Алюминий и его сплавы. Алюминий – металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью, высокой электропроводностью

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью, высокой электропроводностью, температура плавления 660°С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Cu, Сr, Mg, Si, Zn, Mn, Ni).

В зависимости от содержания постоянных примесей различают:

• алюминий особой чистоты марки А999 (0,001 % примесей);
• алюминий высокой чистоты – А935, А99, А97, А95 (0,005…0,5 % примесей);
• технический алюминий – А35, А3, А7, А5, А0 (0,15…0,5 % примесей).

Технический алюминий выпускают в виде полуфабрикатов для дальнейшей переработки в изделия. Алюминий высокой чистоты применяют для изготовления фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

Сплавы на основе алюминия классифицируются по следующим признакам:

• по технологии изготовления;
• по степени упрочнения после термической обработки;
• по эксплуатационным свойствам.

Деформируемые сплавы. К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы:

• алюминия с марганцем марки АМц;
• алюминия с магнием марок АМг; АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуары для жидкостей и газов, детали вагонов.

В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы:

• нормальной прочности;
• высокопрочные сплавы;
• жаропрочные сплавы;
• сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы нормальной прочности. К ним относятся сплавы системы Алюминий + Медь + Магний (дуралюмины), которые маркируются буквой Д. Дюралюмины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью. Для упрочнения сплавов применяют закалку с последующим охлаждением в воде. Закаленные дуралюмины подвергаются старению, что способствует увеличению их коррозионной стойкости.

Дуралюмины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д16 – несущие элементы фюзеляжей самолетов, сплав Д18 – один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе Алюминий+Цинк+Магний+Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств, сплавы закаливают с последующим старением. Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные наружные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы алюминия (АК4-1, Д20) имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами. Жаропрочность сплавам придает легирование, замедляющее диффузионные процессы.

Детали из жаропрочных сплавов используются после закалки и искусственного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300°С.

Сплавы для ковки и штамповки (АК2, АК4, АК6, АК8) относятся к системе Алюминий+Медь+Магний с добавками кремния. Сплавы применяют после закалки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (АК6) и высоконагруженных штампованных деталей – поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и др.

Литейные сплавы. Для изготовления деталей методом литья применяют алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Для улучшения механических свойств сплавы легируют титаном, бором, ванадием. Главным достоинством литейных сплавов является высокая жидкотекучесть, небольшая усадка, хорошие механические свойства.

 

Медь и ее сплавы

Главными достоинствами меди как машиностроительного материала являются высокие тепло- и электропроводность, пластичность, коррозионная стойкость в сочетании с достаточно высокими механическими свойствами. К недостаткам меди относят низкие литейные свойства и плохую обрабатываемость резанием.

Легирование меди осуществляется с целью придания сплаву требуемых механических, технологических, антифрикционных и других свойств. Химические элементы, используемые при легировании, обозначают в марках медных сплавов следующими индексами:

А– алюминий; Вм–вольфрам; Ви– висмут; В–ванадий; Км–кадмий; Гл– галлий; Г–германий; Ж– железо; Зл– золото; К– кобальт; Кр– кремний; Мг–магний;

Мц– марганец; М – медь; Мш–мышьяк; Н– никель; О – олово; С – свинец; Сн – селен; Ср–серебро; Су–сурьма; Ти – титан; Ф– фосфор; Ц – цинк.

Медные сплавы классифицируют по следующим признакам:

по химическому составу на:

• латуни;
• бронзы;
• медноникелевые сплавы;

по технологическому назначению на:

• деформируемые;
• литейные;

по изменению прочности после термической обработки на:

• упрочняемые;
• неупрочняемые.

Латуни – сплавы меди, а которых главным легирующим элементом является цинк.

В зависимости от содержания легирующих компонентов различают:

• простые (двойные) латуни;
• многокомпонентные (легированные) латуни.

Простые латуни маркируют буквой «Л» и цифрами, показывающими среднее содержание меди в сплаве.
Например, сплав Л90 – латунь, содержащая 90 % меди, остальное – цинк.

В марках легированных латуней группы букв и цифр, стоящих после них, обозначают легирующие элементы и их содержание в процентах. Например, сплав ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5–латунь алюминиевоникелькремнистомарганцевая, содержащая 75 % меди, 2 % алюминия, 2,5 % никеля, 0,5 % кремния, 0,5 % марганца, остальное – цинк.

В зависимости от основного легирующего элемента различают алюминиевые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянистые, свинцовые и другие латуни.

Бронзы – это сплавы меди с оловом и другими элементами (алюминий, марганец, кремний, свинец, бериллий). В зависимости от содержания основных компонентов, бронзы делятся на:

• оловянные, главным легирующим элементом которых является олово;
• безоловянные (специальные), не содержащие олова.

Бронзы маркируют буквами «Бр» и буквенные индексы элементов, входящих в состав. Затем следуют цифры, обозначающие среднее содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят).

Например, сплав марки БрОЦС 5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5 %, остальное – медь (85 %).

В зависимости от технологии переработки оловянные и специальные бронзы подразделяют на:

• деформируемые;
• литейные;
• специальные.

Деформируемые оловянные бронзы содержат до 8 % олова. Эти бронзы используют для изготовления пружин, мембран и других деформируемых деталей. Литейные бронзы содержат свыше 6 % олова, обладают высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью; их используют для изготовления ответственных узлов трения (вкладыши подшипников скольжения).

Специальные бронзы включают в свой состав алюминий, никель, кремний, железо, бериллий, хром, свинец и другие элементы. В большинстве случаев название бронзы определяется основным легирующим компонентом.

Титан и его сплавы

Титановые сплавы классифицируют по:

• технологическому назначению на литейные и деформируемые;
• механическим свойствам – низкой (до 700 МПа), средней (700…1000 МПа) и высокой (более 1000 МПа) прочности;
• эксплуатационным характеристикам – жаропрочные, химически стойкие и др.;
• отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые;
• структуре (α-, α+β- и β-сплавы).

Деформируемые титановые сплавы по механической прочности выпускаются под марками:

• низкой прочности – ВТ1;
• средней прочности – ВТ3, ВТ4, ВТ5;
• высокой прочности ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Для литья применяются сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы.

 

Магний и его сплавы

Главным достоинством магния как машиностроительного материала являются низкая плотность, технологичность. Однако его коррозионная стойкость во влажных средах, кислотах, растворах солей крайне низка. Чистый магний практически не используют в качестве конструкционного материала из-за его недостаточной коррозионной стойкости. Он применяется в качестве легирующей добавки к сталям и чугунам и в ракетной технике при создании твердых топлив.

Эксплуатационные свойства магния улучшают легированием марганцем, алюминием, цинком и другими элементами. Легирование способствует повышению коррозионной стойкости (Zr, Mn), прочности (Al, Zn, Mn, Zr), жаропрочности (Th) магниевых сплавов, снижению окисляемости их при плавке, литье и термообработке.

Сплавы на основе магния классифицируют по:

• механическим свойствам – невысокой, средней прочности; высокопрочные, жаропрочные;
• технологии переработки – литейные и деформируемые;
• отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответственно сплав (М), и буквы, указывающей способ технологии переработки (А – для деформируемых, Л – для литейных), а также цифры, обозначающей порядковый номер сплава.

Деформируемые магниевые сплавы MA1, MA2, МА3, MA8 применяют для изготовления полуфабрикатов – прутков, труб, полос и листов, а также для штамповок и поковок.

Литейные магниевые сплавы МЛ1, МЛ2, МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6 нашли широкое применение для производства фасонных отливок. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной и автомобильной промышленности: картеры, корпуса приборов, колесные диски, фермы шасси самолетов.

Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

Баббиты и припои

Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения, используют сплавы, характеризующиеся низким коэффициентом трения, прирабатываемостью, износостойкостью, малой склонностью к заеданию.

К группе антифрикционных материалов относят сплавы на основе олова, свинца и цинка.

Баббиты – антифрикционные материалы на основе олова и свинца.

В состав баббитов вводятся легирующие элементы, придающие им специфические свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость; никель – вязкость, твердость, износостойкость; кадмий – прочность и коррозионную стойкость; сурьма – прочность сплава.

Баббиты применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках.

По химическому составу баббиты классифицируют на группы:

• оловянные (Б83, Б88),
• оловянно-свинцовые (БС6, Б16);
• свинцовые (БК2, БКА).

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты.

Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях,в конструктивных элементах подвижного состава железных дорог используют подшипники скольжения из кальциевых баббитов.

В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6 % олова и сурьмы, остальное – свинец.

Антифрикционные цинковые ставы (ЦВМ10-5, ЦАМ9-1,5) используют для изготовления малонагруженных подшипников скольжения. Такие подшипники успешно заменяют бронзовые при температурах эксплуатации, не превышающих 120 °С.

 

6.6 Неметаллические конструкционные материалы

Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы обладают высокой механической прочностью, низкой плотностью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Основой неметаллических материалов являются полимеры. Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Природные полимеры – натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест.

Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. этот процесс обратим, т. е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает.
Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным. Примером термореактивных полимеров могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В состав пластмасс входят связующее, наполнители, красители и пластификаторы. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем охлаждении.

В качестве связующих для большинства пластмасс используются синтетические смолы, реже применяются эфиры целлюлозы. Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например, полиэтилен, органическое стекло и др.

В качестве наполнителей используются порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения. После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механическую прочность, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства (фрикционные, антифрикционные и т. д.).

Для повышения пластичности в полуфабрикат добавляют пластификаторы (органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе эластичность, облегчает ее обработку. Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (различные амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок, служащие для декоративных целей).

Термопласты удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1…3%). Материал отличается большой упругостью, малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без наполнителя. В последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10…15%) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делят на следующие виды:

• порошковые (пресс-порошки с наполнителями в виде древесной муки, сульфитной целлюлозы, графита, талька, измельченных стекла, мрамора, асбеста, слюды);
• волокнистые (с наполнителями в виде очесов хлопка и льна, стеклянного волокна, асбеста);
• слоистые (содержащие листовые наполнители (листы бумаги, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани, древесный шпон);
• крошкообразные (наполнитель в виде кусочков ткани или древесного шпона, пропитанных связующим);
• газонаполненные (наполнитель – воздух или нейтральные газы). В зависимости от структуры последние подразделяют на пенопласты и поропласты.

Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойствам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами для машиностроения.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс – склонность к старению.

Резина

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку – главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При комнатной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости лежит в пределах 1…10 МПа, т. е. он в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают несжимаемой). При эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизоляционные свойства и низкая плотность.

В результате совокупности технических свойств резиновых материалов их применяют для амортизации и демпфирования, уплотнения и герметизации в условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для покрышек и камер колес самолетов, автотранспорта и т. д.

Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные добавки. Вулканизующие вещества (сера, селен) участвуют в образовании пространственно-сеточной структуры резин. Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца, магния и др. влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии окислов некоторых металлов (цинка и др.), называемых активаторами. Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. пластификаторы облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. В качестве пластификаторов используют парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество пластификаторов 8…30% от массы каучука. Красители – минеральные или органические вводят для окраски резин.

Неорганические конструкционные материалы

Неорганическим конструкционным материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям и имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом окислы и бескислородные соединения металлов. большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами. эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые окислы алюминия, магния, циркония и др., обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

Неорганические материалы подразделяют на неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы – ситаллы и керамику.

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор – сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания вязкости обеспечивается беспорядочная структура, свойственная жидкому состоянию.

В состав неорганических стекол входят:

o стеклообразующие окислы кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку;

o модифицирующие окислы натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы.

Кроме того, в состав стекла вводят окислы алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяют на:

• силикатные (SiO₂);
• алюмосиликатные (А1₂О₃ – SiO₂);
• боросиликатные (В₂О₃ – SiO₂);
• алюмоборосиликатные (А1₂О₃ – В₂О₃ – SiO₂);
• алюмофосфатные (А1₂О₃ – Р₂О₅) и др.

По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими окислы Na₂O, К₂О), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих окислов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей!

Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим количеством воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (от 20 до 130 кг/м³) и низкую теплопроводность.

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале температур от минус 60 до плюс 450…600°С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру (материал АТИМСС), рабочие температуры – до 150°С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна и синтетических смол, называются плитами. Коэффициент звукопоглощения плит при частоте 200…800 Гц равен 0,5; при частоте 8000 Гц – 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин самолетов, кузовов автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, корпусов судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклавы и т. д.

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов – более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты специального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии и последующей ситаллизации (кристаллизации). Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы LiO₂, A1₂O₃, SiO₂, MgO, CaO и др. и катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных металлов Аu, Ag, Сu, которые являются коллоидными красителями и находятся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатные соединения, ТiO₂ и др., представляющие собой глушители, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек.

Керамика – неорганический материал, получаемый из окислов алюминия (глины) в процессе высокотемпературного обжига.

Керамика на основе чистых оксидов. Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры. С повышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Бескислородная керамика. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900…1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300…1700°С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Графит является одной из аллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения. Не плавится при атмосферном давлении. Графит встречается в природе, а также получается искусственным путем.

 

6.7 Композиционные конструкционные материалы

Композиционные материалы представляют собой объемное сочетание двух или нескольких химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами) и характеризуются свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты в отдельности. Композицию получают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала (наполнителя), который добавляется с целью получения специальных свойств (Рисунок 3.6). Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц, входящих компонентов могут колебаться от сотых долей микрометра до нескольких миллиметров. Физико-механические свойства композиционных материалов в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут изменяться в широких пределах. В результате этого открывается возможность конструирования материалов с заданными свойствами.

В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно разделить на следующие основные группы:

- композиции с металлической матрицей – металлические композиционные материалы;

- с полимерной – полимерные композиционные материалы;

- с резиновой – резиновые композиционные материалы и с керамической – керамические композиционные материалы.

По типу арматуры и ее ориентации композиционные материалы подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные композиционные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят композиционные материалы с порошкообразными наполнителями.

У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмернонаправленные. В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные композиционные материалы, содержащие в своем составе три и более компонентов.

В качестве материалов матриц для изготовления металлических конструкционных материалов применяют:

• легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния;
• сплавы на основе титана, меди;
• жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта;
• тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена и ниобия.

 

Рисунок 6.4 – Схема структуры (а) и схемы армирования композиционных материалов непрерывными волокнами (б)

 

Для армирования композиционных материалов с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы.

Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из таких композиционных материалов характеризуются высокой прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах до 300…450°С.

Волокна карбида кремния и вольфрама предназначены для армирования жаропрочных композиционных материалов на основе никеля и хрома с рабочими температурами до 1100…1300°С.

Термостойкие и жаропрочные волокна из оксидов алюминия и циркония эффективны для армирования композиционных материалов, работающих при температурах 1400…1600°С.

Проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов используют для армирования высокопрочных композиционных материалов.

Нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений как карбиды кремния, бора, оксида алюминия и др. используют в качестве армирующего материала для получения жаропрочных и высокопрочных композиционных материалов.

 

7 Наноразмерные материалы

7.1 Классификация наноэлементов и наноматериалов

Для обозначения нового класса материалов используем, получивший широкое распространение, термин «наноматериалы». Основное отличие наноматериалов от традиционных состоит в том, что образующие или входящие в их состав морфологические структурные элементы (наноэлементы) имеют хотя бы в одном направлении размер нанометрового уровня. По сложившемуся к настоящему времени мнению верхний предел этого уровня ограничивается величиной 100 нм. По аналогии с классификацией упрочнителей композиционных материалов наноэлементы можно разделить на три группы: нуль-мерные, одномерные и двумерные. К нуль-мерным наноэлементам относятся наночастицы, нанозерна, нанокластеры и т.д., имеющие в трех измерениях нанометровые размеры. Одномерные элементы – это нановолокна, нанопроволока и т.д. с нанометровыми размерами в двух направлениях в сечении и значительным размером в третьем измерении, то есть по длине. Двумерными элементами являются нанослои, нанопленки, в том числе и в виде нанопокрытий, имеющие толщину нанометрового размера. Следует разделять понятия «наноэлементы» и «нанообъекты». Их отличие состоит в том, что первые являются составной частью наноматериалов, а вторые – изолированы. Для их индивидуального обозначения следует использовать уже сложившиеся названия: нанокластеры, наночастицы, нановолокна, и т.д., а также такие новые названия как фуллерены, углеродные нанотрубки, графен. Классификация нанообъектов по форме аналогична представленной ранее классификации наноэлементов.

По количественному признаку наноматериалы могут быть разбиты на две группы. Схема классификации наноматериалов приведена на рис.7.1.

В первую группу «наноструктурированные материалы» входят материалы, у которых все морфологические структурные элементы являются наноразмерными.

Во второй группе – «нанокомпозиты» количественное содержание наноэлементов составляет лишь некоторую долю. В свою очередь группы подразделяются на подгруппы по форме или структуре одного из наноэлементов.

Например, первая группа включает в себя подгруппы: нанокластерные, нанослоистые материалы и т.д. Вторая группа – нанокристаллические композиты, нановолокнистые композиты и др.

Рисунок 7.1 - Классификация наноматериалов

7.2 Основные признаки, структура и свойства нанообъектов

Конструкционные наноматериалы, являясь «массивными» ведут себя подобно традиционным материалам. Однако уровень свойств будет определяться свойствами образующих их наноэлементов. Поэтому целесообразно выделить их отличительные признаки. В этом отношении наноэлементы идентичны нанообъектам, которые изучены наиболее досконально. Прежде всего, принадлежность любого объекта к разряду «нано» определяется размерным фактором, то есть количеством атомов, образующих этот объект или его размерами. Следует отметить, что этот признак не является чисто формальным, поскольку структура нанообъекта зависит от его размеров.

Другим признаком нанообъектов является существование характерных или пороговых значений их размеров. Принято к нанообъектам относить объекты с размерами до 100 нм. Однако характерный размер 100 нм является условным в том плане, что в зависимости от природы определяемых свойств, например, физических, химических либо механических он может быть различным. При уменьшении размеров нанообъектов начиная с этого порога их свойства кардинально меняются. Так, при уменьшении размеров начиная с величины, определяемой длиной волны де Бройля для электронов, нанокластер приобретает признак, присущий только атомам, а именно – квантовый размерный эффект. Для металлов этот порог составляет порядка 0,5 нм.

Другой пороговой величиной, определяющей температуру плавления нанообъекта, считается размер порядка 10 нм. При меньших размерах температура плавления интенсивно снижается и тем в большей степени, чем мельче объект. В качестве примера эта зависимость представлена на рис. 7.2 для чистого металла.

Сплошная линия – расчетные значения, точки – экспериментальные значения, пунктир – температура плавления макроскопического образца

Рисунок 7.2- Зависимость температуры плавления от диаметра наночастицы золота

В отличие от физико-химических свойств, определяемых электронным строением атомов, основные механические свойства являются структурно-чувствительными, то есть зависимыми от конструкций различных построений атомов. Пороговые величины размеров нанообъектов, определяющих характер изменения механических свойств остаются не выясненными. Однако в формировании этих свойств особая роль отводится поверхностному слою и доле, которую он составляет в общем объеме нанообъекта. Ориентировочное представление об объемных соотношениях поверхностного стоя и, соответственно, внутренней области нанообъектов в зависимости от их размеров может быть получено путем проведения простых расчетов. В качестве исходных данных примем, что нанообъекты имеют сферическую форму, а их поверхность представляет собой моноатомный слой толщиной, соответствующей усредненному размеру диаметра металлического атома – 0,33 нм. Расчеты проводились для интервала размеров нанообъектов от 1 до 100 нм. Нижний предел соответствует наименьшему, из теоретически возможных, кластеру с плотноупакованной ГЦК структурой. Он включает в себя центральный атом, окруженный максимально возможным количеством равновеликих атомов. Число таких атомов составляет 12. Максимальных диаметр нанообъекта в соответствии с общепринятыми представлениями принят равным 100 нм. Результаты расчетов представлены на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 - Изменение доли поверхностной (δп) и внутренней (δв) областей в зависимости от диаметра сферического нанообъекта

По интенсивности изменения долей поверхностного слоя (δ_п) и внутренней области (δ_в), в зависимости от диаметра нанообъекта (Д), четко можно выделить три участка. Первый участок включает нанообъекты с размерами ориентировочно от 3 до 1 нм. При размере 3 нм объем или количество атомов приходящихся на поверхностную или внутреннюю области равны, то есть составляют ориентировочно по 50% каждый. При уменьшении диаметра объектов до 1 нм доля поверхностного слоя резко возрастает до 99%, а доля внутренней области соответственно снижается до 1%. На втором участке, включающем нанообъекты с уменьшающимися размерами от 50 нм до 3 нм, имеет место менее интенсивный рост δ_п и, соответственно, снижение δ_в. Доля поверхности в этом интервале увеличивается с 4% до 50%. В свою очередь доля внутренней области снижается с 96% до 50%. Наконец, третий участок, с размерами нанообъектов, изменяющимися от 100 нм до 50 нм, характеризуется крайне малым от 2% од 4% вкладом поверхности в общий объем нанообъекта при значительном от 98% до 96% вкладе внутренней области.

По величине δ_п или по соответствующему ей диаметру сферических нанообъектов последние можно подразделить на три группы по аналогии с градацией участков на зависимости δ_п =f(Д). Первая группа нанообъектов имеет размеры от 1 нм до 3 нм и δ_п от 99% до 50%, вторая – от 3 нм до 50 нм и δ_п от 50 до 4% и третья от 50 нм до 100 нм и δ_п от 4% до 2%. Указанные размеры Д и величины δ_п можно считать пороговыми для различных групп нанообъектов. Однако градацию нанообъектов по группам более правильно проводить используя δ_п. Тем не менее, поскольку определение δ_п экспериментально практически невозможно, оценка нанообъектов проводится по их размеру. В этом случае нужно принимать во внимание следующее. В реальных условиях поверхность нанообъектов не идеальна, а их форма отличается от сферической. Это означает, что такие нанообъекты имеют более развитую поверхность и для одних и тех же значений δ_п их размер должен быть выше, чем у идеальных сферических объектов.

Влияние поверхностного слоя на структуру и свойства нанообъектов обусловлено его особым структурным состоянием. Оно проявляется в том, что атомы, расположенные на поверхности, имеют ненасыщенные связи, а также более низкие, чем в объеме, координационные числа и, соответственно, меньшую величину межатомной силы связи. Поверхностный слой характеризуется повышенной в сравнении с объемом энергией, что является причиной деформации кристаллической решетки нанообъекта или образования новой структуры [5].

Естественно предположить, что структурное состояние нанообъектов непосредственно связано с величиной доли их объема, приходящейся на поверхностный слой (δ_п). С использованием этого признака можно гипотетически представить схему изменения структуры по сечению как нано- так и микрообъектов от поверхности к сердцевине (рис.7.4.а), а также провести подразделение их на группы по структурному или размерному признаку (рисунок 7.4.б). Представленная зависимость изменения твердости по сечению нанообъекта базируется на следующих положениях. Во-первых, свойства зависят от типа структуры и в этом плане являются достаточно предсказуемыми. Далее, в отличие от структуры массивных объектов, структура нанообъектов не зависимо от ее типа имеет общую особенность. Она вытекает из следующего признака нанообъектов. Он состоит в том, что в отличие от микро- и макрообъектов у нанообъектов отсутствует трансляционная симметрия в распределении свойств, то есть имеет место их изменения от точки к точке в каком либо направлении. Например, твердость меняется от поверхности объекта к его сердцевине как это показано на рис.7.4.а. Между свойствами и структурой существует связь, а именно плавное изменение свойств по объему нанообъекта свидетельствует о соответствующем постепенном изменении в расположении атомов при переходе от одной плоскости или поверхности расположения атомов к другой. В соответствии с этим можно представить последовательность изменения структуры по объему объекта (рис.7.4.а). Поверхностный слой I находится в квазиаморфном состоянии. Затем следует переходная область II с особой, назовем ее кластерной структурой. Далее идет приповерхностная область III с искаженной кристаллической структурой. Внутренняя или центральная область IV имеет стабильную не искаженную кристаллическую решетку, присущую микро- и макрообъектам.

 

I, II, III, IV – области различных структурных состояний; 1,2,3,4 – группы объектов.

Рисунок 7.4 -Схема изменения структуры и твердости Н по сечению объектов на расстоянии h от поверхности к сердцевине (a) и их классификация по структуре или размеру диаметра D (б)

Данная схема, может быть положена в основу разделения объектов на группы по структурному или размерному признаку (рис.7.4.б). В порядке увеличения размеров первую группу (1) составляют нанообъекты с квазиаморфной (I) структурой. Эту группу можно отнести к малоразмерным нанокластерам, свойства которых определяются в основном электронной структурой. Они, существуя изолированно, могут, при создании определенных условий, образовывать специфическую атомную структуру в виде оболочек и пленок. К ним, например, принадлежат молекулярные кластеры, представляющие собой различного типа фуллерены, углеродные нанотрубки, графен и.т.д. Образование этих структур является следствием проявления следующего признака нанообъектов – формирования их структуры зависит от состояния и соответственно воздействия внешней среды.

Вторая группа (2) включает в себя квазиаморфный (I) поверхностный слой и внутреннюю область с кластерной (II) структурой. В целом нанообъекты 1 и 2 групп можно отнести к разряду нанокластеров. Нанокластеры представляют собой структурные образования атомов с двумя (димеры) и большим их количеством, отличающиеся от кристаллической структуры, присущей нанокристаллам, микро- и нанообъектам.

Нанообъекты третьей группы (3) имеют аналогичное предшествующим группам расположение структур в последовательности I,II. Далее следует центральная область со структурой искаженной кристаллической решетки (III). По мере увеличения размеров нанообъекта степень искажения кристаллической решетки уменьшается вплоть до нулевого значения. Нанообъекты 3-ей группы, содержащие кристаллическую составляющую, относятся к разряду нанокристаллических объектов. У более крупных объектов (группа 4) в центральной части появляется область с неискаженной кристаллической решеткой (IV). Вне зависимости от размера этой области параметры её решетки и свойства будут постоянными. Указанные признаки являются характерными для микрообъектов. Однако, следует иметь в виду, что свойства микрообъектов будут зависеть от размеров до тех пор пока с ростом последних вклад в свойства поверхностных областей не станет ничтожно малым. С этого момента следует относить объекты к разряду «микро», а предшествующее их состояние рассматривать как переходное.

В технической литературе приводится значительное количество экспериментальных данных, которые находятся в согласии с предложенной схемой структурного состояния нанообъектов. Прежде всего они подтверждают зависимость структуры от величины δ_п. Так, например, с уменьшением размера и, следовательно, увеличения δ_п нанообъектов (частиц) Fe, Cr, Cd, Se наблюдается исчезновение кристаллической и появление аморфной структуры. Однако, учитывая что в нанообъектах изменение структуры по сечению или объему подчиняется определенной закономерности или порядку, следует рассматривать ее как квазиаморфную. Можно считать экспериментально доказанным, что кристаллическая решетка нанообъектов находится в искаженном деформированном состоянии, что соответствует области III. Общепризнанным является так же то, что эти искажения обусловлены воздействием поверхностного слоя, создающего сжимающие напряжения. Этот квазиаморфный слой (I) имеет специфические особенности присущие поверхности и учитывая её неровность может простираться на глубину от 1 до 2 нм.

В итоге можно сказать, что существование областей I, III и тем более IV (массивные объекты) не вызывает сомнений и подтверждается экспериментально. Необходимость проявления второй структурной составляющей (II) обуславливается следующим. Вторая структурная составляющая обеспечивает плавный переход между резко отличающимися между собой квазиаморфной (I) и кристаллической (III) структурами. По этой причине она должна обладать особым строением, которое можно назвать кластерным.

Находит подтверждение также возможность существования различных групп и пороговых размеров нанообъектов. Особенность состоит в том, что помимо пороговых размеров нанообъектов имеют место и пороговые размеры образующих их структурных областей. Последние характеризуются соответственно верхним и нижним пороговыми размерами. Пороговый размер нанообъектов первой группы составляет ориентировочно 1..2 нм. Относительно порогового размера нанообъектов второй группы можно отметить следующее. В литературе приводится минимальный размер нанообъектов, сохраняющих кристаллическую структуру. По нашей классификации он соответствует пороговому размеру нанообъектов второй группы. Наблюдается большой разброс этих пороговых значений, которые в зависимости от метода их определения составляют: при рентгеновском и электронографическом исследованиях от 3 до 5 нм, при использовании других физических методов от 1 до 40 нм. Пороговый размер нанообъектов третьей группы, принимая во внимание утвердившееся мнение о максимальном размере нанообъектов, составит 100 нм. Объекты четвертой группы, относящиеся к массивным, естественно не имеют пороговых значений.

Пороговые размеры определяются структурой объекта, которая в свою очередь зависит от химического состава и технологии получения В последнем случае немаловажной особенностью нанообъектов или их признаком является зависимость формирования структуры и свойств от контакта с окружающей средой. Воздействие этих факторов на структуру нанообъектов предполагает не только изменение толщин структурных слоев, но и перестройку структуры.

Возможность образования таких новых структур объясняется следующим. При уменьшении размеров нанообъекта доля поверхности (δ_п) в общем его объеме возрастает. Увеличивается поверхностная и, соответственно, полная энергия системы. Для ее снижения оказывается выгодным образование не только кластерных, но и новых плотноупакованных кристаллических структур.

Можно также прийти к следующим выводам. Образование новых кристаллических структур возможно только у нанообъектов малых размеров, т.е. относящихся ко второй группе. В отличие от всех других структур, новая структура не может присутствовать в составе более крупных (группы 3 и 4) объектов. Отсюда следует, что при образовании и росте нанообъектов возникшая в начальный момент новая кристаллическая структура должна претерпевать соответствующую трансформацию.

В целом можно считать, что пороговые размеры нанообъектов при оценке их механических свойств определяются структурой. В свою очередь она зависит от химического состава и технологии получения объектов. Для материалов одного и того же химического состава определенную роль в формировании структуры нанообъектов оказывает технология. В связи с этим в основу классификации нанообъектов иногда закладывается фактор их происхождения и получения. Тем не менее, при одинаковых перечисленных условиях, фактором, определяющим структуру и свойства нанообъектов, будет являться их размер.

 

7.3 Нанотехнологии

Получение микро- и наноэлементов, а также нанообъектов возможно двумя принципиально разными путями. Первый из них, называемый «путем сверху», осуществляется измельчением макрообъектов. В качестве примера можно привести использованние для этой цели различных способов механического измельчения порошков, распыления расплавов, интенсивной пластической деформации металлов и т.д. Второй путь, называемый «путь снизу» - это построение микро-, наноэлементов и нанообъектов из атомов посредством применения химических реакций, использования кристаллизации, рекристаллизации и др.

Основу нанотехнологий составляют различные способы получения наноматериалов

В настоящее время идет интенсивная разработка новых способов с целью получения уникальных по своим свойствам материалов и создания технологий для их промышленного производства. Перспективность этого направления в развитии материаловедения не вызывает сомнений, однако его практическая реализация сопряжена со значительными трудностями, которые вполне разрешимы.

Примером нанотехнологии, широко применяемой в промышленности, может служить термическая обработка сплавов различных классов, состоящая в их закалке и последующем старении. Материал, образующийся в этом случае, представляет собой нанокомпозит, максимальное упрочнение которого обеспечивают зоны Гинье-Престона. Они представляют собой небольшие скопления атомов растворенного в твердом растворе элемента, имеющие форму сфер или дисков нанометровых размеров. Скопления могут рассматриваться как когерентные зародыши промежуточных или равновесных фаз, образующихся на заключительных стадиях.

В общем случае требования к нанотехнологии сводятся к следующему. Она должна обеспечивать формирование наноструктурного состояния материалов и их получение в объемном виде, пригодном для изготовления деталей конструкционного назначения.

Задача формирования наноструктуры может решаться либо построением наноэлементов «снизу», начиная с атомарного уровня, либо «сверху» - посредством измельчения микро- и макрообъектов и элементов до соответствующего размерного уровня.

Теоретически имеется потенциальная возможность формирования наноэлементов «снизу» у любых материалов. Это связано с тем, что они в процессе различных превращений проходят стадию образования и роста зародышей, представляющих собой наноэлементы. Структурные превращения имеют место при кристаллизации, перекристаллизации, рекристаллизации, закалке, старении материала, его конденсации из газовой среды и т.д. Эти процессы могут быть положены в основу разработки способов и технологий получения наноэлементов. Другим необходимым условием формирования наноструктурированного материала является обеспечение высокой скорости образования зародышей и замедления их роста. При выборе эффективной технологии можно руководствоваться тем, что наноэлементы одинакового размера или содержащие одинаковое количество атомов могут быть получены различными способами.

Нанотехнологии конструкционных материалов одновременно с формированием наноструктуры должны обеспечивать получение наноматериалов в объемном виде. Существуют различные способы реализации этих требований. К настоящему времени разработан ряд способов, основными из которых являются следующие:

1) компактирование нанопорошков;

2) кристаллизация аморфных сплавов;

3) пластическая деформация;

4) осаждение на подложку.

Компактирование нанопорошков

Способ является наиболее универсальным для создания нанокристаллической структуры в разнообразных материалах. Он включает в себя операции: получение нанопорошков (нанообъектов), прессование заготовок и их спекание. Основная цель первой операции – обеспечить наноструктурное состояние конечного продукта (материала). Цель последующих операций – получить материал в консолидированном объемном виде при сохранении наноструктурного состояния.

Существует большое количество способов измельчения, которые могут быть подразделены на группы в зависимости от лежащих в их основе механизмов.

Механическое измельчение реализует принцип получения нанообъектов «сверху» и осуществляется путем дробления и истирания твердых материалов, а также диспергированием расплавов. Измельчение по механизму дробления и истирания проводят в мельницах различного типа – шаровых, вибрационных, планетарных, струйных и т.д. Перевод традиционных технологий получения порошков в разряд нанотехнологий требует решения ряда проблем. Одна из них состоит в обеспечении высокой степени измельчения. Степень измельчения зависит от свойств материала, типа используемого для этой цели оборудования, режимов измельчения и особенно его продолжительности. Последняя, например, для шаровых вибромельниц, которые отличаются высокой интенсивностью измельчения, может достигать 300 часов. Средние размеры частиц нанопорошков, получаемых механическим измельчением, составляют от 2 до 200 нм. При длительном измельчении возможен механохимический синтез материалов. Таким способом, например, получают нанокомпозитную смесь WC-Co при совместном помоле крупных порошков W, C и Co.

В некоторых случаях при помолах различных материалов не удается достичь узкого распределения частиц нанопорошка по размерам и приходится решать задачу разделения их по фракциям.

Вне зависимости от способа получения нанопорошков можно отметить присущие им общие особенности. Большая удельная поверхность нанопорошков создает трудности при их переработке в компактный материал. В порошках образуются скопления частиц, называемые агломератами. Эти объединения являются пористыми, но достаточно прочными, что препятствует достижению высокой плотности материала при прессовании заготовок и последующем спекании. Развитая поверхность нанопорошков легко адсорбирует различные примеси, особенно кислород, а также водород. Соответственно, чем мельче частицы порошка, тем больше количество адсорбированных ими газов. При взаимодействии нанопорошков с атмосферой возможно их самовозгорание, т. е. они становятся опасными в процессе изготовления и хранения. К таким порошкам относятся порошки железа, кобальта, алюминия, циркония, титана и некоторые другие. По этой причине при изготовлении нанопорошков металлов и сплавов, за исключением карбидов, оксидов и некоторых других требуется защита частиц от окисления. Для предупреждения окисления используются различные способы. Например, помол порошка осуществляется в защитных атмосферах азота или аргона. Предлагается покрывать частицы защитной пленкой, которая полностью удаляется в процессе нагрева порошковых прессовок при спекании.

Помимо измельчения материалов в твердом состоянии для получения нанопорошков используется процесс газового и центробежного диспергирования расплава металла. В первом случае он осуществляется распылением струи жидкого металла потоком инертного газа. Основными факторами, определяющими дисперсность порошка, будут вязкость, поверхностное натяжение расплава и энергия газового потока. Важным достоинством получения порошка диспергированием расплава в сравнении с измельчением твердых материалов является обеспечение высокой химической чистоты порошков.

Центробежное диспергирование расплава материала может осуществляться различными способами. Наиболее распространен способ слива струи расплава на вращающийся тигель или диск. Под действием центробежных сил расплавленный металл перемещается к периферии диска или тигля и распыляется. Одной из важных отличительных особенностей получения порошка центробежным диспергированием расплава в отличие от его распыления газом является возможность предотвращения окисления материала путем использования высокого вакуума.

Физико-химические способы получения порошков отличаются большим разнообразием, но общим для них является реализация принципа формирования нанообъектов «снизу». Они в сравнении с механическими способами более универсальны в плане получения различных свойств. Наиболее простой способ получения нанопорошков включает в себя испарение с последующей конденсацией пара на охлаждаемой подложке. Размеры получаемых наночастиц определяются рядом факторов таких как состав газовой среды, давление и температура. Данным способом получают нанопорошки чистых металлов, сплавов и различных соединений, таких как оксиды, карбиды, нитриды и т.д., а также их смеси. Размер частиц лежит в пределах от 2 до нескольких сотен нм. Частицы мало склонны к образованию агломератов. Имеются трудности в улавливании мелких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газе. Основной причиной, ограничивающей использование способа испарения – конденсации в промышленных масштабах являются низкие скорости испарения металлов.

Значительное количество способов получения порошков базируется на применении различных химических реакций, протекающих при термической диссоциации гидроксидов, восстановлении, газофазных процессах, электролизе и др. Они более сложны в промышленном освоении. Однако, некоторые из них могут оказаться уникальными в плане синтезирования нанообъектов с совершенно новыми структурами и комплексом свойств. Так, газофазным синтезом в плазме, образуемой лазерным излучением, получены новые полиморфные модификации углерода – фуллерены, обладающие необычными свойствами. На их основе успешно создаются более сложные нанокластеры, содержащие атомы металла. Фуллерены и другая форма структур углерода – нанотрубки – производятся в большом количестве и используются для создания на органической основе нанокомпозитов. Результаты, достигнутые в этой области, широко освещаются в технической литературе.

Технология изготовления объемных, массивных материалов из порошков включает в себя следующие основные операции: получение порошков, прессование заготовок и их спекание. Однако, эта технология может использоваться для изготовления наноматериалов только в том случае, когда холодным прессованием удается достичь достаточно высокой плотности заготовок – не менее 0,7 от теоретической. При такой плотности температуру спекания можно понизить почти в два раза с ~ 0,8Тпл до 0,5Тпл. Процесс рекристаллизации в таких условиях протекает медленно и удается получить структуру наноразмерного уровня. Достижение высокой плотности при холодном прессовании нанопорошков традиционными способами представляет серьезную проблему. Нанопорошки плохо уплотняются при прессовании в силу образования агломератов не только на стадии изготовления порошка, но и при его прессовании. Последнее обуславливается действием межчастичных адгезионных сил, резко возрастающих с уменьшением размера частиц. Разрушение агломератов возможно использованием очень высоких давлений, а также магнитно-импульсным воздействием. Однако проблема решается более эффективно приложением давления к заготовкам при спекании, обеспечивая более высокую плотность и малый размер зерен наноматериалов. Способ известен под названием горячее прессование (ГП). ГП используется в порошковой металлургии давно и его возможности, в том числе и для получения наноматериалов, состоят в следующем. Способ в сравнении со спеканием осуществляется с использованием на порядок более низких давлений, температур (~0,5Тпл вместо ~0,8Тпл) и имеет в несколько раз меньшую продолжительность. Однако ГП – штучное производство и поэтому по производительности, энергетическим затратам оно уступает процессу спекания. Горячее прессование используется для получения высокоплотных с мелким зерном трудноуплотняемых материалов, таких как тугоплавкие материалы и сплавы. В настоящее время ГП – наиболее перспективный процесс компактирования нанопорошков с целью получения объемных наноматериалов.

Следующая проблема производства материалов связана с высокой реакционной способностью нанопорошков. Процесс должен осуществляться в условиях, исключающих окисление материалов. Наиболее удачное решение этой задачи изложено в обзоре работ [5]. Оно состоит в том, что получение порошка и его компактирование проводится в защитной среде. Схема процесса включает в себя следующие операции. В разряженной атмосфере инертного газа осуществляется испарение материала и его конденсация в виде наночастиц на охлаждаемой подложке. Порошок соскребается и собирается в коллектор. Газ откачивается и в вакууме проводится предварительное прессование заготовок с малым давлением. Затем они поступают в устройство окончательного компактирования под высоким давлением.

Наноматериалы, получаемые кристаллизацией аморфных сплавов

Процесс получения аморфных сплавов в виде лент, называемый спиннингованием, получил широкое применение. Аморфное состояние достигается путем охлаждения расплава со сверхвысокими скоростями более 106 оС/с. Наиболее эффективным способом получения лент, пригодных для практического применения, является охлаждение жидкого металла на поверхности вращающегося охлаждаемого барабана, изготовленного из материала высокой теплопроводности. Получение наноматериала в этом случае может осуществляться двумя способами – в процессе спиннингования или путем отжига аморфизированной ленты. Однако для реализации этих возможностей оба процесса должны проводиться под контролем и при таких условиях, когда возникает большое количество зародышей, их рост происходит медленно, а конечные размеры не превосходят допустимых. Образование наноэлементов в рассматриваемых случаях проходит по механизму «снизу». Получаемый материал относят к классу нанокомпозитов. Образующие его наноэлементы когерентно связаны с аморфной матрицей. Считается, что аморфная матрица на определенных этапах тормозит рост наноэлементов. К настоящему времени синтезировано значительное количество нанокомпозитов различного химического состава в виде лент. Они обладают высокими механическими свойствами и могут рассматриваться в качестве конструкционных материалов.

Наноматериалы, получаемые пластической деформацией

Измельчение зерен до наноразмерного уровня возможно за счет больших деформаций поликристаллических материалов [10]. Большие деформации могут быть получены различными способами.

Наиболее распространенными в этом плане являются способы интенсивной пластической деформации. Это деформация кручением образцов в виде дисков с одновременным воздействием сжимающего усилия и равноканальное угловое прессование. Сущность этих способов состоит в многократной интенсивной пластической деформации сдвига в различных направлениях, приводящей к дроблению микрозерен на наноэлементы. Таким образом, реализуется процесс измельчения «сверху». Данные способы обеспечивают получение наноматериалов с высокой плотностью и с размерами наноэлементов до 100 нм. Для получения объемных изделий наиболее перспективным считается способ равноканального углового (РКУ) прессования. Он осуществляется продавливанием металлической заготовки через канал, меняющий свое направление под некоторым углом. Наиболее целесообразным считается использование угла, близкого к 90о. В этом случае достигается самый высокий уровень интенсивности деформации и наиболее однородная по объему структура. Данным способом получают цилиндрические заготовки диаметром до 60 мм и длиной до 200 мм. Важное достоинство способа состоит в том, что он, в отличие от компактирования порошковых материалов, не требует использования защ