радиотехнической и электровакуумной промышленности. Из него
готовят нити накаливания электрических ламп (слайд №5), катоды и сетки радиоламп и
рентгеновских трубок, различные нагреватели и экраны высокотемпературных печей.
(слайд №6) Вольфрам используется и в качестве основного элемента для производства
высококачественных сталей. В настоящее время заслуженной популярностью пользуется
режущий инструмент из твердых сплавов, которые, как правило, содержат вольфрам.
(слайд №7 )
Основной потребитель молибдена - металлургия. (слайд №8) Температура
плавления t = 2623 °C Молибденовые стали отличаются высокой жаропрочностью, и
коррозионной стойкостью. Так же, молибден входит в состав жаропрочных сплавов, не
содержащих железа. Металл получают в виде порошка. Затем, молибден прессуют в
штабики и спекают их в вакууме или в атмосфере водорода. Молибденовый лист - более
пластичен. По крайней мере его можно согнуть. Но при комнатной температуре, при
сильном изгибе, он все-таки ломается. Из молибдена можно изготовить проволоку. (слайд
№9) Из неё делают высокотемпературные нагреватели, испарители для установок
резистивного напыления и детали вакуумных электронных приборов. тигли из молибдена
устойчивы к расплавам металлов в восстановительной среде при высоких температурах.
(слайд №10) Монокристаллы молибдена используют в производстве мишеней для
рентгеновских трубок, специальных зеркал и в физических исследованиях. (слайд №11)
Тантал сочетает в себе высокую температуру плавления, хорошую пластичность,
высокую теплопроводность, химическую инертность. (слайд №12) Поэтому его
используют в различных отраслях техники: для изготовления корозионно-стойкого
оборудования, в электровакуумной промышленности, в нагревательных устройствах,
работающих в вакууме или атмосфере инертного газа. Тантал значительно пластичнее
вольфрама, поэтому из него проще получать листы, проволоку и фасонные детали
методом прокатки или ковки. Благодаря высокой устойчивости к действию большинства
кислот и щелочных растворов тантал применяется при изготовлении химической
аппаратуры, а также в костной хирургии и нейрохирургии. Около трети всего
производимого тантала, используется при изготовлении танталовых конденсаторов и
других электронных приборов. Танталовые конденсаторы обладают намного большим
сроком службы по сравнению с алюминиевыми электролитическими. Цветные
цилиндрики - это электроды из конденсаторов ЭТО и К-52. (слайд №13)
Ниобий и его сплавы используются в термически напряженных узлах
скоростных
самолетов,
ракет
и
космических
аппаратов.
Стойкость
ниобия
в
расплавленных щелочных металлах позволяет монтировать детали из него в различных
узлах ядерных реакторов. Химическая стойкость ниобия в агрессивных средах взята на
вооружение химической промышленностью. Из него делают теплообменники, змеевики,
трубопроводы. (слайд №14)
Важнейшая область использования тугоплавких соединений, таких, как карбид
кремния на силикатной и нитридной связках и самосвязанный карбид кремния, производство огнеупорных изделий. Из огнеупорных материалов делают желобы
нагревательных колодцев, футеровочные кирпичи для печей кипящего слоя обжига
ртутных руд, направляющие опоры проходных нагревательных печей. Из самосвязного
карбида кремния изготавливают защитные чехлы термопар для непрерывного контроля
температуры расплавов алюминия, меди и их сплавов, а также для агрессивных газов
воздухонагревательных печей. Особое место занимают огнеупорные материалы,
используемые для плавки и испарения металлов в вакууме с целью нанесения пленок из
алюминия, хрома, никеля, меди и получения покрытий с высокой отражательной
поверхностью. Такие покрытия необходимы для исследования космоса, применяются они
и в пленочных конденсаторах, зеркалах, светильниках, киноэкранах; кроме того, они
используются в металлических и пластмассовых изделиях с антикоррозионной
поверхностью для судостроительной, автомобильной, авиационной промышленности и
радиоэлектроники.
Это далеко неполный перечень областей использования тугоплавких композитов
будет, несомненно, значительно расширен в ближайшем будущем.
Важную роль в развитии технологии создания композиционных материалов с
заданными свойствами играет порошковая металлургия, которую человечество
применяет с незапамятных времен. (слайд № 15)
В гробнице египетского фараона Тутанхамона, жившего в XIV веке до н.э.,
лежали кованые кинжалы, украшенные порошковым золотом, и амулет из железа. Однако
известно, что человечество до XIX века не знало способа получения температур
необходимых для плавки чистого железа и литья изделий из него. Ученные установили,
что железные изделия были изготовлены из частичек губчатого железа, полученного
восстановлением богатой железной руды.
Русский инженер и ученый Петр Григорьевич Соболевский при участии
металлурга В. В. Любарского предпринял попытку найти оптимальный способ
изготовления металлических изделий из платины. (слайд № 16) Полностью отказавшись
от выплавки, он подвергал химической обработке природные соединения из платины.
Полученную очищенную губчатую платину набивал в металлическую цилиндрическую
форму и подвергал обработке давлением. Спрессованный материал нагревался и повторно
обрабатывался давлением. В результате из губчатого металла получались плотные,
компактные платиновые заготовки. Открытие Соболевского и положило начало новой
отрасли техники – порошковой металлургии.
Современная сущность метода порошковой металлургии состоит в применении
исходного сырья в виде порошков металлов и неметаллов, которые прессуются или
формируются в изделия заданных размеров, а затем подвергаются термической обработке
при температуре ниже точки плавления основного компонента.
Композитные
материалы
(композиты)
представляют
собой
многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной,
керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон,
нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц. (слайд № 17)
Согласно данному определению, выделяют два типа композитов: (слайд № 18)
Таблица 1.
Типы композитов
1. Композиционные
материалы с
Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще
Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами или
тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в
металлической
основном металле. Металлическая матрица связывает волокна в единое
матрицей.
целое.
В
качестве
углеродные
2. Композиционные
материалы с
неметаллической
матрицей.
и
наибольшее
неметаллических
матриц
керамические
материалы.
распространение
фенолоформальдегидная
и
используют
Из
полимерные,
полимерных
получили
полиамидная.
матриц
эпоксидная,
Матрица
связывает
композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна:
стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных
кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также
металлические
(проволоки),
обладающие
высокой
прочностью
и
жесткостью.
По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют:
(слайд № 19)
Таблица 2.
Представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован
Волокнистые
большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно
композиционные
армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая
материалы.
представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую
конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Дисперсноупрочненные
композиционные
материалы.
В дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является
основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят
движение
в
ней
дислокаций.
Дисперсно-упрочненные
композиционные
материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в
технике металлов и сплавов.
Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы,
являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве
наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность
Стекловолокниты.
стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие
влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях).
Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи;
лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из
полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных
Карбоволокниты.
волокон
(карбоволокон).
(полимерные
пиролизу
Связующими
карбоволокниты);
(коксованные
служат
синтетические
карбоволокниты);
синтетические полимеры
полимеры,
подвергнутые
пиролитический
углерод
(пироуглеродные карбоволокниты).
Карбоволокниты с
углеродной
Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов,
матрицей.
подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере.
(слайд № 20)
Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего
и упрочнителя – борных волокон. Помимо непрерывного борного волокна
Бороволокниты.
применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных
борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость.
Применение
боростеклонитей
облегчает
технологический
процесс
изготовления материала.
Представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного
Органоволокниты.
связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. В
комбинированных
материалах
наряду
с
синтетическими
волокнами
применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна).
Работа композита на простейших примерах. (слайд № 22) Возьмем для примера
консоль и балку. Консоль это балка, имеющая одну точку опоры, например закрепленная
в стене. Консоль в верхней части испытывает нагрузки на растяжение, а в нижней на
сжатие, А так как бетон работает только на сжатие, арматура в этом случае закладывается
в верхней части.
Железная арматура имеет хорошее сцепление с бетоном и не дает материалу
разорваться. Балка имеет две точки опоры, поэтому в нижней части нагрузки на
растяжение, а в верхней на сжатие. На этом примере видно как важно расположение
волокон в материале, то есть его структура.
Возьмем образец с продольным направлением волокон и станем его растягивать.
Удлиняясь, волокна уменьшаются в поперечнике и тянут за собой матрицу. Значит, в
сопротивлении силам, приложенным к образцу, работают оба материала. (слайд № 23)
Теперь станем сжимать образец. Волокна будут увеличиваться в поперечнике, и
давить на матрицу. Сопротивляясь их давлению, матрица опять включена в работу.
Изгибающиеся волокна она удержит с одной стороны растягиваясь, с другой сжимаясь.
Но композит будет работать, если велика склееность (адгезия) обоих материалов. Пример
кирпичная стена. Будь она хоть из самых лучших кирпичей, но если цементный раствор
плохой, стена стоять не будет.
Ликвационные булаты, имеющие в своем составе волокна чистого железа, не
могут иметь свойства пружины из выше перечисленного. Карбиды, имеющие нулевую
пластичность, и наросшие на волокнах феррита, должны разрушиться, прежде чем
заработает такой композит. По разрушившимся карбидам, по границам ферритных
волокон и матрицы может происходить растрескивание. Но это не происходит сразу в
связи с большой запутанностью волокон. (слайд № 24)
Рассмотрим ликвационный дендритный булат. Кристаллы дендритов похожи
чем-то на еловые ветки. (слайд № 25) Чем гуще ветка, тем меньше пространства остается
между иголками. Дендриты растут, вытесняя в незанятое ими пространство различные
примеси, и в том числе образовавшиеся карбиды. Чем больше иголок, тем меньше
свободного пространства для матрицы. Тем мельче рисунок, тем труднее куется слиток.
Тем он хрупче. Слиток же с крупными дендритами расковывается легче. (слайд № 26 - 31)
Литература:
1.
http://://www.krugosvet.ru;
2.
http://elib.ispu.ru/library/lessons/tretjakova/22.html#_Toc57632364;
3.
http://images.google.ru/imgres;
4.
http://images.google.ru/imgres?imgurl=http://www.metalica.kh.ua/img/rez;
5.
http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_letter_g.html;
6.
http://www.e-plastic.ru/main/adds;
7.
http://www.issp.ac.ru/main/index.php?option=content&task=view&id=37&Itemid=63;
8.
http://www.knife.ru/Forum/read.php?f=1&i=52983&t=52983;
9.
http://www.sumtech.ru/newtech/archive/main.htm;
10. Анциферов
В.
Н.
От
египетских
пирамид
до
космоса.
–
Соросовский
Образовательный Журнал. 1996, № 5;
11. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. – Соросовский
Образовательный Журнал. 1995, № 1;
12. Кербер М.Л. Композиционные материалы. - Соросовский Образовательный Журнал.
1999, № 5.