5. Эвтектические композиционные материалы

Эвтектическими КМ называют сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в который армирующей фазой служат ориентированные волокнистые пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. Поскольку структура создается в эвтектических КМ естественным путем, а не в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, эвтектические КМ называют естественными. Такие материалы характеризуются высокой прочностью (что обусловлено прочностью и совершенством структуры армирующей фазы) и термически стабильной структурой – вплоть до температур, близких к температуре плавления эвтектики.

Для эвтектических КМ не существует проблемы химической несовместимости между матрицей и упрочняющей фазой вследствие равновесных условий кристаллизации, равенства химических потенциалов компонентов и минимальной поверхностной энергией армирующей фазы. Из эвтектических КМ можно изготовлять изделия за одну операцию при отсутствии трудоемких процессов получения волокон и их введения в матрицу.

6.Керамические на сайте

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

композиты с керамической матрицей (англ. ceramic matrix composites) — композиты с оксидной, карбидной, нитридной или иной неорганической, неметаллической термостойкой матрицей.

Описание

Керамики являются материалами с высоким модулем упругости, высокой температурой плавления и высокой твердостью. Из-за присущей этим материалам хрупкости основная задача, решаемая посредством формирования композитных структур на их основе, — придание конструкционному материалу трещиностойкости. В таких композитах, в том числе с волокнистым армированием, это достигается, как правило, введением в структуру композита переходных, промежуточных слоев. В известных много десятилетий так называемых твердых сплавах для режущего инструмента роль такого промежуточного слоя между частицами керамики, обеспечивающего трещиностойкость композита, играет металлическая «связка».

Армированные композиты с керамической матрицей применяются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, а также составляющих броневых элементов. Композиты, наполненные микро- и наночастицами специальных добавок, используются в режущих кромках инструментов, в качестве износостойких материалов, а также материалов пломб в стоматологии.

К рассматриваемой категории не относятся композиты с полимерной, углеродной иметаллической матрицей.

7. Нанокомпозиты можно определить как многофазные твердые материалы, где хотя бы одна из фаз имеет средний размер кристаллитов (зерен) в нанодиапазоне (до 100 нм), или структуры, имеющие повторяющиеся наноразмерные промежутки между различными фазами. Эти структуры составляют композит.

В широком смысле это определение включает пористые среды, коллоиды, гели и сополимеры, но чаще используется для обозначения твердых комбинаций массивной матрицы и наноразмерных фаз(ы), различающихся по свойствам из-за разницы в структуре и химическом строении. Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические, каталитические свойства нанокомпозитов отличаются в зависимости от составляющих материалов. Ограничение по масштабу для этих эффектов оценивается следующим образом: < 5 нм для каталитической активности, < 20 нм для перехода магнитожесткого материала в мягкий, <50 нм для изменения индекса рефракции, и < 100 нм для достижения суперпарамагнетизма, механической прочности или ограничения сдвигов в структуре композита.

В механическом смысле нанокомпозиты отличаются от обычных композитных материалов из-за исключительно высокого отношения площади поверхности к объему усиливающей фазы и/или исключительно высокого соотношения характерных размеров. Усиливающий материал может состоять из частиц (например, минералов), листов или волокон (например, нанотрубок). Область взаимодействия между матрицей и усиливающей фазой обычно на порядок больше, чем для обычных композитов. Таким образом, большая площадь поверхности усиливающей фазы означает, что относительно малое количество усилителя может оказать существенное влияние на макроскопические свойства композита. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электро- и теплопроводность. Другие типы наночастиц могут влиять на оптические свойства, диэлектрические свойства, теплоизоляцию или механические свойства, такие как жесткость, прочность и устойчивость к повреждениям и износу.

8. ‘ Кристаллические материалы, состоящие из наноразмерных блоков, называются объемными нанокристаллическими материалами.

Оказывается, нанокристаллические материалы могут обладать рядом уникальных характеристик. Мы привыкли, что если материал является прочным, то он обладает таким свойством, как хрупкость. Примером очень прочного, но хрупкого материала является стекло. Оказывается, ряд нанокристаллических материалов обладает хорошей прочностью и пластичностью одновременно.

Уникальные механические свойства нанокристаллических материалов связаны с наличием границы раздела наночастиц, из которых собрано вещество. Граница раздела ведет себя как особое вещество, отличающееся от объемного вещества.

В последние годы достигнут значительный прогресс в получении нанокристаллов. Используя методы коллоидной химии, удалось получить в нанокристаллической форме многие известные вещества, в том числе металлы, полупроводники и магнитные материалы. Развитие методов лигандного обмена и дериватизации поверхности позволяет выделять узкие фракции нанопорошков (разброс диаметров частиц – 5-15%), которые затем могут использоваться в качестве химических реагентов. Этого удалось добиться благодаря лучшему пониманию зависимости свойств частиц от размеров, а также фундаментальным исследованиям в физике и химии кон­денсированных состояний вещества. Прогресс в этой области в значительной степени облегчен тем обстоятельством, что в полу­проводниках некоторые легко регистрируемые характеристики (например, интенсивность светового излучения) сильно зависят от размеров частиц.

Нанокристаллические материалы отличаются повышенной прочностью как у однофазных ( медь, палладий), так и у многофазных, полученных кристаллизацией аморфных сплавов: предел текучести в 2 - 3 раза, а временное сопротивление в 1 5 - 8 раз выше, чем у соответствующих аналогов. Как и для твердости, начиная с размера зерен 10 нм и меньше, установлено понижение предела текучести.

Нанокристаллические материалы имеют высокие демпфирующие свойства, так как из-за различия модулей упругости самих зерен и граничных слоев упругие колебания распространяются неоднородно и существенно рассеиваются. У меди с размером зерен 200 нм уровень фона внутреннего трения, являющегося мерой демпфирующей способности, в 2 - 3 раза выше, чем у серого чугуна, который считается хорошим демпфером.

Нанокристаллические материалы только начинают использовать. Часто основанием применения материала становится какое-либо одно свойство. Так, керамические материалы, содержащие нанокристалличе-ские частицы металла, используют для поглощения электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн. Суспензии частиц железа с размерами от 30 нм до 1 - 2 мкм в смазочном масле восстанавливают изношенные детали ( не прерывая работы) двигателя.

Нанокристаллические материалы представляют собой особое состояние конденсированного вещества - макроскопические ансамбли ультрамалых частиц с размерами до нескольких нанометров. Необычные свойства этих материалов обусловлены как особенностями отдельных частиц ( кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами.

Зависимость модулей. Нанокристаллические материалы характеризуются не только малыми размерами и большеугловыми разориентировками соседних зерен, но и специфической дефектной структурой границ, необычной морфологией избыточных фаз, повышенным уровнем внутренних напряжений, кристаллографической текстурой и др. Так, в нанокристал-лическом армко-железе ( технически чистое железо, 99 85 %), полученном интенсивной пластической деформацией, происходит полное растворение цементита и образование пересыщенного твердого раствора углерода; имеет место образование пересыщенных твердых растворов в нанокристаллических сплавах алюминия с исходными взаимно нерастворимыми фазами. Получаемые нанбкристаллические материалы метастабильны или неравновесны. Сам уровень метаста-бильности или неравновесности существенным образом зависит от метода получения материала. Все это в значительной степени определяет свойства нанокристаллических структур.

Свойства нанокристаллических материалов определяются размерами отдельных зерен, свойствами граничного слоя, а также коллективным взаимодействием основных составляющих структуры с поверхностными слоями частиц. В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстро возрастает при измельчении зерен от 100 до 4 - 5 нм.

Плотность нанокристаллических материалов, полученных разными методами компактирования нанопорошков [3-13], составляет от 70 - 80 % до 95 - 97 % теоретической плотности. Все кристаллиты имеют одинаковую структуру и отличаются только своей кристаллографической ориентацией и размерами. Структура границ раздела определяется типом межатомных взаимодействий ( металлические, ковалентные, ионные) и взаимной ориентацией соседних кристаллитов. Разная ориентация соседних кристаллитов приводит к некоторому понижению плотности вещества в границах раздела.

В нанокристаллических материалах наблюдается явление сверхпластичности.

10.,11на сайте