Вопрос 8.1.5. Неметаллические проводящие материалы

     

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов. Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.   Применение  неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.   

Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода (электро­технические угольные изделия, сокращенно электроугольные изделия).

     К электроугольным изделиям, применяемым в электротехнике и технике, связи, относятся: электрические щётки для коллекторов электромашин, электроугли, применяемые в лампах и электропечах, электроды - в гальванических элементах, угольные мембраны, угольные порошки. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.

     В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно  использовать сажу, графит или антрацит. Для получения стержневых электродов измельченная масса со связующим, в качестве которого используется каменноугольная смола, а иногда и жидкое стекло, продавливается сквозь мундштук. Изделия более сложной формы изготовляют в соответствующих пресс-формах. Угольные заготовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находиться в изделии. При высоких температурах достигается искусственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.

Углеродистые материалы.

графит – одна из

аллотропных форм чистого углерода. Наряду с малым удельным сопротивлением ценными свойствами графита

являются значительная теплопроводность, стойкость ко многим химически агрессивным средам, высокая

термостойкость, легкость механической обработки. Для производства электроугольных изделий используют

природный графит, антрацит и пиролитический углерод. Электротехнический уголь используют также и в виде порошка, например, при изготовлении микрофонов, а также щеток, широко применяемых в устройстве электрических машин 

Природный графит.

Природный графит представляет собой крупнокристаллический материал с очень высокой

температурой плавления (900°С).      Стеклоуглерод Особую модификацию графита представляет стеклоуглерод, который получают полимеризацией органических полимерных смол. Изготавливаемые изделия имеют блестящую поверхность, стеклоподобный

вид. Стеклоуглерод отличается от обычного графита повышенной химической стойкостью.

Вопрос 8.1.6.

В качестве материала основы наиболее широко применяют Al, Mg, Ti, Ni, Co и др. Металлы используют в виде листов, фольги, стружки и прочее, а роль связующих выполняют полимерные различные волокна, смолы, лаки, дисперсные керамические порошки и т. д.

Металлопласты - металлические листовые материалы с одно- и двухсторонним полимерным покрытием. Покрытие должно обладать высокой адгезией к металлу и защищать его от коррозии, то есть сочетать высокую химическую стойкость с низкой проводимостью.

Металлополимеры - металлонаполненые полимеры или пористые металлы, пропитанные полимерными композициями. Наполнителями служат порошки, волокна и ленты, получаемые, практически, из любых металлов или сплавов (чаще всего, Fе, Сu, Ni, Ag, Sn, Al, Co, РЬ, Zn, Zr, Cr, Ti, Та), Свойства металлополимера определяются природой полимера и наполнителя, степенью наполнения и характера распределения. С целью увеличения магнитной восприимчивости в полимеры вводят Fе и его сплавы, для придания тепло- и электропроводности - AI, Ag, Сu, Au. Наполнение чешуйчатым А1 снижает газо- и влагопроницаемость полимеров. Присутствие Pb, W, Bi, и Cd придает МП способность экранировать ионизирующие излучения. Металлополимеры, содержащие Pb, Zn, Zr, Mo и их химические соединения или сплавы, обладают низким коэффициентом трения. Дисперсные частицы наполнителя уменьшают, а волокна увеличивают их прочность при изгибе и удельную ударную вязкость.

Керметы - композиции, содержащие металлы или сплавы и один или несколько видов керамических материалов. Композиции, в которых присутствие керамики улучшает свойства металла, называют дисперсно-упрочненными керметами или инфракерметами. Материалы, в которых металл совершенствует характеристики керамических веществ, именуют ультракерметами.

В качестве керамической составляющей в данных композитах обычно используются оксиды Al, Be, Mg, Zr, Th, U, карбиды W, Ti, Та, Nb, Cr, бориды Zr, Ti, а роль металлической компоненты играют тугоплавкие и металлы группы Fе и др. К керметам относятся твердые сплавы на основе Ni, Со, и карбидов W, Ti, Та, Mo, характеризующиеся высокой твердостью, прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью.

По свойствам и применению различают:

1. Высокотемпературные керметы, используемые для изготовления деталей газовых турбин, арматуры, электропечей, в ракетной и реактивной технике (Al₂О₃ - Cr; Al₂О₃;ТhO₂ – Cr, Mo; Al₂О₃ - W ,Сг), а также на основе карбида TiC.

2. Твердые, износостойкие керметы, употребляемые для производства изделий, работающих на износ или в качестве режущих инструментов (на основе карбидов и нитридов Ti, Tе, Hf и др.),

3. Керметы, применяемые в специальных областях техники, - в атомных реакторах (тепловыделяющие элементы и другие детали из композиций UO₂ - Al, МgО - Ni, Al₂О₃ - Cr), в электротехнике и электронной технике (С - Сu для электрощеток, ТhO₂ – Mo, ТhO₂ - W - для усиления эмиссионной способности катодов и др.), в тормозных устройствах (фрикционные материалы, содержащие металлические и неметаллические компоненты – Сu, Fe, Ni, Co, Al₂О₃, SiO₂ и др.).

Области применения МВКМ определяются не только механическими, но и физическими свойствами – электрическими, магнитными, ядерными акустическими и др. В армированных W-проволокой магнитотвердых материалах удается сочетать магнитные свойства с высоким сопротивлением ударным нагрузкам и вибрациям. Введение арматуры из W, Мо в медную и серебряную матрицу позволяет получать износостойкие электрические контакты, предназначенные для сверхмощных высоковольтных выключателей, в которых сочетаются высокие тепло- и электропроводность с повышенным сопротивлением износу и эрозии.

Принцип армирования можно положить в основу создания сверхпроводников, когда в матрицах из А1, Сu, Ti, Ni создают каркас из волокон и сплавов, обладающих сверхпроводимостью, например, Nb - Sn, Nb - Zr. Такой сверхпроводящий композит может передавать ток плотностью 10⁵ – 10⁷ А/см².

Дисперсно-упрочненные композиты на основе металлической матрицы (МДУКМ). В качестве металлической матрицы в данных КМ применяют порошкообразные (пудра) алюминий, никель, хром, молибден и ванадий. Роль армирующих добавок играют оксид алюминия, магния, тория, гафния, циркония и лантана, а также нитриды, карбиды, бориды титана, циркония, тантала, ниобия и других тугоплавких металлов. Все КМ данного типа имеют высокую коррозионную стойкость, не подвержены межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Они отличаются высокой радиационной стойкостью.

Цель создания никелевых ДУКМ является повышение жаропрочности и снижение высокотемпературной ползучести никеля и его сплавов. МДУКМ на основе алюминия применяют в изделиях длительно работающих при температурах 573 - 773 °С, из них изготовляют противопожарные экраны самолетов, теплообменники для авиастроения и химической промышленности, крепеж, ДКМ А1-С используется для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Никелевые ДУКМ применяют для изготовления деталей двигателей, подверженных воздействию температур до 1573 °С и невысоких напряжений. Такие условия работы характерны для деталей сопла, камер сгорания и форсажных камер авиационных двигателей. Дисперсно-упрочненный нихром используют в производстве горячих газопроводов, теплозащитных панелей, высокотемпературных крепежных деталей. Дисперсно-упрочненные композиты на основе хрома перспективны для изготовления рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей, нагревателей и электропечей. Для изготовления деталей, работающих в окислительной среде, используют молибденовые ДУКМ с покрытиями. Вольфрамовые ДУКМ, упрочненные оксидами, широко применяют в светотехнике, электротехнике и электронике. Из ДУКМ на основе серебра производят электрические контакты для низковольтной аппаратуры, обладающие высокими электро- и теплопроводностью, электроэррозионной и коррозионной стойкостью. Упрочненные оксидами фехрали (сплавы Fe-Cr-Al) используют в качестве нагревателей в электротехнической промышленности. Медь эффективно упрочняется тугоплавкими оксидами (ThO₂, BеO, Аl₂О₃). Сочетание высокой жаропрочности и электропроводности открывает возможности для изготовления из медных ДУКМ электроконтактов, обмоток роторов электродвигателей, трубчатых теплообменников. ДУКМ на основе титана с оксидами и карбидами служат для изготовления компрессорных дисков и других изделий, эксплуатируемых при 873-973 °С. ДУКМ на основе свинца с оксидами применяют в электротехнике (пластины кислотных аккумуляторов, ванны электрохимического хромирования). ДУКМ на основе платины используют для изготовления термометров сопротивления, высокотемпературных термопар, нагревательных элементов, сосудов для получения стекловолокон и др. При использовании МДУКМ увеличивается долговечность изделий, что позволяет получить существенный экономический и технический эффект.

Металлический эвтектический композит (МЭКМ) - естественный материал, структура которого формируется при направленной кристаллизации в процессе охлаждения металлического сплава, содержащего упрочнитель, введенный в расплавленный металл. Форма выделяющейся фазы бывает волокнистая или пластинчатая. Она определяется объемной долей упрочнителя. Если последняя составляет меньше 32 %, то для МЭКМ характерна волокнистая структура, а при большей концентрации - пластинчатая. Прочность волокон выше, поэтому волокнистое строение предпочтительнее пластинчатого. Прочность МЭКМ существенно зависит от структуры материала в значительной степени определяемой скоростью кристаллизации. Жаропрочные МЭКМ можно разделить на две группы: хрупкие и пластичные. Хрупкими, например, являются никелевые пластинчатые ЭКМ с объемной долей упрочнителя 33 – 35 %. К пластичным МЭКМ относятся: волокнистые композиты с невысокой долей упрочнителя (от 3 до 15 %), например, сплавы Ni, Со, упрочненные монокарбидами Та, Nb и Hf. Получены специально направленные эвтектики, состоящие из фаз с резко отличным электронным строением, обладают специфическими физическими свойствами: магнитными, термоэлектрическими, оптическими и др.

Преимущества эвтектических композитов заключается в простоте изготовления, высокой прочности связи на поверхности раздела и отсутствие окисных слоев. Недостатки: постоянство объемной доли эвтектической фазы, вследствие чего невозможно изменение их состава. Для реализации плоского фронта кристаллизации необходимо использовать высокочистые вещества без наличия примесей.

Передовые в техническом плане отрасли промышленности, такие как ракето-, авиа- и автостроение, являются лидерами в потреблении металлических композиционных материалов.