Эвтектические композиционные материалы (ЭКМ)

Нанокристаллические материалы (НКМ)

Нанокристаллическими материалами (НКМ) называют материалы с размерами кристаллов (зерен или частиц) менее 100 нм. По комплексу свойств они существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава.

Свойства НКМ определяются размерами отдельных зерен и свойствами граничного слоя. В НКМ доля граничного слоя быстро возрастает при измельчении зерен от 100 до 4 - 5 нм (табл. 7.7.):

Таблица 7.7

Диаметр зерна (частицы), нм
Объемная доля поверхностного слоя, %

Таким образом, в НКМ, начиная с диаметра зерен 6 нм, объём граничного слоя становится больше объема кристаллов.

В компактном виде НКМ получают тремя способами:

1) переработкой частиц размером < 100 нм методами порошковой технологии в компактный материал;

2) кристаллизацией аморфных металлических сплавов в контролиру­емых условиях;

3) рекристаллизационным отжигом интенсивно деформированных ме­таллических сплавов.

Порошки металлов, карбидов, нитридов, оксидов и других керамиче­ских материалов получают ис­парением материалов в инертной или активной газовой среде; размолом; синтезом порошка с использованием плазмы, лазерного нагрева, термического разложения веществ - предшественников, электролизом.

Нанокристаллические порошки имеют громадную удельную поверх­ность: от 20 - 40 м²/г при диаметре частиц 100 нм и до 110 - 120 м²/г при диаметре 10 нм.

При сравнении свойств этих материалов с микрокристаллическими аналогами обращает на себя внимание вклад граничных слоев. Так, мо­дули упругости Е и G у НКМ на 30 % ниже, твердость в 2 - 7 раз выше, предел текучести в 2 - 3 раза выше, временное сопротивление в 1,5 - 8 раз выше чем у соответствующих аналогов.

Нанокристаллические сплавы сильнее расширяются при нагреве из-за более интенсивного (в 2,5 - 3 раза) расши­рения граничного слоя по сравнению с зернами. Так у нанокристаллической меди при размере зерен 8 нм коэффициент теплового расширения вдвое выше его значение у поликрасталлической меди.

Удельное электросопротивление НКМ выше, чем у соответствующих аналогов, так как электроны проводимости сильнее рассеиваются на границах зерен. Так, у нанокристаллических меди, никеля и железа с размерами зерен 100 - 200 нм удельное элек­тросопротивление при 20 °С возрастает соответственно на 15, 35 и 55 %.

Эвтектическими композиционными материалами называют сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации.

В отличие от обычных композиционных материалов, получаемых путем последовательного выполнения нескольких трудоемких технологических операций, эвтектические материалы и даже детали получают за одну операцию.

Методом направленной кристаллизации получают композиции Al – Al₃N, Al – CuAl₂, Ni – W, Ni – NiBe, Ni – Ni₃Nb, Ni₃Al – Ni₃Nb и другие. Эти сплавы представляют собой композиционный материал, в котором первый комнонент (Al, Ni) является матрицей, а второй (Al₃N, CuAl₂, W и др.) – упрочнителем; кристаллы этой фазы имеют форму сильно вытянутых волокон или пластин.

Эвтектические сплавы Al–CuAl₂ и Al–Al₃N по сравнению со сплавами того же состава, но полученными методом ненаправленной кристаллизации, имеют в 3 - 4 раза больший предел прочности (соответственно 270 – 330 и 90 МПа) и в 4 – 5 раз больший предел усталости. Эти сплавы хорошо свариваются методом диффузионной сварки и обрабатываются холодной пластической деформацией. Сплавы применяют как конструкционный материал, а также для изготовления высокопрочных электрических проводов и контактов электрических выключателей.

Эвтектические сплавы на основе никеля являются жаропрочными материалами. Пределы длительной прочности этих материалов превосходят пределы длительной прочности современных жаропрочных сплавов при рабочих температурах выше 900 ºС.

Эвтектические сплавы на основе никеля применяют в ракетной и космической технике для изготовления рабочих лопаток турбин и крепежных деталей газотурбинных двигателей.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называются композиционными?

2. Какие виды композиционных материалов Вам известны?

3. Какова технология изготовления и свойства монокристаллических деталей?

4. Что такое аморфные металлы?

5 Какие материалы называются нанокристаллическими? Каковы их свойства?

6. Какие материалы называются эвтектическими? Каковы их свойства?

РАЗДЕЛ 7. «КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ»

ЛЕКЦИЯ №8. Тема: «КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ»

Содержание:

Классификация электротехнических материалов (ЭТМ): проводники, полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы.

Зонная теория твердого тела (ЗТТТ).

Классификация ЭТМ

Δ E _зз, Эв 0 0,05 ÷ 3,0 3,0 ÷ 8,0

ρ _v, Ом∙м 10^-8 ÷ 10^-5 10^-6 ÷ 10⁸ 10⁷ ÷ 10²⁰

Рис. 16.1. Классификация электротехнических материалов

Проводниковые материалы (удельное электрическое сопротивление ρ _v = 10^-8 ÷ 10^-5 Ом∙м ). Основное свойство материалов – высокая электропроводность (низкое электрическое сопротивление). Материалы предназначены для передачи электрической энергии, преобразования электрической энергии в тепловую энергию для других целей.

Полупроводниковые материалы (ρ _v = 10^-6 ÷ 10⁸ Ом∙м ). Характерная особенность материалов – существенная зависимость электрического сопротивления от интенсивности внешнего энергетического воздействия (температуры, длины волны светового излучения, напряженности электрического поля и др.). Материалы предназначены для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, фоторезисторов и др.

Диэлектрические материалы (ρ _v = 10⁷ ÷ 10²⁰ Ом∙м ). Характерные свойства материалов – способность поляризоваться под действием электрического поля и высокое электрическое сопротивление. Различают пассивные диэлектрики (электроизоляционные и конденсаторные) и активные (управляемые) диэлектрики.

Электроизоляционные диэлектрики применяются для создания электрической изоляции между токоведущими частями электрических машин, аппаратов и устройств, находящихся под различными электрическими потенциалами.

Конденсаторные диэлектрики предназначены для создания электрической емкости конденсаторов.

Активные диэлектрики. Свойства этих материалов существенно зависят от интенсивности внешнего энергетического воздействия (напряженности электрического поля, механического напряжения и др.). К этим материалам относятся сегнетоэлектрики, пъезоэлектрики, жидкие кристаллы, электреты и др.

Магнитные материалы. Основное свойство материалов: способность намагничиваться под действие электромагнитного поля. Материалы делят на две группы – магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие (легкопермагничиваемые) материалы применяют для изготовления магнитопроводов электрических двигателей, генераторов, трансформаторов, дросселей и других электрических машин и аппаратов.

Магнитотвердые (труднопермагничиваемые) материалы применяют для изготовления постоянных магнитов и носителей магнитной информации (магнитные ленты, диски, пленки и т.п.)

Дата добавления: 2017-01-13