Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ТКМ / Tema_6

.docx
Скачиваний:
6
Добавлен:
08.06.2015
Размер:
110.76 Кб
Скачать

5

Тема 6. Композиційні матеріали та аморфні сплави

План

1. Основні поняття про КМ.

2. Класифікація КМ.

3. Характеристики груп КМ.

4. Основні поняття про АС.

5. Способи виготовлення АС.

6. Області використання АС.

–1–

 Композиційні – це штучно створені матеріали, що складаються з двох або більше компонентів, розділених межею, що мають властивості, відмінні від властивостей окремих компонентів. Наприклад, фіберглас – скляні волокна, скріплені полімерною зв’язкою ( аналогія структури бамбука волокна целюлози у пластичній матриці).

Компонент, що заповнює весь об’єм матеріалу називається матрицею. Компонент, що розподілений по об’єму матриці називається арматурою або наповнювачем (від лат. „аr” – наповнюю).

Матриця надає виробу форму і захищає арматуру від механічних ушкоджень та впливу середовища. Матеріалами матриці є метали і сплави, полімери органічні і неорганічні, керамічні і вуглецеві матеріали. На металевих матрицях робочі температури 1370° С, а керамічних –1600° С.

Арматура – це компоненти, що надають матеріалу міцності і твердості. Буває у вигляді порошків, волокон і пластин. Порошки – частинки карбідів, оксидів, нітридів. Волокна неорганічного й органічного походження, дріт і сітка. Пластини – це плівки карбіду бору, пошарово осадженого на поверхню матриці.

Рис. 1. Будова КМ:

а – волоконні; б – порошкові; в – пластинчасті

Методи одержання КМ: просочування волокон розплавами металів, осадження з пари, змішування з порошком металу з пресуванням або спіканням.

Методи виготовлення виробів з КМ: пресування, прокатка, протягування через філь’єри, дифузійне зварювання.

–2–

КМ класифікують за ознаками: геометрія наповнювача; розташування наповнювача в матриці; природа компонентів.

За геометрією наповнювача є групи:

  • нуль-мірні, розміри наповнювача у трьох вимірах мають однаковий порядок;

  • одномірні, один розмір наповнювача перевищує два інших;

  • двомірні, два розміри наповнювача перевищують третій.

За розташування наповнювача є групи:

  • лінійні у вигляді волокон, ниток, нитковидних кристалів;

  • площинні у вигляді пластів із нитковидних кристалів або фольги в паралельних площинах;

  • об'ємні.

За природою компонентів є групи:

  • металів або сплавів;

  • неорганічних сполук: оксидів, карбідів, нітридів;

  • неметалічних елементів: вуглецю, бору;

  • органічних сполук: епоксидних, поліефірних, фенольних смол.

–3–

Максимальна зміцнення КМ буде у випадку утворення між матрицею й арматурою твердих розчинів або хімічних сполук.

У КМ з нуль-мірним наповнювачем матриця з металеву, зміцненого дисперсними частинками (оксиди, нітриди, бориди, карбіди) 5...10 % об’єму. Вона сприймає навантаження, а дисперсні частки перешкоджають утворенню пластичної деформації.

Дисперсійно зміцнені КМ виготовляють методами порошкової металургії або введенням частинок армувального порошку в розплав металу.

Наприклад, на основі алюмінію, зміцненого частинками оксиду алюмінію (Al2O3), який одержують пресуванням алюмінієвої пудри з наступним спіканням. З нього виготовляють лопатки компресорів, вентиляторів і турбін.

У КМ з одномірними наповнювачами матриця з металу, зміцнена нитковидними кристалами, волокнами і дротом.

Способи одержання нитковидних кристалів: 1) вирощування з перенасиченої пари; 2) витягуванням з рідини через фільтри.

З них виготовляють: 1) лопатки газових турбін (нікелеві сплави, армовані нитками сапфіру (Al2O3), границя міцності при 1680oС понад 700 МПа); 2) сопла ракет (порошки вольфраму й молібдену армовані волокнистими кристалами сапфіру).

Для армування КМ з двомірними наповнювачами використовують дротяні сітки зі сталі, вольфраму, ніобію, титану, магнію.

Видом лінійних КМ є евтектичні – це сплави евтектичного складу з металевою матрицею, в яких в якості арматури використані орієнтовані кристали, утворені в процесі кристалізації. При охолодженні розплавів певного складу відбувається кристалізація з утворенням одночасно двох фаз.

Форма кристалів – волокна і пластини. Прикладами є КМ на основі алюмінію, магнію, міді, кобальту, титану, ніобію.

Полімерні КМ мають матрицю з полімерів, а арматуру з волокон, тканин, плівок, склотекстоліту.

Виготовлять пресуванням, литтям під тиском, екструзією, напилюванням.

Бувають матриці з суміші полімерних і металевих або суміші полімерних компонентів. Наприклад, підшипники, що працюють в умовах сухого тертя, виготовлені з комбінації фторопласту і бронзи для самозмащення або матриці з поліетилену і полістиролу, зміцнені азбестом.

–4–

Аморфні метали та сплави – це вид конструкційних матеріалів, утворений при дуже швидкому охолодженні розплавів. Велике переохолодження розплавів приводить до того, що число центрів і швидкість росту кристалів стають рівними нулю і розплав, що переходить у твердий стан не кристалізується.

Це метастабільні матеріали, бо при нагріванні перетворюються у кристалічні.

Не мають кристалічної будови, тому не мають дефектів, меж кристалітів і такі сплави корозійностійкі. аморфний сплав із заліза, нікелю і хрому, не руйнується в розчині соляної кислоти, а нержавіюча сталь такого ж складу руйнується зі швидкістю 10 мкм за рік.

–5–

Загартування з рідкого стану. Кристалізації не відбувається, якщо охолоджувати зі швидкістю 106–108 K/c, бо за короткий час атоми не встигають переміститися на відстань, яка дозволила б їм сформувати кристалічні ґратки. Сутність способу – падаюча крапля металу розплющується між двома холодними мідними плитами або вистрілюючи краплю вздовж радіуса диска-холодильника, що швидко обертається, на ньому крапля під дією відцентрової сили “розтягується” до тонкої плівки. Товщина шарів не перевищує десятка мкм. Швидкість охолодження 105–106°С/с. Виготовляють у вигляді фольги, тонких стрічок і дроту.

Два методи: 1) рідкий метал наносять на зовнішню циліндричну поверхню рухомого диска; 2) розплав захоплюється рухомим диском.

Обід диска виготовляється з матеріалу, що має добру теплопровідність (мідь, бронза, латунь). Струмінь розплавленого металу виливається під невеликим тиском (0,2 атм) через сопло, зроблене з кварцу і попадає на поверхню диска, що швидко обертається й твердне у вигляді стрічки шириною від 1 до 20 мм і товщиною 20 – 40 мкм. У другому – загострений обід диска захоплює розплав, який твердіє у вигляді коротких дротиків. Лінійна швидкість обода не менш 50 м/с.

Рис. 1. Схеми для одержання аморфних сплавів загартуванням з рідкого стану: а– нанесення розплаву на диск; б– витягання розплаву рухомим диском; 1 – розплав, 2 – індукційна піч, 3 – стрічка аморфного сплаву, 4 – кварцова трубка.

Іонно-плазмове розпилення. Установка знаходиться у вакуумній камері з аргоном під тиском 0,5 Па. Нагріваючи вольфрамову спіраль 3, одержують електрони, які рухаються у бік анода 2. Під час руху електрони ударяютья з атомами аргону й іонізують їх. Іони аргону утворюють плазму.

Рис. 2. установка для чотириектродного розпилення:

1– вакуумна камера, 2 – анод,

3 – катод, 4 – мішень, 5 – підклака,

6 – аморфний матеріал

Коли процес стане безперервним до мішені 4 прикладається негативний потенціал, щоб притягнути позитивно заряджені іони аргону з плазми й направити на мішень. Іони аргону зустрічаються з атомами мішені та вибивають їх. Цей процес називається розпиленням. Атоми залишають мішень і осаджуються на підкладку 5. Потрапляючи на підкладку, вони прилипають до її поверхні. Процес осадження атомів на холодній підкладці еквівалентний охолодженню з високою швидкістю. Аморфні металеві сплави одержують у вигляді напиленого шару 6 товщиною від 1 до 1000 мкм.

–6–

Дифузійні бар'єри. лінійні розміри струмоведучих доріжок, контактних площин інтегральних схем 0,5–1 мкм. При субмікронних розмірах створюються умови для взаємного проникнення атомів – дифузії на границі поділу метал-напівпровідник. З часом цей процес призводить до замикання струмоведучих доріжок і виходу приладу з ладу. Запобігають дифузії створенням бар'єрного шару між напівпровідником і металом з аморфних сплавів. Дифузія через аморфні шари утруднена через невпорядкованість атомної структури.

Виготовлення магнітних головок і датчиків.

для запису й зберігання інформації використовуються феромагнітні матеріали. розмір області, що зберігає один біт 1 мкм2.

Напилюванням, виготовляють магнітну головку, здатну перемагнічувати мікроскопічні області носія ( 0,1 мкм). Має високу зносостійкість (10 000 годин).

Аморфні шари, отримані за допомогою іон- або плазмового напилювання, використовують для створення високочутливих датчиків, сенсорів і малогабаритних трансформаторів.

Соседние файлы в папке ТКМ