2772.Перспективные порошковые материалы

рошкового материаловедения (г. Пермь). Выполнен ряд исследований, в том числе имеющих важное значение для обороноспособности страны. В результате выполненных работ в Центре рекомендованы области применения материалов, представленные в табл. 18.

Но с конца 80-х годов по сегодняшний день финансирование работ в области высокопористых ячеистых материалов в РФ практически отсутствует. Выполняется незначительный объем исследований по заказам предприятий. В то же время в Западной Европе и США работы по созданию технологий и изучению свойств высокопористых ячеистых материалов финансируются в значительных объемах с разработкой конструкций различного назначения (табл. 19).

Таблица 1 8

Рекомендации по производству и применению высокопористых ячеистых материалов в РФ

101

Окончание табл. 1 8

Разработка высокопористых ячеистых материалов (пеноматериалов) и изделий из них может являться одним из направлений инновационного развития РФ.

При создании высокопористых ячеистых материалов для получения заданных свойств применяются процессы с элементами нанотехнологий для формирования наноструктурных составляющих и нанопористости.

Почему в качестве носителя каталитической системы авторами отдается предпочтение ВПЯМ? Как указывалось выше, ячейку ВПЯМ можно рассматривать как тетракисдодекаэдр. Известно, что внешний массообмен между потоком газа и пористой поверхностью характеризуется критерием Нуссельта, который использует для оценки ламинарности течения.

102

Таблица 1 9

Рекомендации по производству и применению высокопористых ячеистых материалов за рубежом

103

Если при описании пористости проницаемых материалов общеприняты такие параметры, как пористость и характеристика размера пор, то пористость ВПЯМ, полученных методом порошковой технологии, включает канальную пористость, микро- и нанопористость стенок, перемычек и пространство внутри ячеек материала – макропористость.

В отдельных задачах, связанных с течением потока газа или жидкости через основу ВПЯМ, определяющий вклад в проницаемость вносит макропористость, и именно она должна быть принята в качестве параметра структуры. Однако в ячеистой структуре имеют место перекрытия окна одной ячейки окном другой ячейки, в результате чего имеют место изменения режима течения. При канальной пористости при скорости потока 5–10 м/с реализуется ламинарный поток, а в ячеистых материалах при скорости 0,05 м/с уже наблюдается турбулизация потока, что значительно повышает массообмен. Все это увеличивает

104

эффективность применения ячеистых материалов в каталитических системах и позволяет надеяться на перспективу создания нового поколения катализаторов. При этом надо учитывать, что это не вся каталитическая система и что поверхность ВПЯМ развита незначительно, но выше, чем в сотовых структурах. На поверхность ВПЯМ наносят вторичный высокоразвитый наноструктурный слой с последующим нанесением на него каталитического слоя. Таким образом, формируется высокопористая ячеистая каталитическая система.

Физико-механические свойства ВПЯМ

Механизм деформации при сжатии наблюдали за поведением элементов каркаса, фиксируемым микрофотосъемкой.

Анализ фотоснимков образцов ВПЯМ–Сu при различных степенях деформации показал, что при сжатии тяжи подвергались сжатию с одновременным изгибом. Переход к изгибным деформациям носил тем более резкий характер, чем больше были диаметр ячейки (Dя) и пористость (П) образцов. У ВПЯМ с Dя равного 2 мм сначала деформировались тяжи наиболее ослабленного слоя приблизительно на высоту одной ячейки (рис. 40), а в дальнейшем деформация распространялась на тяжи прилегающего слоя ячеек. У ВПЯМ величиной Dя < 1,6 мм также наблюдалось смятие поперечного слоя, с наименее прочными тяжами, однако деформация распространялась более равномерно и дальнейшее уплотнение слоев происходило на высоту большую, чем Dя.

Установлено однозначное соответствие между характером деформации тяжей на микрофотографиях образцов ВПЯМ при различных степенях сжатия и соответствующими диаграммами нагружения. Диаграмма при сжатии имела переходные участки при тех же степенях деформации, при которых наблюдался ярко выраженный изгиб тяжей и потеря ими устойчивости. Чем более плавно совершалось сжатие с изгибом тяжей, тем более плавной диаграммой сжатия обладал ВПЯМ.

105

ки. При этом совершается определенная работа по переориентации тяжей.

На втором участке имеет место упругая деформация сжатия и изгиба тяжей, и протяженность участка зависит от их степени устойчивости. На этой стадии нагруженными оказываются тяжи и мембраны, ориентированные близко к направлению приложения внешнего усилия.

Третья стадия характеризуется необратимыми пластическими деформациями. Здесь происходит потеря устойчивости тяжей. Процесс, начавшись на одном из тяжей с невыгодной по отношению к направлению приложенного усилия ориентацией и наибольшей концентрацией микродефектов, распространяется на соседние тяжи, затем на ячейку и, наконец, на весь слой. В тяжах и мембранах происходит закрытие микропор и микротрещин. На участке нагруженными становятся все элементы каркаса независимо от их ориентации, что подтверждается наблюдаемыми поперечными деформациями образца за счет перемещения тяжей, ориентированных перпендикулярно направлению прикладываемого усилия.

На четвертом участке сдеформированные тяжи, мембраны, узлы и ячейки значительно уплотняются. При большой величине пластической деформации нарушается связность каркаса за счет разрушения тяжей и сдвига одной их части относительно другой.

В зависимости от величины П и Dя ВПЯМ наблюдаются некоторые отклонения от общей диаграммы. Так, для ВПЯМ с пластичной матрицей и Dя < 1,2 мм, П < 90–92 % практически не наблюдается третий участок. Из-за небольшого расстояния между тяжами и мембранами, принадлежащими одной ячейке, потеря устойчивости и уплотнение до взаимного соприкосновения перекрещивающихся элементов происходит практически одновременно (рис. 41, б).

В процессе деформирования образцов из ВПЯМ с П > > 94–95 %, Dя > 1,8 мм не наблюдается четвертый участок на диаграмме сжатия. При определенной величине деформации на

108

третьей стадии происходит снижение нагрузки вследствие полной потери устойчивости, смятия и разрушения тяжей наиболее ослабленного слоя (рис. 41, а, кривая 2). Процесс дальнейшего деформирования образца до момента полного выбора «слабины», образовавшейся в результате смятия слоя ячеек, практически происходит без возрастания напряжения, хотя величина пластической деформации становится значительной. После уплотнения разрушенного слоя наблюдается увеличение напряжения в образце и затем его смятие и разрушение по слою ячеек, прилегающему к разрушенному в предыдущем цикле нагружения. Этот процесс продолжается до полного смятия образца ВПЯМ.

Диаграмма сжатия образцов ВПЯМ с хрупкой матрицей, например, из SiC существенно отличается от рассмотренных выше (рис. 41, а, кривая 3). На первой стадии деформирования (ее протяженность существенно меньше, чем для ВПЯМ с пластичной матрицей) в случае даже незначительного отклонения от плоскостности оснований образцов наблюдается хрупкое разрушение наиболее невыгодно ориентированных элементов каркаса. Поэтому испытания на сжатие ВПЯМ–SiC проводили на специально подготовленных образцах, торцы которых заполнялись жестким связующим и шлифовались для придания им параллельности друг другу и перпендикулярности оси образца.

На второй стадии происходит упругая деформация тяжей. В тяжах образуются множественные микротрещины, размеры которых определяются структурной гетерогенностью материала. При достижении предельной концентрации микротрещин (начало третьей стадии) возникают условия для их взаимодействия с поверхностными дефектами, что приводит к потере устойчивости и разрушению наиболее нагруженных тяжей, невыгодно расположенных относительно направления приложения нагрузки. Дальнейшее нагружение образца приводит к формированию магистральной макротрещины, расположенной перпендикулярно направлению действия внешнего усилия.

109

Поведение ВПЯМ при кратковременном растяжении

Диаграмма «напряжение – деформация» при растяжении отражает специфические особенности деформирования ВПЯМ–Cu, в упругой и пластической области (см. рис. 41, б). Диаграмма характерна для ВПЯМ–Cu сП > 90 %.

На первой стадии деформации происходит выбор «слабины» в сетчато-ячеистой структуре, заключающийся в переориентации тяжей в направлении приложения растягивающего усилия. На второй стадии происходит упругая деформация тяжей. Далее начинается участок квазипластической деформации, отражающий процесс разрушения контактов в тяжах (раскрытие микропор и микротрещин) и вязкоупругой деформации вследствие увеличения радиуса кривизны тяжей.

После достижения нагрузки, соответствующей пределу прочности σв, начинается разрушение образца ВПЯМ. Ему предшествует, как показал микро- и макроструктурный анализ, появление макроразрывов в перенапряженных тяжах, геометрически невыгодно расположенных относительно направления приложения нагрузки и имеющих меньшую связность с матрицей. После разрушения тяжей, в которых напряжения достигли предела прочности матрицы, снижение нагрузки на образец тормозится сопротивлением менее напряженных тяжей, не оказывавших до этого момента активного противодействия. Происходящее перераспределение напряжений в образце ВПЯМ приводит к дополнительному нагружению неразрушенных тяжей, их последующей деформации и разрушению при медленном уменьшении нагрузки. Благодаря последовательному разрыву отдельных тяжей наблюдаются значительные деформации образца после достижения предела прочности σв.

При испытании ВПЯМ с менее пластичной матрицей (ВПЯМ–Cu с П < 89 % и Dя < 1,4–1,6 мм) протяженность третьей стадии значительно короче, а четвертая стадия на диаграмме деформации практически не наблюдается (рис. 41, б, кривая 2).

110