Матричные материалы МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ МАТРИЦА Алюминий литейный и деформируемый

Матричные материалы МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ МАТРИЦА Алюминий (литейный и деформируемый) Титан Магний Медь Никель Кобальт КЕРАМИЧЕСКАЯ МАТРИЦА Механокерамика Термокерамика Электрокерамика Магнетокерамика Оптокерамика Хемокерамика Биокерамика Ядерная керамика Сверхпроводящая керамика Механокерамика: Si 3 N 4, Zr. O 2, Si. C, Ti. B 2, Zr. B 2, Ti. C, Ti. N, WC, B 4 C, Al 2 O 3, BN Термокерамика: Si. C, Ti. C, B 4 C, Ti. B 2, Zr. B 2, Si 3 N 4, Be. S, Ce. S, Be. O, Mg. O, Zr. O 2, Al 2 O 3, Ti. O

Матричные материалы Свойства некоторых типов оксидной и бескислородной керамики Керамика Плотность, , кг/м 3 Температура Предел Твердость плавления, прочности, по Моосу С МПа 2050 9 140… 265 2500… 2600 7– 8 148… 130 (20… 1500) 2570 9 105… 280 (20… 1200) 2680 6 98… 42 (25… 1300) 2600 9, 2. . . 9, 5 155 Модуль упругости, Е, ГПа 350… 490 172… 96 (20… 1350) 274… 70 (20… 1200) 300… 220 (25… 1300) 394 -Al 2 O 3 (корунд) Zr. О 2 (стабилизированная керамика) Be. O 3900 5600 Mg. O 3580 Si. C (карбид кремния, карборунд) Zr. B 2+10 % Mo 2 Si 3200 5500 2370 – – 450 BN 2340 2350 1– 2 Si 3 N 4 (нитрид кремния горячепрессованный) Mo. Si 2 3190 1900 – 50… 110 (25) – 10 (1000) 317 6240 2030 – 60 (1100) 430 3000

Матричные материалы Схемы механизмов повышения трещиностойкости конструкционной керамики Zr. O 2 тетрагональной модификации Пора Zr. O 2 моноклинной модификации Зона сжимающих напряжений Волокна

Матричные материалы Конструкция керамической бронепанели Бронебойная пуля калибра 12, 6 мм Защитное покрытие Пластина из оксида алюминия (t = 15 мм) 35 слоев кевлара

Матричные материалы ПОЛИМЕРНАЯ МАТРИЦА Полиэтилен: полиэтилен низкого давления (ПЭНД) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Деструкция материала происходит при температуре выше 290 С. Устойчив к действию разбавленных серной и азотной кислот, концентрированной соляной, фосфорной и плавиковой кислот. Перерабатывается литьем под давлением, экструзией, прессованием. Полипропилен: хорошо выдерживает изгиб, обладает высокой износостойкостью. В отсутствие воздуха термодеструкция проявляется при 300 С. Полипропилен устойчив к действию многих кислот и щелочей. К действию сильных окислителей полипропилен неустойчив. Полипропилен перерабатывается литьем под давлением, экструзией, вакуумформованием, пневмоформованием, раздувом, сваркой, прессованием, напылением, обрабытывается резанием. Полистирол: хрупкий полимер, обладающий высокой радиационной стойкостью, легко подвергающийся старению. Предел прочности составляет 35… 45 МПа. Термическая деструкция начинается при температуре выше 266 С. Полистирол устойчив к действию некоторых минеральных и органических кислот, щелочей, трансформаторного масла, разрушается концентрированной азотной и уксусной кислотами. Технологии переработки полистирола: литьем под давлением (Т = 160… 230 С, р = 80… 120 МПа), экструзией, вакуумформованием, пневмоформованием.

Матричные материалы Политетрафторэтилен – это линейный полимер, имеющий химическую формулу [-CF 2 -]n. В разных странах выпускаются следующие марки политетрафторэтилена: фторопласт-4 (Россия), тефлон (США), полифлон (Япония) и др. Обладает свойствами самосмазки, имеет низкий коэффициент трения. Это наиболее химически стойкий полимер, не подверженный действию грибков. Для него характерна высокая стойкость к действию высококонцентрированных и разбавленных кислот и щелочей, сильных окислителей. Перерабатываются методами порошковой металлургии. Полиметиленоксид – линейный полимер, имеющий химическую формулу [-CH 2 -0 -]n. Хорошо сопротивляется усталостным и динамическим знакопеременным нагрузкам, обладает низкой ползучестью, высокой износостойкостью. Коэффициент трения по стали составляет 0, 2. . . 0, 35. При переработке используют метод литья под давлением, экструзию. Температура переработки составляет 180… 240 С. Полифениленсульфид характеризуется высокой термостойкостью, устойчивостью к окислению, радиационной стойкостью. По химической стойкости уступает лишь политетрафторэтилену. Изделия из полифениленсульфида могут длительное время эксплуатироваться при 260 С, полное разложение происходит при 720 С. Механические и физические свойства полимера при 260 С сохраняются неизменными после выдержки в течение 200 ч. Полифениленсульфид перерабатывается литьем под давлением, прессованием, плазменным напылением, пропиткой тканей.

Матричные материалы Полифениленоксид – полиэфир линейного строения. В нашей стране известен как арилокс, в США – норил. Полимер нетоксичен, стоек к агрессивным средам, грибковой плесени. Перерабатывается по технологии литья под давлением, экструзией. Из полифениленоксида можно получать тонкостенные изделия сложной формы. Полиэтилентерефталат – сложный линейный ароматический полиэфир терефталевой кислоты (лавсан). Низкий коэффициент трения и гигроскопичностью. Полиэтилентерефталат усточив к действию слабых кислот, минеральных солей, эфиров, жиров. В изделия полимер перерабатывается по технологии литья под давлением. Поликарбонаты – это сложные полиэфиры угольной кислоты и диоксисоединений ( «дифлон» ). Полимер оптически прозрачен, устойчив к действию ультрафиолетового излучения, обладает низкой гигроскопичностью, стойкостью к действию микроорганизмов. Для изделий, изготовленных из него, характерна высокая стабильность размеров. Полиарилаты – сложные ароматические полиэфиры двухатомных фенолов. Обладают высокой прочностью и термостойкостью. В некоторых случаях успешно конкурируют с конструкционными металлическими материалами. Температура термического разложения полиарилатов составляет 420 С. Эти полимеры устойчивы к действию ультрафиолетового и ионизирующего излучения, к длительному воздействию разбавленных минеральных и органических кислот, бензина, керосина.

Матричные материалы Полиоксибензоаты характеризуются высокой термостойкостью, не плавятся вплоть до температуры разложения (~ 550 С). Кристаллическая структура полимеров сохраняется до температуры 530 С. Полиоксибензоаты являются износостойкими материалами, устойчивыми к коррозии. Они эффективны для изготовления полимерных композиционных материалов, предназначенных для работы при ~ 300 С. Изделия из полиоксибензоатов получают спеканием порошкообразного полимера. Полиимиды выпускаются в виде пресс-порошков марок ПМ-67, ПМ-69. Физикомеханические свойства полиимидов стабильны в широком температурном интевале (от – 200 С до +300 С). Коэффициент трения по стали составляет 0, 05… 0, 17. Для изделий, изготовленных их полиимидов, характерны низкая ползучесть при высоких температурах, высокая термостойкость и устойчивость к действию гамма-излучения, быстрых электронов и нейтронов. Полиамиды известны по маркам «капролон» , «найлон-7» , «найлон-11» и др. Для этих полимеров характерны высокая усталостная прочность, износостойкость, ударная вязкость, низкая гигроскопичность, стабильность свойств при повышенных температурах, резко выраженная температура плавления. Полиамиды устойчивы к действию органических растворителей. Основные способы получения изделий из алифатических полиамидов – литье под давлением и экструзия.

Матричные материалы Эпоксидные смолы обладают высокой стойкостью к действию щелочей, солей, окислителей, органических растворителей. Промышленностью выпускаются эпоксидно-диановые смолы (ЭД-10, ЭД-14, ЭД-16, УП-614 и др. ), эпоксиноволачные смолы (ЭН-6, 5 Н, 6 Э 18 Н 60 и др. ), циклоалифатические эпоксидные смолы (УП-612, УП-632, УП-648 и др. ). Полимерные композиционные материалы, изготовленные на основе эпоксидных смол, обладают высокими механическими свойствами. Фенолформальдегидные смолы – это полимеры, представляющие собой продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. В зависмости от условий поликонденсации образуются резольные (термореактивные) или новолачные (термопластичные) фенолформальдегидные смолы. Это хрупкие материалы с некристаллической структурой, обладающие высокими прочностными, электроизоляционными, антикоррозионными свойствами. Резиты устойчивы к действию большинства кислот. Температура деструкции фенолформальдегидных смол выше 300 С. Кремнийорганические полимеры (силиконы, полиорганосиликоны) представляют собой термостойкие высокомолекулярные элементооорганические соединения, содержащие в составе элементарного звена макромолекулы атомы кремния и углерода. Промышленностью выпускаются кремнийорганические смолы К-41, К-44, КО-916, КО 946 и др. Полимеры устойчивы к действию большинства кислот и щелочей.

Армирующие материалы Нуль-мерные: 1. Кластеры. 2. Нанопорошки. 3. Фуллерены. 4. Углеродные луковицы. Одномерные: 1. Углеродные нанотрубки 2. Нитевидные кристаллы (усы) 3. Нанопроволоки 4. Нановолокна 5. Нанонити Двухмерные: 1. Графен. 2. Наноглины. 3. Тканые полотна 4. Тонкие пленки

Армирующие материалы КЛАСТЕРЫ (от англ, cluster, букв. - пучок, рой, скопление), группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов, иногда ультрадисперсные частицы. Элементарная ячейка гранецентрированной кубической решетки, построенная вокруг центрального атома (затемнен) включает 12 его ближайших соседей. 13 -ти атомная ГЦК наночастица, имеющая форму 14 -гранника. Три пустые окружности в верхней правой части рисунка соответствуют трем атомам верхнего слоя, шесть затемненных окружностей и невидимый центральный атом составляют средний слой того рисунка, а пустая окружность слева внизу - один из тех невидимых атомов в нижней плоскости

Армирующие материалы Классификация нанокластеров Молекулярные нанокластеры Газовые безлегандные нанокластеры Коллоидные нанокластеры Образуются из металлокомплексных соединений в результате роведения п химических реакций в растворе: конденсация многоатомных кластеров; восстановление комплексов металлов. Получают с помощью: сверхзвукового сопла; газовой агрегации; испарения с поверхности твердого тела или жидкости. Образуются в растворах в результате химических реакций: Лиофильные (гидрофильные); Лиофобные (гидрофобные)

Армирующие материалы Схема сверхзвукового сопла для получения нанокластеров Схема истечения из сверхзвукового сопла с выходным диаметром D в вакуум, х – расстояние полета кластеров. Направление движения молекул газа и кластеров показаны стрелками.

Армирующие материалы Наноструктуры, возникающие в растворах с участием ПАВ 1 – мономеры, 2 – мицелла, 3 – цилиндрическая мицелла, 4 – гексагонально упакованные цилиндрические мицеллы, 5 – ламелярная мицелла, 6 – гексагонально упакованные обратные мицеллы

Армирующие материалы Классификация нанокластеров Твердотельные нанокластеры Матричные нанокластеры Кластерные кристаллы Образуются: в ходе твердотельных химических реакций; в результате спекания; под действием фотохимических реакций; в процессе перехода аморфной фазы в кристаллическую; в ходе механохимических реакций; под действием высоких давлений со сдвигом. Получают: методом низкотемпературной изоляции кластеров в матрице; синтезом с применением неорганических и органических сорбентов; ультамалые кластеры в цеолитах. Молекулярные кристаллы, которые за счет слабых вандерваальсовых или водородных связей. Биологические материалы в виде глобулярных или накопительных белков.

Армирующие материалы Нанопорошки Наночастицы порошка меди Наночастицы порошка карбида вольфрама

Армирующие материалы Основные методы получения порошковых наноматериалов Метод Вариант метода Материалы Физические методы Zn, Cu, Ni, Al, Be, Sn, Pb, Mg, Ag, Cr, Mg. O, Al 2 O 3, Y 2 O 3, Zr. O 2, Si. C В реакционном газе Ti. N, Al. N, Zr. N, Nb. N, Zr. O 2, Al 2 O 3, Ti. O 2 Измельчение Испарение и конденсация В вакууме или в инертном газе Fe-Cr, Be, Al 2 O 3, Ti. C, Si 3 N 4, Ni. Al, Ti. Al, Al. N Высокоэнергетическое разрушение Детонационная обработка Электрический взрыв BN, Si. C, Ti. C, Fe, алмаз Al, Cd, Al 2 O 3, Ti. O 2

Армирующие материалы Метод Вариант метода Материалы Химические методы Синтез Ti. C, Ti. N, Ti(C, N), VN, W Лазерный Si 3 N 4, Si. C, Si 3 N 4 -Si. C Термический Fe, Cu, Ni, Mo, W, BN, Ti. C, WC-Co Самораспространяющийся высокотемпературный Si. C, Mo. Si 2, Al. N, Ta. C Механохимический Ti. C, Ti. N, Ni. Al, Ti. B 2, Fe. Cu, W-Cu Электрохимический WC, Ce. O 2, Zr. O 2, WB 4 Растворный Mo 2 C, BN, Ti. B 2, Si. C Криохимический Термическое разложение Плазмохимический Ag, Pb, Mg, Cd Конденсированные прекурсоры Fe, Ni, Co, Si. C, Si 3 N 4, BN, Al. N, Zr. O 2, Nb. N Газообразные прекурсоры Ti. B 2, Zr. B 2, BN

Армирующие материалы Схема получения порошков в левитационно-струйном генераторе Схема установки для получения ультрадисперсных порошков оксидов

Армирующие материалы Схемы распыления жидкого расплава с применением потока инертного газа Соосным потоком Перпендикулярным потоком Схемы распыления жидкого расплава с использованием вращающегося электрода

Армирующие материалы Схемы установок для получения нанопорошков методом испарения-конденсации Схемы мельниц для тонкого измельчения сырья Шаровая мельница Нагрев сырья в печи Струйная мельница Нагрев сырья плазменной струей Дезинтегратор

Армирующие материалы Зависимость размера частиц размольного порошка Ti 44 C 56 от продолжительности размола в процессе механосинтеза карбида титана Темные окружности – размер частиц, полученный электронно-микроскопическим методом, светлые – получены по уширению рентгеновских дифракционных отражений.

Армирующие материалы Схема СВЧ – установки плазмохимического синтеза I – силовое оборудование (1 – микроволновой генератор), II – основное технологическое оборудование (2 – плазматрон, 3 – устройство ввода реагентов, 4 – реактор, 5 – теплообменник, 6 – фильтр, 7 – сборник порошка, 8 – дозатор реагентов, 9 - испаритель); III, IV – соответственно вспомогательное технологическое оборудование и блок управления (10 – вентили, 11 – ротаметры, 12 – манометры, 13 – система отчистки газов, 14 – скруббер, 15 – ввод плазмообразующего газа, 16 – ввод газаносителя, 17 – вывод газа)

Армирующие материалы Относительная активность частиц разных размеров Зависимость температура плавления наночастиц золота от диаметра наночастицы (10 А = 1 нм)

Армирующие материалы Фуллерены

Армирующие материалы Углеродные нанотрубки Идеальная однослойная углеродная нанотруба может быть представлена как свернутый в бесшовный цилиндр графитовый лист.

Армирующие материалы Примеры некоторых из возможных структур углеродных нанотрубок, зависящих от способа сворачивания графитового листа а - кресельная структура; б - зигзагообразная структура; в - хиральная структура.

Армирующие материалы Схематическое представление моделей многослойных нанотруб в виде матрешки (а), “швейцарского рулета” (б) и модели смешанного вида (в).

Армирующие материалы Строение многослойных углеродных нанотрубок Схема строения многослойной трубки с внутренними отсеками Схема локтевого соединения двух многослойных углеродных нанотруб Схема строения многослойной нанотрубы с “внутренней шап-кой”. (Шапка отмечена стрелкой) Схема нанотрубной шапки клювообразной формы. А - зона с пентагональными углеродными построениями, В - зона с гептагональными углеродными построениями. (Построено на основе электронномикроскопического снимка Ииджимы с соавторами )

Армирующие материалы Морфологические разновидности углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон а – нановолокно «столбик монет» ; б – нановолокно «елочной структуры» (стопка конусов, «рыбья кость» ); в – нанотрубка «стопка чашек» ( «ламповые абажуры» ); г – нанотрубка «русская матрешка» ; д – бамбукообразное нановолокно; е – нановолокно со сферическими секциями; ж – нановолокно с полиэдрическими секциями.

Армирующие материалы Механические свойства материалов Характеристика Графит Углеродные волокна МУНТ ОУНТ Сталь Прочность на растяжение, ГПа 100 3… 7 300… 600 300… 1500 0, 4 Модуль упругости, ГПа 1000 200… 800 Удельная прочность, ГПа 50 Удельный модуль упругости, ГПа Предельное растяжение, % 500… 1000… 5000 2. . 4 200… 300 150… 750 0, 05 500 100… 400 250… 500… 2500 26 10 1… 3 20… 40 26

Армирующие материалы Получение углеродных нанотрубок Схема установки для тполучения углеродных нанотрубок методом химического осаждения из пара Схема установки для получения углеродных нанотрубок способом лазерной абляции

Армирующие материалы Катушка с волокнами из нанотрубок. Кадр из видео исследователей Rice Univercity Инженеры из института Райса научились создавать из углеродных нанотрубок протяженные волокна, которые обладают высокой электропроводностью и превосходящей сталь прочностью. Работа ученых опубликована в журнале. Science, а ее краткое содержание приводит сайт университета. (http: //www. rialist. com/node/2197)

Армирующие материалы Углеродные луковицы Углеродные нанолуковицы состоят из сферических закрытых углеродных оболочек и обязаны своим именем концентрической слоистой структуре, напоминающей лук. Схематическая икосаэдрическая модель углеродной луковицы из десяти слоев Углеродная луковица

Армирующие материалы Углеродные луковицы a) схематическое изображение молекулы исходного наноалмаза; b) схематическое изображение молекулы наноалмаза после обжига при температуре 1400 С, с) схематическое изображение молекулы наноалмаза после обжига при температуре 2000 С, d) синтезированные нанолуковицы при обжиге наноалмаза при 2000 С; е) дуговой разряд между двумя углеродными электродами; f) облучение пучком электронов

Армирующие материалы Трансформация углеродной наночастицы в луковицу а, б – разрушение структуры наночастицы и изчезновение полости в центре частицы, в, г – реграфитизация нескольких поверхностных слоев, форма частицы стремиться к эллипсоидальной, д-з – форма частицы превращается в сферическую, коническая форма оболочек структуры становиться более совершенной.

Армирующие материалы Усы -Al 2 O 3 (сапфира) диаметром от 1 до 15 мкм

Армирующие материалы ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ТИПОВ «УСОВ» Температу Предел Удельный Модуль Удельная Материал ра Плотность, прочности модуль упругости, прочность, кристаллов плавления, кг/м 3 (максимальн упругости, Е 10 -4 кг/мм 2 км ОС ый), кг/мм 2 км Графит Si. C Be. O B 4 C Al 2 O 3 Si 3 N 4 Fe Cr Cu 3640 2665 2560 2450 2040 1675 1540 1665 1080 1660 3320 2770 2490 3880 3320 6370 7500 8860 7, 1 4, 9 3, 5 4, 5 6, 4 3, 1 2, 0 2, 3 1995 2100 1330 1400 2800 1400 1330 903 300 1075 650 450 525 425 200 125 25 42500 15200 12300 20000 10700 12000 3200 1500

Армирующие материалы ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ «УСОВ» ЖЕЛЕЗА И ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ОТ ИХ ДИАМЕТРА

Армирующие материалы СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ 1. Выращивание из покрытий; 2. Выращивание в электролите; 3. Осаждение из газовой фазы; 4. Получение кристаллов химическими методами; 5. Кристаллизация из растворов; 6. Вискеризация волокон.

Армирующие материалы ПРИБОР ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ «УСОВ»

Армирующие материалы ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГАЛОГЕНИДОВ Металл Галогениды Cu Cu. Cl Cu. Br Cu. J Ag Ni Co Fe Температура Максимальная восстановления, длина волокон, ОС мм Давление галогенида, мм. рт. ст. 650 50 10, 4 Ag. Cl Ag. J 800 10 0, 14 Ni. Br 2 Co. Br 2 Fe. Cl 2 Fe. Br 2 740 650 730 760 2 3 20 68 8 59

Армирующие материалы СХЕМА РОСТА КРИСТАЛЛА КРЕМНИЯ ПО МЕХАНИЗМУ ПАР–ЖИДКОСТЬ–КРИСТАЛЛ (ПЖК) Пар кремния Жидкий сплав Au-Si Пар кремния Кремниевая подложка Кристалл кремния

Армирующие материалы СХЕМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА ГРАФИТОВОЙ ЛЕНТЕ Барабан с тканью Камера загрузки Приемный барабан Камера выгрузки Газовая смесь Корпус печи Трансформатор Контейнер с Лента шихтой Направляющие Тянущие валики

Армирующие материалы СХЕМА РОСТОВОЙ СБОРКИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ AL 2 O 3 Кристаллы окисла алюминия Алюминиевый порошок Продольная перегородка Плита высокоглиноземистая

Армирующие материалы

Армирующие материалы Нанопроволоки – одномерные, анизотропные структуры, характеризующиеся малыми размерами в диаметре и большим отношением площади поверхности к объему. Методы получения: 1. Трафаретный синтез. 2. Процесс пар – жидкость – твердое тело (VLS). 3. Электрохимическое осаждение (ECD). 4. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD). 5. Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD). 6. Жидкофазный синтез. 7. Самосборка нанокристаллов в жидкой фазе.

Армирующие материалы Нанонити Углеродные нанонити Нанонити Zn. O

Армирующие материалы Реактор для синтеза углеродных наноразмерных нитей 1 – корпус реактора; 2 – горловина реактора; 3 – гайка; 4 – привод (эл. двигатель, редуктор, зубчатая пара); 5 – уплотнение вала шаровое; 6 – вал полый; 7 – опора съемная; 8 – основание; 9 – термопарный карман; 10 – рама; 11 – печь; 12 – хвостовик; 13 – ось

Армирующие материалы Графен — тончайший слой графита толщиной в одну молекулу. Коэффициент теплопроводности графена оказался равен 5300 Вт/(м К), что на 50 % выше, чем коэффициент теплопроводности углеродных нанотрубок и почти в 10 раз выше теплопроводности таких металлов, как алюминий и медь. Методы получения: 1. Метод термического разложения поверхности подложки Si. C. 2. Метод механического «отшелушивания» . 3. Радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD). 4. Рост при высоком давлении и температуре (HPHT).

Армирующие материалы Наноглины «Наноглина» — силикатный глинистый минерал с филлосиликатной или листовой структурой, толщина листов которой имеет порядок величины 1 нм, а линейные размеры поверхности составляют 50– 150 нм.