Технология конструкционных материалов

Керамические порошки получают как традиционными метода­ ми — синтезом из простых веществ, карботермическим синтезом, так и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), плазмохимическим и растворным синтезом, диссоциацией сложных соединений и электролизом. Размер частиц порошков находится в пределах от 20 нм до 500 мкм. Форма частиц порошков губчатая, ос­ колочная, округлая, ограненная, изометрическая, волокнистая. По­ рошки получают с кристаллической и аморфной структурами.

Получение порошков СВС-синтезом позволяет изготовить нит­ ридные и карбонитридные порошки за счет выделения энергии при азотировании кремния, алюминия, титана (экзотермическая реак­ ция). Композиционные порошки Si3N4-SiC получают при содержа­ нии в шихте до 50 % компонентов, образующих карбид кремния, так как синтез идет с поглощением энергии (эндотермическая реакция).

Карбидные материалы обладают совокупностью механических и физико-химических свойств, которая позволяет широко использо­ вать их в технике. Особое место среди карбидных материалов занима­ ют карбидокремниевые керамикй, как спеченные (SiC), так и реакци­ онно-связанные (Si/SiC), обладающие низкой плотностью, высокими прочностью при повышенных температурах, твердостью и износо­ стойкостью, низким температурным коэффициентом линейного рас­ ширения (TKJIP), химической стойкостью к агрессивным средам, ус­ тойчивостью на воздухе при высоких температурах. Такое сочетание свойств карбидокремниевых керамик обеспечивает им заметное улуч­ шение удельных механическиххарактеристик. Дальнейшее улучшение свойств SiC-керамик идет по пути их армирования, например, ните­ видными кристаллами, волокнами и алмазными частицами (табл. 8.1). Низкие технологические свойства SiC-керамик (плохая прессуемость, спекание при температуре свыше 2000 °С) требуют применения тех­ нологий, в которых предусматривается активация поверхности по­ рошка термомеханической обработкой или объемная активация взрыв­ ной обработкой, введение в шихту активирующих процесс спекания добавок (2...8 мае. %), в том числе активных наноструктурных по­ рошков (до 2 мае. %). Технологические свойства повышаются, если карбидную керамику использовать как компонент композиционного материала (например, композит SiC—Si3N4).

Карбидная керамика используется в качестве материала матриц алмазосодержащих композиционных материалов инструментального назначения. Тугоплавкие композиционные материалы и изделия из

них получают за счет химических реакций в объеме заготовки. Заго­ товки изготавливают из смеси порошков, которые формуются в изде­ лие требуемой формы на ранних стадиях технологического процесса. Затем осуществляютхимические реакции и получают конечное изде­ лие с последующим преобразованием состава и структуры материала. Высокая твердость и износостойкость полученных материалов край­ не затрудняют механическуюобработку новых изделий. Она осущест­ вляется алмазным инструментом или шлифованием. Наиболее пер­ спективно шлифование торцом шлифовального круга, так как этот вид шлифования обеспечивает менее жесткие температурные условия обработки.

Композиционные материалы алмаз — карбид кремния получают за счет химической реакции между кремнием и углеродом непосредст­ венно в объеме заготовки. Процесс создания материала ведут при ат­ мосферном давлении, что обеспечивает получение изделий сложной формы и больших размеров с уникальными физико-механическими свойствами.

Сочетание высокой упругости, теплопроводности, твердости и износостойкости в композитах позволило эффективно применять их в качестве инструментальных и конструкционных машинострои­ тельных материалов.

Наноструктурные материалы — перспективные новые материа­ лы с нанофазными структурными составляющими, размер частиц, кристаллитов или фаз которых не превышает 100 нм хотя бы в од­ ном измерении, что позволяет сформировать в материале комплекс уникальных физико-механических характеристик. Соизмеримость геометрического размера наночастиц с характерными размерами фи­ зических явлений (длиной свободного пробега электрона или фото­ на, размером электрического или магнитного домена, протяженно­

стьюдефектов кристаллической решетки типа дислокации) вызывает разнообразные размерные эффекты, а увеличенная поверхностная энергия и экстремальные условия образования частиц приводят к метастабильному состоянию материалов. Это проявляется в существен­ ном повышении прочностных характеристик наноструктурных мате­ риалов при сохранении ими высокой пластичности и низкого порога хладноломкости, полупроводниковом характере проводимости, су­ пермагнетизме, увеличении температуры перехода в сверхпроводя­ щее состояние, снижении температур фазовых превращений, изме­ нении оптических характеристик и т. п.

Ресурсо-, энергосберегающие и высокоэкологичные порошковые технологии наиболее перспективны в производстве наноматериалов. Исходным сырьем при этом являются ультрадисперсные порошки (с размером частиц не более 100нм), а также более крупные порошки, полученные в условиях интенсивного измельчения. Операции по­ рошковой технологии — прессование, спекание, горячее прессование

ит.п. — обеспечивают получение образца (изделия) заданных формы

иразмеров с соответствующей структурой и свойствами. Совокупность этих операций часто называют консолидацией (термин М.Ю. Бальшина). Применительно к наноматериалам консолидация должна обеспе­ чить практически полное уплотнение с сохранением наноструктуры материала {размер зерен не более 100 нм).

Наноматериалы подразделяют на консолидированные наномате­ риалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, нанопористые материалы, катализаторы. Это разделение условно, так как существуют гибрид­ ные металлополимерные или биополимерные нанокомпозиты, на-

нотрубчатые материалы.

Кконсолидированным наноматериалам относят компакты, пленки

ипокрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые традици­ онными методами порошковой технологии, интенсивной пластиче­ ской деформацией, контролируемой кристаллизацией из аморфного

состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покры­ тий. Однако получение консолидированных наноматериалов может осуществляться и принципиально новым методом с помощью «кван­ товых загонов», формирующих квантовые точки самосборкой атомов в сканирующем туннельном микроскопе (рис. 8.6). Фигура (пирамида) образуется в течение нескольких секунд, как только число атомов германия превысит некоторое критическое значение и начнется их

котемпературный, механохимический, электрохимический, терми­ ческий, растворный, криохимический; термическое разложение кон­ денсированных и газообразных продуктов.

1 4

Рис. 8.7. Схема установокдля измельчения:

а — аттритор (1 — корпус, 2 — шары, 3 — вращающаяся крыльчатка); б ~ вибрационная мельница (7 — двигатель, 2 — вибратор, 3— пружины, 4 - барабаны с шарами и измельчаемой шихтой)

2 1

Рис. 8.8. Схема установки магнетронного распыления:

1— катод-мишень; 2 — постоянный магнит; 3 — источник питания; 4 — анод; 5 — траектории движения электронов; 6 — зона (дорожка) распыления; 7— силовые линии напряженности магнитного поля

Рис. 8.9. Схема установки лазерного синтеза ультрадисперсных порошков методом испарения во взвешенном состоянии:

1 — лазер; 2 — фокусирующая система; 3 — фокусирование пучка света; 4 — продукт синтеза; 5— очиститель; 6 — реактор; 7— исходное сырье; 8 — решетка; 9 — подача и контроль газа; 10— газовый реагентдля химической реакции; 11 — бункер

Изготовление нанодисперсных порошков тугоплавких соедине­ ний лазерным синтезом отличается возможностью получения особо чистых порошков при очень малых их размерах (до нескольких нано­ метров) с относительно низкими затратами энергии, в то время как при плазменномметоде синтеза возможно загрязнение окончательно­ го продукта материалом электродов. Магнетронныйметод получения ультрадисперсных порошков предусматривает синтез частиц в аморф­ ной фазе с последующей кристаллизацией порошков в тугоплавкое соединение.

Разделение методов на физические и химические условно, так как при использовании физических методов происходят химические ре­ акции (при испарении в среде реакционных газов), а многие химиче­ ские методы основаны на физических явлениях (низкотемпературная плазма, лазерное излучение и др.). Химические методы, как правило, более универсальны и производительны, но управление размерами,

составом и формой частиц легче осуществляется при использовании физических методов.

Ультрадисперсные искусственные алмазы являются примером на­ номатериалов, производство и применение которых освоено в про­ мышленном масштабе. Сверхтвердые материалы изготавливают на основе алмазов с карбидной связкой.

Технология получения высокоплотной керамики повышенной прочности и композитов на ее основе включает:

1)производство (синтез) дисперсных высокочистых порошков;

2)подготовку порошков к формованию с созданием шихты (по­ рошковой смеси) одним из методов или сочетанием методов:

□активацией частиц размолом или взрывной обработкой;

□термохимической очисткой поверхности;

□введением технологических добавок (для случая предваритель­ ного холодного прессования);

□введением активирующих спекание добавок;

□смешиванием порошков (операции размола, введения добавок и смешивания могут осуществляться в одном агрегате);

3)формование порошков (горячее прессование, шликерное литье, прессование высоким давлением, инжекционное прессование и др.);

4)спекание в защитной атмосфере или вакууме;

5)отделочные операции (шлифование, алмазная обработка и т. д.). Из промышленных методов формования применяют горячее прес­

сование, инжекционное и изостатическое горячее прессование, гидро­ динамическое и взрывное прессование, термобарическое спекание, а также шликерное литье.

Область применения технической керамики — изоляционные, ферроэлектрические и полупроводниковые материалы, мягкие и твердые ферриты, светопроводящая и коррозионно-стойкая керамика, био­ логическое стекло, имплантанты, конструкционные жаропрочные и жаростойкие материалыдля изготовления керамическихдеталей дви­ гателей, теплообменников, газовых турбин, защитных покрытий, ре­ жущие материалы, шлифовальные круги и пасты.

Использование наноматериалов в промышленности, например в автомобилестроении, ставит перед нанотехнологией следующие за­ дачи: усовершенствовать фильтры для очистки отходящих газов; раз­ работать эффективные методы хранения и использования водорода, а также создать высокоэффективные системы преобразования энер­ гии; усовершенствовать электронное и компьютерное оборудование; создать безызносные пары трения, синтезировать высокопрочные

полимерные композиты. Их решение позволит создать высокоэко­ номичные и экологически чистые транспортные средства. Применение наноматериалов в машиностроении и инструментальной промыш­ ленности связано с созданием износостойкого режущего и бурового инструмента из сверхтвердых наноструктурных материалов на ос­ нове тугоплавких соединений и узлов трения в антифрикционных и фрикционных изделиях с высокими эксплуатационными свойства­ ми. В электротехнике и электронике наноматериалы применяются в трансформаторных сердечниках, магнитных усилителях и импульс­ ных источниках питания, а также в оборудовании для магнитной за­ писи и воспроизведения.

8.6. Керамико-полимерные материалы

Развитие микроэлектроники и электротехники связано с решением проблемы отвода тепла отрадиоэлектронной аппаратуры повышенной мощности и уменьшения потерь в нагревательных элементах электро­ техники. Проблема решается путем разработки и создания керамике< полимерныхматериалов с повышенными теплофизическими характе­ ристиками, химической и радиационной стойкостью, достаточной удельной прочностью, низкой плотностью. Основными компонента­ ми композиции являются керамические порошки оксидных, нитрид­ ных и карбидных соединений и полимерная связка. Наполнителем композиции могут служить также металлические порошки. Наиболь­ ший эффект получен при применении порошков нитрида алюминия, обработанных по специальной технологии, позволяющей получить оптимальное строение и размер частиц керамики (49...60 мкм) с ми­ нимальным объемным содержанием полимерной связки (до 20 %). В качестве полимерной связки нашел применение мономолекулярный силаксановый каучук, технология полимеризации которого относится к экологически чистым производствам. Полимеризация связующего компонента осуществляется при комнатной температуре в течение 30 мин.

Для повышения прочности керамико-полимерных композицион­ ных материалов осуществляют модифицирование структуры полимера за счет введения нанодисперсных керамических частиц (2...3 мае. %) либо путем упрочнения полимерной матрицы стеклотканью или стек­ ловолокнами. Теплофизические характеристики керамико-полимер-

ного материала повышают за счет введения специальных наполните­ лей (керамических и металлических порошков, порошков искусствен­ ного алмаза или графита), которые изменяют химический состав и повышают физико-механические свойства материала.

Технология получения композиционного материала состоитиздвух стадий: смешивания полимерной смолы, катализаторов, наполните­ лей, модификаторов и формования давлением с введением армирующих материалов. Смешивание осуществляют в специальных смесителях или непосредственно в процессе напыления смолы на упрочняющие волокна с использованием газовыхаппаратовдля напыления пластмас­ совых порошков. Формование пастообразной смеси (гелей) осущест­ вляют в специальных матрицах, аналогично получению пластмасс.

Из керамико-полимерных композиционных материалов получа­ ют эластичные теплоотводящие диэлектрики и, добавляя в них угле­ родные волокна, изготавливают гибкие нагреватели, в которых эти волокна служат нагревательным элементом. Технические характери­ стики гибких нагревателей представлены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Свойства теплоотводящих диэлектриков и гибких нагревателей

Гибкие нагреватели применяются в нагреваемых плитах прессов, а также для обогрева штампов, труб, емкостей, топливных насосов дизельных двигателей и др. Они представляют собой разборную или неразборную конструкцию, состоящую из углеродной тканой ленты с металлизированными контактами и керамико-полимерной эла­ стичной теплопроводящей изоляции.