˚îìïîçŁòß Ł íàíîæòðóŒòóðß (Composites and … „ 2 2012 ˚îìïîçŁòß Ł íàíîæòðóŒòóðß COMPOSITES and NANOSTRUCTURES ¨ÔÒÒ —À˝ «˚îìïîçŁòß

1

Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðû(Composites and Nanostructures)

Íàó÷íî-òåõíè÷åñêèé æóðíàëhttp://www.issp.ac.ru/journal/composites/

ISSN 1999-7590 Èçäà¸òñÿ ñ 2009 ã.

Ó÷ðåäèòåëè:ÈÔÒÒ ÐÀÍÎÎÎ «Íàó÷íî-òåõíè÷åñêîå ïðåäïðèÿòèå«Âèðàæ-Öåíòð»

Ðåäàêöèÿ: ÈÔÒÒ ÐÀÍÐîññèÿ, 142432, ã. ×åðíîãîëîâêà Ìîñêîâñêîé îáë.Òåë./Ôàêñ: +7(49652)22493http://www.issp.ac.ruÂåäóùèé ðåäàêòîð: Íåëëè Àíàòîëüåâíà Ïðîêîïåíêî

Èçäàòåëüñòâî:ÎÎÎ ÍÒÏ «Âèðàæ-Öåíòð»Ðîññèÿ, 105264, Ìîñêâà, óë. Âåðõíÿÿ Ïåðâîìàé-ñêàÿ, ä. 49, êîðï. 1 îôèñ 401.Ïî÷òîâûé àäðåññ: Ðîññèÿ, 105043, Ìîñêâà, à/ÿ 29Òåë.: 7 495 780-94-73http://www.machizdat.rue-mail: [email protected]

Äèðåêòîð æóðíàëàÌ.À.Ìåíçóëëîâ

Â¸ðñòêàÀ.À.Ìåíçóëëîâ

Îòïå÷àòàíî: ÎÎÎ «ÐÏÖ ÎÔÎÐÒ» ã. Ìîñêâà, ïð-êòÁóä¸ííîãî, 21Çàêàç ¹Òèðàæ 100Öåíà äîãîâîðíàÿ

Æóðíàë çàðåãèñòðèðîâàí Ôåäåðàëüíîé ñëóæ-áîé ïî íàäçîðó â ñôåðå ñâÿçè è ìàññîâûõ êîì-ìóíèêàöèé.Ñâèäåòåëüñâî î ðåãèñòðàöèè ñðåäñòâà ìàññîâîéèíôîðìàöèè ¹ ÔÑ77-33449 îò 08.10.2008.

Àâòîðû îïóáëèêîâàííûõ ìàòåðèàëîâ íåñóò ïîëíóþ îòâåòñòâåí-íîñòü çà äîñòîâåðíîñòü ïðèâåä¸ííûõ ñâåäåíèé, à òàêæå çà íàëè-÷èå â íèõ äàííûõ, íå ïîäëåæàùèõ îòêðûòîé ïóáëèêàöèè. Ìàòå-ðèàëû ðåöåíçèðóþòñÿ.Ïåðåïå÷àòêà, âñå âèäû êîïèðîâàíèÿ è âîñïðîèçâåäåíèÿ ìàòåðèà-ëîâ, ïóáëèêóåìûõ â æóðíàëå, îñóùåñòâëÿþòñÿ òîëüêî ñðàçðåøåíèÿ ðåäàêöèè.

Ãëàâíûé ðåäàêòîð Ñ.Ò. Ìèëåéêîä-ð òåõí. íàóê, ïðîô., ÈÔÒÒ ÐÀÍ, ÐîññèÿÐåäàêöèîííàÿ êîëëåãèÿÌ.È. Àëûìîâ÷ë.-êîðð. ÐÀÍ, ÈÌÅÒ ÐÀÍ, ÐîññèÿÐ. À. Àíäðèåâñêèéä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ÈÏÕÔ ÐÀÍ, ÐîññèÿÞ.Î. Áàõâàëîâä-ð òåõí. íàóê, ÃÊÍÏÖ èì. Õðóíè÷åâà, ÐîññèÿÑ.È. Áðåäèõèíä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ÈÔÒÒ ÐÀÍ, ÐîññèÿË.Ð. Âèøíÿêîâä-ð òåõí. íàóê, ÈÏÌ ÍÀÍÓ, ÓêðàèíàÂ. Â. Âèêóëèíïðîô., ÔÃÓÏ ÎÍÏÏ «ÒÅÕÍÎËÎÃÈß»Â.Ì. Êèéêîêàíä. òåõí. íàóê, ÈÔÒÒ ÐÀÍ, ÐîññèÿÞ.Ð. Êîëîáîâä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ïðîô., ÁåëÃÓ, ÐîññèÿÂ.È. Êîñòèêîâ÷ë.-êîðð. ÐÀÍ, ÌÈÑÈÑ, ÐîññèÿÀ.Ì. Êóïåðìàíä-ð òåõí. íàóê, ÈÕÔ ÐÀÍ èì. Í.Í. Ñåì¸íîâà, ÐîññèÿÑ.À. Ëóðüåä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ÂÖ ÐÀÍ, ÐîññèÿÁ.Å. Ïîáåäðÿä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ïðîô., ÌÃÓ èì. Ì.Â. Ëîìîíîñîâà, ÐîññèÿÂ.Ã. Ñåâàñòüÿíîâä-ð õèì. íàóê, ÈÎÍÕ ÐÀÍ, ÐîññèÿÀ.Â. Ñåðåáðÿêîâä-ð òåõí. íàóê, ïðîô., ÈÔÒÒ ÐÀÍ, ÐîññèÿA.R. Bunsellïðîô., ÔðàíöèÿK. Chawlaïðîô., ÑØÀT-W. Chouïðîô., ÑØÀGeorge C. Sihïðîô., ÑØÀShanyi Duïðîô., ÊèòàéT. Ishiharaïðîô. ßïîíèÿA. Kellyïðîô., ÂåëèêîáðèòàíèÿA. Koyamaïðîô. ßïîíèÿW.M. Krivenïðîô., ÑØÀL.M. Manochaïðîô., ÈíäèÿV.M. Oreraïðîô., ÈñïàíèÿH. Schneiderïðîô., ÃåðìàíèÿK. Schulteïðîô., ÃåðìàíèÿM. Singhïðîô., ÑØÀH.D. Wagnerïðîô., Èçðàèëü

Èíäåêñ Ïðåññà Ðîññèè: 83836

Íà ïåðâîé ñòð. îáëîæêè:

2

Composites and Nanostructureshttp://www.issp.ac.ru/journal/composites/

ISSN 1999-7590

Editor-in-Chief:Professor S.T. Mileiko,Institute of Solid State Physics of RAS , RussiaEditorial Board:Professor M.I. AlymovA.A. BaikovInstitute of Metallurgy and Materials Science of RAS, RussiaProfessor R. A. AndriyevskiiInstitute of Problem of Chemical Physics of RAS, RussiaDr Yu.O. Bakhvalov Khrunichev State Research and Production Space Center, RussiaDr S.I. BredikhinInstitute of Solid State Physics of RAS , RussiaProfessor A.R. BunsellEcole Nationale Superieure des Mines de Paris, FranceProfessor K. ChawlaUniversity of Alabama, USAProfessor T-W. ChouUniversity of Delawere, USAProfessor T. IshiharaJapanProfessor Shanyi DuHarbin Institute of Technology, ChinaProfessor A. KellyUniversity of Cambridge, UKDr V.M. KiikoInstitute of Solid State Physics of RAS , RussiaProfessor A. KoyamaKyoto University, JapanProfessor Yu.R. KolobovBelgorod State University, RussiaProfessor V.I. KostikovState Technological University «Moscow Institute of Steel and Alloys»,RussiaProfessor W.M. KrivenThe University of Illinois at Urbana-Champaign, USADr. A.M. KupermanInstitute of Chemical Physics of RAS , RussiaProfessor S.A. LurieDorodnicyn Computing Centre of RAS, RussiaProfessor L.M. ManochaSardar Patle University, IndiaProfessor V.M. OreraInstituto de Cinicia de Materiales, SpainProfessor B.E. PobyedryaLomonosov Moscow State University, RussiaProfessor H. SchneiderInstitute of Crystallography, University of Koeln, GermanyProfessor K. SchulteTechnical University Hamburg − Hamburg, GermanyProfessor George C. SihLehigh University, Bethlehem, USAProfessor A.V. SerebryakovInstitute of Solid State Physics of RAS , RussiaProfessor V.G. SevastyanovInstitute of General and Inorganic Chemistry of RAS , RussiaDr M. SingNASA Glenn Centre, USAProfessor V.V. VikulinFSUE ORPE «TECHNOLOGIYA» State Research Centre of the RussianFederation, RussiaDr Leon VishnyakovFrantsevich Insnitute for Problems of Materials Science, UkrainProfessor H.D. WagnerWeizmann Institute of Science, Israel

Established by:

Solid State Physics InstituteRussian Academy of Sciences

(ISSP RAS)

andScience Technical Enterprise

«Virag-Centre» LTD

ISSP RAS:

2, Institutskaya str., Chernogolovka, Moscow district., Russia,

142432

Tel./Fax: +7(49652)22493

http://www.issp.ac.ru/journal/composites/Editor: Nelli Prokopenko

Publishing House:

STE Virag-Centre LTD

49/1, Verchnyaya Pervomayskaya str., Moscow,Russia, 105264.

Phone: 7 495 780 94 73http://www.mashizdat.ru

Director of journalM.A. Menzullov

Making-upA.A.Menzullov

Subscriptions: please apply to one of the partnersof JSC «MK-Periodica» in your country or to JSC«MK-Periodica» directly:39, Gilyarovsky Street, Moscow Russia, 129110;Tel: +7(495) 681-9137, 681-9763;Fax +7(495) 681-3798E-mail: [email protected]://www.periodicals.ru(Inquire Komposity i nanostructury)

Photo on the cover:

3

¹ 22012

Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðûCOMPOSITES and NANOSTRUCTURES

ÈÔÒÒ ÐÀÍ «Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðû». 2012

ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ

Ñ.Í.Ãàëûøåâ, Í.Ã.Çàðèïîâ, Â.À.Ïîïîâ, Ï.Ì.Áàæèí, À.Ì.ÑòîëèíÏÎËÓ×ÅÍÈÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÌÀÕ-ÔÀÇÛ Ti

2AlC ÌÅÒÎÄÀÌÈ ÑÂÑ ....................................................... 5

Ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èçó÷åíèå âëèÿíèÿ òåõíîëîãè÷åñêèõ ðåæèìîâ ÑÂÑ íà ïðîöåññû ôàçî- è ñòðóêòóðîîáðà-çîâàíèÿ ìåòàëëîêåðàìè÷åñêîãî ìàòåðèàëà ñèñòåìû Ti-Al-C. Óñòàíîâëåíî, ÷òî ìàòðèöà ñèíòåçèðîâàííîãî ìàòåðèàëàïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÌÀÕ-ôàçó, ñîîòâåòñòâóþùåé ñîñòàâó Ti

2AlC, à âêëþ÷åíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàðáèä òèòàíà ñ

ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ ñòåõèîìåòðèè. Ïîêàçàíî, ÷òî â ðåæèìå ÑÂÑ-ïðåññîâàíèÿ ñ ïðåäâàðèòåëüíûì ïîäîãðåâîì èñõîä-íûõ îáðàçöîâ óäàåòñÿ ïîëó÷èòü ìàòåðèàë ñ íàèìåíüøåé ïîðèñòîñòüþ (5,8 %) (ñ. 5-10; èë. 3).

Ì.È.Àëûìîâ, Å.Â.ÅâñòðàòîâÏÅÐÑÏÅÊÒÈÂÍÛÅ ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÎÍÍÛÅ ÍÀÍÎÌÀÒÅÐÈÀËÛ ....................................................................................11Ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ìåòîäû è òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ è îáðàáîòêè êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ. Îïðåäåëåíû îñíîâ-íûå âèäû è îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ïåðñïåêòèâíûõ êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ. Ýôôåêòû îò âíåäðåíèÿ íàíîñòðóêòóðè-ðîâàííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ïîçâîëÿò ñîçäàòü íîâûé ðåàëüíûé ñåêòîð íàóêîåìêîé ïðîäóêöèè ñ âûñîêîé äîáàâ-ëåííîé ñòîèìîñòüþ. (ñ. 11-17; èë. 3).

Ð.Ø.Àñõàäóëëèí, Î.Ã.Êîìëåâ, Ï.Í.Ìàðòûíîâ, À.À.Îñèïîâ, Ì.Ì.Òðåâãîäà, Ñ.Ò.ÌèëåéêîÂÛÑÎÊÎÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÛÅ ÊÎÌÏÎÇÈÒÛ - ÌÀÒÅÐÈÀËÛ ßÄÅÐÍÛÕ ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÓÑÒÀÍÎÂÎÊÑ ÒßÆ¨ËÛÌÈ ÆÈÄÊÎÌÅÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÌÈ ÒÅÏËÎÍÎÑÈÒÅËßÌÈ ........................................................................ 18Â êðàòêîé ñòàòüå îïèñûâàåòñÿ ìàòåðèàëîâåä÷åñêèé çàäåë, êîòîðûé ìîæåò ñëóæèòü îñíîâîé äëÿ ðàçðàáîòêè êîìïîçèòîâ,ðàáîòàþùèõ â ïåðñïåêòèâíûõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ ÿäåðíûõ ðåàêòîðàõ ñ òÿæ¸ëûìè æèäêîìåòàëëè÷åñêèìè òåïëîíîñè-òåëÿìè (ñ. 18-23; èë. 4).

Â.Â.Äåøåâûõ, Â.Ã.Êóëüêîâ, Ë.Í.Êîðîòêîâ, Ä.Ï.ÒàðàñîâÂÛÑÎÊÎÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÛÉ ÔÎÍ ÂÍÓÒÐÅÍÍÅÃÎ ÒÐÅÍÈß Â ÍÀÍÎÊÎÌÏÎÇÈÖÈÎÍÍÎÌ ÌÀÒÅÐÈÀËÅ .......... 24Ïðåäëàãàåòñÿ ìîäåëü âûñêîêîòåìåïåðàòóðíîãî ôîíà âíóòðåííåãî òðåíèÿ â íàíîêîìïîçèöèîííîì ìàòåðèàëå òèïà ôåð-ðîìàãíåòèê-ñåãíåòîýëåêòðèê ñ ãðàíóëèðîâàííûìè âêëþ÷åíèÿìè. Çàâèñèìîñòü âíóòðåííåãî òðåíèÿ îò òåìïåðàòóðû è÷àñòîòû íàéäåíà èç ðåøåíèÿ äâóìåðíîé äèôôóçèîííîé çàäà÷è äëÿ çåðíîãðàíè÷íûõ âàêàíñèé (ñ. 24-34; èë. 4).

Ë.È.Òó÷èíñêèéÌÅÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÅÍÎÌÀÒÅÐÈÀËÛ Ñ ÊÎÍÒÐÎËÈÐÓÅÌÎÉ ÑÒÐÓÊÒÓÐÎÉ ÏÎÐ ................................................ 35Ïðåäëîæåíà òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïåíîìàòåðèàëîâ (ÌÏÌ), âêëþ÷àþùàÿ ïåðâîíà÷àëüíîå èçãîòîâëå-íèå çàãîòîâîê èç «çåë¸íûõ» êîìïîçèòîâ, àðìèðîâàííûõ äèñêðåòíûìè âîëîêíàìè, ïîñëåäóþùåå óäàëåíèå âîëîêîí èçìàòðèöû è å¸ ñïåêàíèå, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ôîðìèðóþòñÿ ÌÏÌ ñ êàíàëüíîé ñòðóêòóðîé ïîð. Ïîä òåðìèíîì «çåë¸íûé»ïîíèìàþòñÿ êîìïîçèòû, ìàòðèöà è âîëîêíà êîòîðûõ èçãîòîâëåíû èç ñìåñåé ìåòàëëè÷åñêèõ ïîðîøêîâ ñ ïëàñòèôèöè-ðóþùèìè ïîëèìåðíûìè ñâÿçêàìè. Òåõíîëîãèÿ ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ÌÏÌ ñ ïîðàìè ñòðîãî îïðåäåë¸ííîãî ðàçìåðà èñ çàäàííîé àíèçîòðîïèåé ñâîéñòâ, ÷òî ñóùåñòâåííî ïîâûøàåò íàä¸æíîñòü ÌÏÌ è ðàñøèðÿåò îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ(ñ. 35-43 èë. 9).

À.Í.Ñîíèíà, Î.Ì.Ñèìàíåíêîâà, Ã.À.Âèõîðåâà, Ë.Ñ.ÃàëüáðàéõÑÂÎÉÑÒÂÀ ÔÎÐÌÎÂÎ×ÍÛÕ ÐÀÑÒÂÎÐÎÂ ÕÈÒÎÇÀÍÀ, ÏÂÑ È ÈÕ ÑÌÅÑÅÉ È ÏÅÐÅÐÀÁÎÒÊÀ ÈÕÌÅÒÎÄÎÌ ÝËÅÊÒÐÎÔÎÐÌÎÂÀÍÈß ................................................................................................................................ 44 Â ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ ñîñòàâà íà ñâîéñòâà õèòîçàíñîäåðæàùèõ ðàñòâîðîâ è óñïåø-íîñòü èõ ýëåêòðîôîðìîâàíèÿ áåñêàïèëëÿðíûì ñïîñîáîì íà óñòàíîâêå Nanospider (ñ. 44-50 èë. 6).

À.Å.Óøàêîâ, Þ.Ã.Êëåíèí, Ò.Ã.Ñîðèíà, Ò.Â.Ïåíñêàÿ, Ê.Ã.Êðàâ÷åíêîÂËÈßÍÈÅ ÓÃËÅÐÎÄÍÛÕ ÍÀÍÎÒÐÓÁÎÊ È ÑÎËÅÉ ÌÅÒÀËËÎÂ Â ÍÀÍÎÔÎÐÌÅ ÍÀ ÑÒÐÓÊÒÓÐÓÝÏÎÊÑÈÄÍÎÉ ÌÀÒÐÈÖÛ È ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÊÎÌÏÎÇÈÒÎÂ ÍÀ Å¨ ÎÑÍÎÂÅ ................................................................. 51Èññëåäîâàíû ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå è ñòðóêòóðíûå õàðàêòåðèñòèêè êîìïîçèöèîííîãî ìàòåðèàëà è êëååâîé êîìïîçèöèè,ìîäèôèöèðîâàííûõ íàíîäîáàâêàìè.Óñòàíîâëåíî, ÷òî ââåäåíèå óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê (ÓÍÒ) â êëååâóþ êîìïîçèöèþ ïðèâîäèò ê èçìåëü÷åíèþ è óïëîòíå-íèþ äèñïåðñíîé ôàçû ýïîêñèäíîé ìàòðèöû, ïîâûøåíèþ åå óäëèíåíèÿ ïðè ðàçðûâå íà 25 % è, êàê ñëåäñòâèå, ïîâûøå-íèþ ïðî÷íîñòè êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ íà 16 % ïî ñðàâíåíèþ ñ áàçîâîé ðåöåïòóðîé.Ââåäåíèå ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå â êîìïîçèò íà îñíîâå ýïîêñèäíîé ìàòðèöû ñîïðîâîæäàåòñÿ ôîðìèðîâàíèåìíîâîé ñòðóêòóðíîé ôàçû è ïîâûøåíèåì èññëåäóåìûõ óïðóãî-ïðî÷íîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê: ïðî÷íîñòè ïðè ñæàòèè èñäâèãå, à òàêæå òðåùèíîñòîéêîñòè ïðè ñæàòèè (ñ. 51-58 èë. 8).

ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ ....................................................................................................................................................................... 59

4

¹ 22012


ÈÔÒÒ ÐÀÍ «Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðû». 2012

CONTENS

S.N.Galyshev, N.G.Zaripov, V.A.Popov, P.M.Bazhin, A.M.StolinFABRICATION OF MATERIALS BASED ON TI

2ALC MAX-PHASE

BY USING SHS - METHODS .................................................................................................................................................... 5An experimental study of an effect of technological regimes of SHS on the phase formation and microstructure of a ceramic-metal composite containing Ti

2AlC was performed. It was found that the composite obtained is composed of a Ti

2AlC matrix

(MAX-phase) and inclusions of titanium carbide of various degrees of stoichiometry. It was also found that the material of thelowest porosity, 5.8 per cent, can be obtained in regime of SHS - pressing with preheating specimens (p. 5-10; fig. 3) .

M.I.Alymov, E.V.EvstratovADVANCED STRUCTURAL NANOMATERIALS .................................................................................................................. 11The basic methods and technologies for production and processing of construction nanomaterials are discussed. The maintypes of structural nanomaterials and their applications were determined. The effects of the innovation of nanostructuredmaterials will create a new real sector of high technology products with high added value (p.11-17-32; fig. 3).

R.Sh.Askhadulin, O.G.Komlev, A.A.Osipov, M.M.Trevgoda, S.T.MileikoSYNTHESIS OF NANOSTRUCTURED SnO

2 COATINGS THROUGH

NEW VOLATILE PRECURSORS BY APÑVD WITH INDUCTION HEATING ....................................................................... 18A brief description of the basis for the development of composites to be used as structural materials of high-temperaturenuclear reactors with heavy-metal heat-transfer medium is presented (p.18-23; fig. 4).

V.V.Deshevyh, V.G.Kul'kov, L.N.Korotkov, D.P.TarasovHIGH-TEMPERATURE INTERNAL FRICTION BACKGROUND IN NANOCOMPOSITE MATERIAL ................................ 24A model of high-temperature background of internal friction in the composition nano-material type ferromagnetic-ferroelectricwith granular inclusions presented in this paper. It is a two-dimensional diffusion problem for vacancies at the interface betweenthe matrix-reinforcing inclusions. By solving the two-dimensional diffusion problem was obtained from the internal friction ofthe temperature (p. 24-34; fig. 4).

L.TuchinskiyMETAL FOAMS WITH CONTROLLED POROUS STRUCTURE..........................................................................................35X-ray powder diffraction patterns of boron-containing carbon fibres were analysed using the Rietveld method. Rietveldrefinements confirm possibility of carbon fibers contained boron to graphitization at high temperature. A age of the Rietveldrefinement technique allows revealing that the structure of carbon fibres is better described by the rhombohedral model ofgraphite structure (p. 35-43; fig. 9).

A.N. Sonina, O.M. Simanenkova, G.A. Vikhorevà, L.S. GalbraikhPROPERTIES AND ELECTROSPINNING OF CHITOSAN / POLY (VINYL ALCOHOL) BLEND FORMING SOLUTIONS .... 44

An effect of the composition on properties of chitosan containing solutions has been studied in connection with itselectrospinning proñessing into fibers by using apparatus Nanospider (p. 44-50; fig. 6).

À.Å.Ushakov, Y.G.Klenin, Ò.G.Sorina, Ò.V.Penskaya, Ê.G.KravchenkoAN EFFECT OF CARBON NANOTUBES AND NANO-INCLUSIONS OF METAL SALTS ON THE STRUCTUREOF EPOXY MATRIX AND PROPERTIES OF BASED COMPOSITES...................................................................................51Physical, mechanical and structural properties of a nanomodified composite material and adhesive composition have beenstudied.The introduction of carbon nanotubes (CNT) into an adhesive composition results in size reduction and compaction of thedispersed phase of the epoxy matrix, ultimate strain increases up to 25%. This yields an increase in the strength of the adhesivejoint by 16% as compared to the basic composition.Introduction of metal salts as nanoinclusions into an epoxy matrix composite is accompanied by both formation of a newstructural phase and enhancement elastic and strength properties under study: compression strength, shear strength and crackresistance under compression (p. 51-58; fig. 8).

5

¹ 22012


ÓÄÊ 544.452: 544.3.01

ÏÎËÓ×ÅÍÈÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÌÀÕ-ÔÀÇÛ Ti2AlC

ÌÅÒÎÄÀÌÈ ÑÂÑ(Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 19.02.12, ïåðåðàáîòàííûé âàðèàíò - 10.05.12, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè - 26.05.2012ã.)

Ñ.Í.Ãàëûøåâ1, Í.Ã.Çàðèïîâ1, Â.À.Ïîïîâ2, Ï.Ì.Áàæèí3, À.Ì.Ñòîëèí3

1ÔÃÁÎÓ ÂÏÎ «Óôèìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé àâèàöèîííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò», Óôà2Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå áþäæåòíîå ó÷ðåæäåíèå íàóêè

Èíñòèòóò ñâåðõïëàñòè÷íîñòè ìåòàëëîâ ÐÀÍ,3Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå áþäæåòíîå ó÷ðåæäåíèå íàóêè

Èíñòèòóò ñòðóêòóðíîé ìàêðîêèíåòèêè è ïðîáëåì ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ÐÀÍ, ×åðíîãîëîâêà

Ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èçó÷åíèå âëèÿíèÿ òåõíîëîãè÷åñêèõ ðåæèìîâ ÑÂÑ íà ïðîöåññûôàçî- è ñòðóêòóðîîáðàçîâàíèÿ ìåòàëëîêåðàìè÷åñêîãî ìàòåðèàëà ñèñòåìû Ti-Al-C. Óñòàíîâëåíî,÷òî ìàòðèöà ñèíòåçèðîâàííîãî ìàòåðèàëà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÌÀÕ-ôàçó, ñîîòâåòñòâóþùåé ñî-ñòàâó Ti

2AlC, à âêëþ÷åíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàðáèä òèòàíà ñ ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ ñòåõèîìåò-

ðèè. Ïîêàçàíî, ÷òî â ðåæèìå ÑÂÑ-ïðåññîâàíèÿ ñ ïðåäâàðèòåëüíûì ïîäîãðåâîì èñõîäíûõ îáðàç-öîâ óäàåòñÿ ïîëó÷èòü ìàòåðèàë ñ íàèìåíüøåé ïîðèñòîñòüþ (5,8 %).

Êëþ÷åâûå ñëîâà: ÑÂÑ, ïëàñòè÷åñêîå äåôîðìèðîâàíèå, ñèñòåìà Ti-Al-C, MAX-ôàçû.

FABRICATION OF MATERIALS BASED ON TI2ALC MAX-PHASE

BY USING SHS - METHODS

S.N.Galyshev1, N.G.Zaripov1, V.A.Popov2, P.M.Bazhin3, A.M.Stolin3

1The Ufa state aviation technical university, Ufa2Institute for metals superplasticity problems of RAS

3Russian Academy of Sciences Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS,Chernogolovka

An experimental study of an effect of technological regimes of SHS on the phase formation and microstructureof a ceramic-metal composite containing Ti

2AlC was performed. It was found that the composite obtained is

composed of a Ti2AlC matrix (MAX-phase) and inclusions of titanium carbide of various degrees of stoichiometry.

It was also found that the material of the lowest porosity, 5.8 per cent, can be obtained in regime of SHS -pressing with preheating specimens.

Key words: SHS, plastic deformation, Ti-Al-C system, MAX-phase.

1. Ââåäåíèå

Òðîéíûå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ òèïà M(n+1)

AXn, ãäå M- ïåðåõîäíûé ìåòàëë; A- ýëåìåíò A-ïîä-

ãðóïïû òàáëèöû Ìåíäåëååâà; X- óãëåðîä èëè àçîò, ïðèíÿòî íàçûâàòü MAX-ôàçàìè [1]. Îíè èìåþòãåêñàãîíàëüíóþ ïëîòíîóïàêîâàííóþ êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó è ïî ñâîèì ñëóæåáíûì õàðàêòåðèñ-

6

¹ 22012


òèêàì çàíèìàþò ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå ìåæäó ìåòàëëàìè è êåðàìèêîé. Ñðåäè ìíîæåñòâàMAX-ôàç îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ôàçû íà îñíîâå ñèñòåì Ti-Al-C è Ti-Si-C: Ti

2AlC, Ti

3AlC

2,

Ti2AlN, Ti

3SiC

2. Ýòè ñîåäèíåíèÿ îáëàäàþò âåñüìà ñïåöèôè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè [1-3], è, ïîäîáíî

ìåòàëëàì, ïîêàçûâàþò âûñîêóþ òåïëîâóþ è ýëåêòðè÷åñêóþ ïðîâîäèìîñòü, à òàêæå äîñòàòî÷íîâûñîêóþ ñòîéêîñòü ê òåïëîâûì óäàðàì. Ïîäîáíî êåðàìèêå îíè îáëàäàþò âûñîêèì ìîäóëåì óï-ðóãîñòè, íèçêèì òåïëîâûì êîýôôèöèåíòîì ðàñøèðåíèÿ, âûñîêîé òåïëîñòîéêîñòüþ è ïðåâîñ-õîäíîé æàðîñòîéêîñòüþ. Ñîïðîòèâëåíèå MAX-ôàç öèêëè÷åñêèì íàãðóçêàì ïðè òåìïåðàòóðàõâûøå 100 °Ñ íå óñòóïàåò, à çà÷àñòóþ ïðåâîñõîäèò ñîïðîòèâëåíèå öèêëè÷åñêèì íàãðóçêàì áîëü-øèíñòâà èçâåñòíûõ æàðîïðî÷íûõ è æàðîñòîéêèõ ìàòåðèàëîâ, â òîì ÷èñëå íèêåëåâûõ ñïëàâîâ èèíòåðìåòàëëèäîâ. Êðîìå òîãî, ýòè ìàòåðèàëû èìåþò õîðîøóþ òåõíîëîãè÷íîñòü, ò.å. âîçìîæ-íîñòü ôîðìîîáðàçîâàíèÿ ñòàíäàðòíûìè ìåòîäàìè ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè. Â ñîâîêóïíîñòè ñíèçêèì óäåëüíûì âåñîì ýòè ñâîéñòâà MAX-ôàç ñâèäåòåëüñòâóåò îá èõ âûñîêîé ïåðñïåêòèâíîñ-òè äëÿ àâèàäâèãàòåëåñòðîåíèÿ.

Îñíîâíîé ìåòîä ïîëó÷åíèÿ òàêèõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé - ìåòîä ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè[4], òðåáóåò áîëüøèõ çàòðàò ýíåðãèè è âðåìåíè, áîëüøîãî ÷èñëà òåõíîëîãè÷åñêèõ îïåðàöèé: ïðåñ-ñîâàíèÿ, îòæèãà ïëàñòèôèêàòîðà, âàêóóìíîãî ñïåêàíèÿ èëè ãîðÿ÷åãî ïðåññîâàíèÿ. Àëüòåðíàòèâîéïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè ÿâëÿåòñÿ òåõíîëîãèÿ ñàìîðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíîãîñèíòåçà (ÑÂÑ), êîòîðàÿ ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü ýíåðãîçàòðàòû è óïðîñòèòü ïðîöåññ ïîëó-÷åíèÿ ðàçëè÷íûõ ñîåäèíåíèé [5].

Ðàçâèòèå òåõíîëîãèè ÑÂÑ ñîñòîèò â èçó÷åíèè âîçìîæíîñòè ïðÿìîãî ïîëó÷åíèÿ èçäåëèé çà-äàííîé ôîðìû èç ïðîäóêòîâ ãîðåíèÿ. Îòìåòèì, ÷òî äî ñèõ ïîð îáùèå çàêîíîìåðíîñòè ôîðìóåìî-ñòè ÑÂÑ-ìàòåðèàëîâ ïðè ïîëó÷åíèè èçäåëèé ìàëî èçó÷åíû, õîòÿ ýòà ïðîáëåìà âåñüìà âàæíà ïðèðàçðàáîòêå ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ ÑÂÑ, íàïðèìåð, òàêèõ êàê ÑÂÑ-ýêñòðóçèÿ, ïðåññîâàíèå, ïðîêàòêàè äðóãèå. Îñîáåííîñòüþ ýòèõ ìåòîäîâ ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå òåïëà õèìè÷åñêîé ðåàêöèè äëÿîáåñïå÷åíèÿ ãîðÿ÷åé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïðîäóêòîâ ñèíòåçà.

Â äàííîé ðàáîòå ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èçó÷åíèå ôàçîâîãî ñîñòàâà è ìèêðîñòðóêòóðûìåòàëëîêåðàìè÷åñêîãî ìàòåðèàëà ñèñòåìû Ti-Al-C â óñëîâèÿõ ïðèëîæåíèÿ âíåøíåãî äàâëåíèÿ(ÑÂÑ-ïðåññîâàíèå) è áåç ïðèëîæåíèÿ äàâëåíèÿ (òåïëîâîé âçðûâ).

Äëÿ ÑÂÑ-ìàòåðèàëîâ ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìàöèÿ ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ ëèøü â õàðàêòåðíîì òåì-ïåðàòóðíîì äèàïàçîíå îò òåìïåðàòóðû ãîðåíèÿ äî òåìïåðàòóðû æèâó÷åñòè, âûøå êîòîðîé ìàòå-ðèàë îáëàäàåò åùå ñïîñîáíîñòüþ ê ïëàñòè÷åñêîìó äåôîðìèðîâàíèþ, à íèæå çàòâåðäåâàåò è òåðÿåòñâîè ïëàñòè÷åñêèå ñâîéñòâà [6].

2. Îáúåêò è ìåòîäèêà èññëåäîâàíèÿ

Èñõîäíûé îáðàçåö ïðåäñòàâëÿë ñîáîé òàáëåòêó öèëèíäðè÷åñêîé ôîðìû äèàìåòðîì 28 ìì, âû-ñîòîé 30 ìì è îòíîñèòåëüíîé ïëîòíîñòüþ 60%, ñîñòîÿùèé èç ïðåññîâàííîé øèõòû ïîðîøêîâòèòàíà (ÏÒÌ), àëþìèíèÿ (ÀÑÄ-4) è ñàæè. Ñîñòàâ øèõòû ðàññ÷èòûâàëè íà ñòåõèîìåòðè÷åñêèéñîñòàâ ñèíòåçèðóåìîé ìåòàëëîêåðàìèêè Ti

2AlC. Òåìïåðàòóðà ãîðåíèÿ ñèñòåìû Ti

2AlC ïðè èçìåðå-

íèè âîëüôðàì-ðåíèåâîé òåðìîïàðîé ñîñòàâèëà 1837 °C, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ïëàâëåíèè èñõîä-íûõ ðåàãåíòîâ (Al, Ti) âî âðåìÿ ñèíòåçà (Òïë Al = 660 °C , Òïë Ti = 1677 °C [6]).

Ñõåìà ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà ïî ñèíòåçó ìàòåðèàëà è ïîñëåäóþùåãî åãî äåôîðìèðîâàíèÿ (ÑÂÑ-ïðåññîâàíèå) ïðèâåäåíà íà ðèñ. 1. Äëÿ òåïëîèçîëÿöèè ìåæäó èñõîäíûì îáðàçöîì è ñòåíêîé ïðåññ-ôîðìû áûëà ïðîëîæåíà àñáåñòîâàÿ òêàíü. Â âåðõíåé ÷àñòè èñõîäíîãî îáðàçöà èíèöèèðîâàëè âîëíóãîðåíèÿ â ðåæèìå ÑÂÑ ïðè ïîìîùè âîëüôðàìîâîé ñïèðàëè è ïîäñûïêè èç ñìåñè ïîðîøêîâ òèòàíà

7

¹ 22012


è ñàæè. ×åðåç 5 ñåêóíä ïîñëå èíèöèàöèè îñóùåñòâëÿëîñü ïðåññîâàíèå ïîä äàâëåíèåì P = 100 ÌÏà.Ïîëó÷åíèå ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå ÌÀÕ-ôàçû Ti

2AlC ïðîâîäèëè ïî ÷åòûðåì ðàçíûì ðåæèìàì.

I ðåæèì: òåìïåðàòóðà èñõîäíîãî îáðàçöà ñîñòàâëÿëà 25 °C, äàâëåíèå ïðåññîâàíèÿ ïîñëå ñèíòå-çà ñîñòàâëÿëî 100 ÌÏà.

II ðåæèì îòëè÷àåòñÿ îò ïåðâîãî (I) òåì, ÷òî ïîñëå ñèíòåçà äåôîðìèðóåìûé ìàòåðèàë ïîäâåðãàë-ñÿ îòæèãó â òå÷åíèè òðåõ ÷àñîâ ïðè 800 °C

Â III ðåæèìå èñõîäíûå îáðàçöû áûëè ïðåäâàðèòåëüíî íàãðåòû äî 150 °C è ïîñëå ñèíòåçà äàâ-ëåíèå ïðåññîâàíèÿ ñîñòàâëÿëî 100ÌÏà.

IV ðåæèì - ñèíòåç èñõîäíîãî îáðàçöà ïðîâîäèëñÿ â ðåæèìå òåïëîâîãî âçðûâà â ïå÷è áåç ïðè-ëîæåíèÿ äàâëåíèÿ.

Èññëåäîâàíèå ìèêðîñòðóêòóðû ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ ïðîâîäèëè íà ðàñòðîâîì ýëåêòðîííîì ìèê-ðîñêîïå LEO-1450 â êîìáèíàöèè ñ ýíåðãîäèñïåðñèîííûì ìèêðîàíàëèçàòîðîì INCA Energy (EDS system).Ôîòîãðàôèè ìèêðîñòðóêòóðû ïîëó÷åíû â ðåæèìå ôàçîâîãî êîíòðàñòà. Ïðîâåäåí ðåíòãåíîôàçîâûé àíàëèçñèíòåçèðîâàííîé ìåòàëëîêåðàìèêè íà äèôðàêòîìåòðå ÄÐÎÍ-3Ì. Ôàçîâûé ñîñòàâ îïðåäåëÿëñÿ êëàñ-ñè÷åñêèì ìåòîäîì ðåíòãåíîôàçîâîãî àíàëèçà (ñðàâíèâàëèñü óãëû ïèêîâ ïîëó÷åííûõ ðåíòãåíîãðàìì ñýòàëîííûìè). Ñîäåðæàíèå ôàç ïðèâåäåíî â îáúåìíûõ ïðîöåíòàõ (ïîãðåøíîñòü 2 %). Èññëåäîâàíàìèêðîòâåðäîñòü ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ íà ìèêðîòâåðäîìåðå Duramin-2 (ïðîèçâîäèòåëü Struers, Äà-íèÿ). Ïîðèñòîñòü îïðåäåëåíà ìåòàëëîãðàôè÷åñêèì ìåòîäîì, ïîãðåøíîñòü 1-2%.

3. Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå

Ìèêðîñòðóêòóðû ñèíòåçèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ,ïîëó÷åííûõ ÑÂÑ-ïðåññîâàíèåì ïðè ðàçëè÷íûõðåæèìàõ, èìåþò îäíîðîäíîå ñòðîåíèå (ðèñ. 2, à-â):ñâåòëûå ãëîáóëÿðíûå âêëþ÷åíèÿ ðàâíîìåðíî ðàñ-ïðåäåëåíû â îäíîðîäíîé ìàòðèöå. Â ðåæèìåôàçîâîãî êîíòðàñòà óñòàíîâëåíî, ÷òî ñâåòëûå âêëþ-÷åíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàðáèä òèòàíà ñ ðàçëè÷-íîé ñòåïåíüþ ñòåõèîìåòðèè, à ìàòðèöà ïðåäñòàâ-ëÿåò ñîáîé ÌÀÕ-ôàçó, ñîîòâåòñòâóþùåé ñîñòàâóTi

2AlC. Ñðåäíèå ðàçìåðû ÷àñòèö êàðáèäà òèòàíà

ñèíòåçèðîâàííîãî ìàòåðèàëà, ïîëó÷åííîãî ïî ðàç-ëè÷íûì ðåæèìàì, ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 1. Êàêâèäíî, ðàçìåðû ÷àñòèö TiC çàâèñÿò îò óñëîâèéïîëó÷åíèÿ ìàòåðèàëà. Ïðè ÑÂÑ-ïðåññîâàíèè áåçïðåäâàðèòåëüíîãî ïîäîãðåâà èñõîäíûõ îáðàçöîâ (I,II ðåæèìû) ôîðìèðóþòñÿ áîëåå ìåëêèå êàðáèäíûå÷àñòèöû (1,37 ìêì) ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðîì ÷àñ-òèö ïîäîãðåòûõ îáðàçöîâ (1,57 ìêì). Ýòî ïðîèñ-õîäèò ïîòîìó, ÷òî áåç ïðåäâàðèòåëüíîãî ïîäîãðå-âà ìàòåðèàë ïîñëå ÑÂÑ îáëàäàåò áîëåå íèçêîé òåì-ïåðàòóðîé ãîðåíèÿ (1837 °Ñ) â ðåçóëüòàòå ÷åãî îñ-òûâàíèå ïðîèñõîäèò áûñòðåå, è ÷àñòèöû TiC íåóñïåâàþò âûðàñòè äî áîëåå êðóïíûõ ðàçìåðîâ.Èñïîëüçîâàíèå äîïîëíèòåëüíîãî îòæèãà (II ðåæèì)

Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòà. 1 - Ïîäæåã ñ âîëüô-ðàìîâîé ñïèðàëüþ, 2 - ïðåññ-ôîðìà, 3 - ïóàíñîí,4 - èñõîäíûé îáðàçåö, 5 - àñáåñòîâàÿ òêàíü

Schematic of the experiment. 1 - igniter with atungsten spiral, 2 - compression mold, 3 - punch,4 - initial sample, 5 - asbestous fabric

8

¹ 22012


Ðèñ. 2. Ìèêðîñòðóêòóðà ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ: (à) - ðåæèì I, (b) - ðåæèì II, (c) - ðåæèì III, (d) - ðåæèì IV

Microstructure of the materials produced: (a) - regime I, (b) - regime II, (c) - regime III, (d) - regime IV

Ðåæèì Ôàçîâûé ñîñòàâ, %

Ñðåäíèé

ðàçìåð

÷àñòèö TiC, ìêì

Ïîðèñòîñòü,

%

Ìèêðîòâåðäîñòü,

ÃÏà

Ti2AlC TiC TiAl3

I 64 33 3 1,37 ± 0,2 8,5 9,8 ± 0,2

II 67 30 3 1,31 ± 0,16 9,5 9,7 ± 0,1

III 58 38 4 1,57 ± 0,19 5,8 10,0 ± 0,1

IV 65 35 0 1,99 ± 0,21 >50 7,7 ± 0,5

Òàáëèöà 1Õàðàêòåðèñòèêè ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ

ñïîñîáñòâóåò ÷àñòè÷íîìó ðàñòâîðåíèþ êàðáèäíîé ôàçû è ïðèâîäèò ê íåçíà÷èòåëüíîìó óìåíüøå-íèþ ðàçìåðà ÷àñòèö TiC äî 1,31 ìêì. Ïðè I è II ðåæèìàõ ïîðèñòîñòü ìàòåðèàëà ñîñòàâëÿåò 8,5% è9,5% ñîîòâåòñòâåííî. Íàèìåíüøåé ïîðèñòîñòüþ (5,8%) îáëàäàþò ìàòåðèàëû, ïîëó÷åííûå ñ ïðåä-âàðèòåëüíûì ïîäîãðåâîì èñõîäíûõ îáðàçöîâ (III ðåæèì). Ïðåäâàðèòåëüíûé íàãðåâ ïîçâîëÿåò

9

¹ 22012


ïîâûñèòü òåðìîäèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïðîöåññà ÑÂÑ, óâåëè÷èâàÿ òåìïåðàòóðó ãîðåíèÿíà 100 °Ñ, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ èíòåðâàëà âðåìåíè, ïðè êîòîðîì ìàòåðèàë îáëàäàåò ïëà-ñòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è â ðåçóëüòàòå äåôîðìèðîâàíèÿ çàïîëíÿåò ïîðû â áîëüøåé ñòåïåíè. Ìèêðî-ñòðóêòóðà ìàòåðèàëà, ïîëó÷åííîãî â ðåæèìå òåïëîâîãî âçðûâà, îòëè÷àåòñÿ áîëüøîé ìàêðîñêîïè÷åñ-êîé ïîðèñòîñòüþ (áîëåå 50%), ïðèñóòñòâèåì áîëåå êðóïíûõ ÷àñòèö êàðáèäà òèòàíà (ðèñ. 2, ã).

Ðåíòãåíîñòðóêòóðíûé àíàëèç ïîêàçàë (ðèñ. 3), ÷òî ïîëó÷åííûå ìàòåðèàëû ñîñòîÿò èç òðåõ ôàç:ÌÀÕ-ôàçû Ti

2AlC, êàðáèäíîé ñîñòàâëÿþùåé TiC è èíòåðìåòàëëèäíîé ôàçû TiAl

3. Â òàáë.1 ïðèâå-

äåíû êîëè÷åñòâåííûå äàííûå ïî ýòèì ôàçàì â ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëàõ. Ñîäåðæàíèå èíòåðìåòàë-ëèäíîé ôàçû TiAl

3 â ìàòåðèàëàõ, ïîëó÷åííûõ ñ ïîìîùüþ òðåõ ïåðâûõ ðåæèìîâ, ñîñòàâëÿåò íå

áîëåå 4%, âîçìîæíî èìåííî ïîýòîìó îíà íå íàáëþäàåòñÿ íà ìèêðîôîòîãðàôèÿõ. Â ìàòåðèàëå,ïîëó÷åííîì â ðåæèìå òåïëîâîãî âçðûâà, ýòó ôàçó íå îáíàðóæèëè.

Äëÿ àíàëèçà ñîñòàâà ôîðìèðóþùèõñÿ ôàç áûëè îïðåäåëåíû ïàðàìåòðû ðåøåòêè ñîåäèíåíèéTi

2AlC, TiC (òàáë. 2). Ïàðàìåòðû ðåøåòêè ìàòðèöû Ti

2AlC ìàòåðèàëà, ïîëó÷åííîãî ñ ïîìîùüþ òðåõ

ïåðâûõ ðåæèìîâ, ïðàêòè÷åñêè íå îòëè÷àþòñÿ îò òàáëè÷íûõ çíà÷åíèé [1]. Çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðàðåøåòêè êàðáèäà òèòàíà 4,313 è 4,312 ñîîòâåòñòâóþò ñòåõèîìåòðè÷åñêîìó ñîñòàâó TiC(0,6) è TiC(0,7)ñîîòâåòñòâåííî. Òàêèì îáðàçîì, ïðè ïðåäâàðèòåëüíîì ïîäîãðåâå èñõîäíûõ îáðàçöîâ ñîñòàâ êàð-áèäíîé ôàçû áîëåå áëèçîê ê ñòåõèîìåòðè÷åñêîìó ñîñòàâó.

Èçìåðåííàÿ ìèêðîòâåðäîñòü ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ ïðè ðàçëè÷íûõ ðåæèìîâ ñîñòàâëÿåò 7-10 ÃÏà(òàáë.1). Õàðàêòåðíàÿ ìèêðîòâåðäîñòü ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå ÌÀÕ-ôàçû ñèñòåìû Ti-Al-C áåç êà-

Ðèñ. 3. Ðåíòãåíîãðàììû ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ

X-ray patterns of the materials produced

10

¹ 22012


êèõ-ëèáî ïðèìåñåé ñîñòàâëÿåò 4,0-4,5 ÃÏà. Â ñòðóêòóðå ïîëó÷åííîãî ìàòåðèàëà íàõîäÿòñÿ òâåð-äûå ÷àñòèöû êàðáèäà òèòàíà, ÷òî è îáóñëàâëèâàåò åãî ïîâûøåííóþ ìèêðîòâåðäîñòü.

4. Âûâîäû.

Ïðîâåäåí àíàëèç ñîñòàâà ôîðìèðóþùèõñÿ ôàç ìåòàëëîêåðàìè÷åñêîãî ìàòåðèàëà íà îñíîâå Ti-Al-C,ïîëó÷åííîãî â óñëîâèÿõ ïðèëîæåíèÿ äàâëåíèÿ (ÑÂÑ-ïðåññîâàíèå) è áåç ïðèëîæåíèÿ äàâëåíèÿ (òåï-ëîâîé âçðûâ). Óñòàíîâëåíî, ÷òî ìàòðèöà ñèíòåçèðîâàííîãî ìàòåðèàëà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÌÀÕ-ôàçó, ñîîòâåòñòâóþùåé ñîñòàâó Ti

2AlC, à âêëþ÷åíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàðáèä òèòàíà ñ ðàçëè÷íîé

ñòåïåíüþ ñòåõèîìåòðèè. Ïîêàçàíî, ÷òî â ðåæèìå ÑÂÑ-ïðåññîâàíèÿ ñ ïðåäâàðèòåëüíûì ïîäîãðåâîìèñõîäíûõ îáðàçöîâ óäàåòñÿ ïîëó÷èòü ìàòåðèàë ñ íàèìåíüøåé ïîðèñòîñòüþ (5,8 %).

Ìèêðîñòðóêòóðà ìàòåðèàëà, ïîëó÷åííîãî â ðåæèìå òåïëîâîãî âçðûâà, îòëè÷àåòñÿ áîëüøîé ìàê-ðîñêîïè÷åñêîé ïîðèñòîñòüþ (áîëåå 50%), ïðèñóòñòâèåì áîëåå êðóïíûõ ÷àñòèö êàðáèäà òèòàíà.Ïðåäâàðèòåëüíûé ïîäîãðåâ èñõîäíîãî îáðàçöà ïðèâîäèò ê ïîëó÷åíèþ êàðáèäíîé ôàçû, áîëååáëèçêîé ê ñòåõèîìåòðè÷åñêîìó ñîñòàâó, à ïîñëåäóþùèé îòæèã ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ ïðèâîäèò êíåçíà÷èòåëüíîìó óìåíüøåíèþ ðàçìåðà êàðáèäíûõ ÷àñòèö è èõ ÷àñòè÷íîìó ðàñòâîðåíèþ.

Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. Tzenov N.V., Barsoum M.W. Synthesis and charac-terization of Ti3AlC2, J. Am. Ceram. Soc., 2000, v. 83, p. 825 - 832.2. Zhou A.G., Wang C.A., Huang Y. A possible mechanism on synthesis of Ti3AlC2, Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop.

Microstruct. Process, 2003, v. 352, p. 333 - 339.3. Hendaoui A., Andasmas M., Amara A., Benaldjia A., Langlois P., Vrel D. SHS of High-Purity MAX Compounds in the Ti-Al-C

System, International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2008, v. 17, no. 2, p. 129 - 135.4. Êåðàìè÷åñêèå ìàòåðèàëû. Ïîä ðåä. Ã.Í. Ìàñëåííèêîâîé. Ì.: Ñòðîéèçäàò, 1991, 320 ñ.5. Ìåðæàíîâ À.Ã., Ïðîöåññû ãîðåíèÿ è ñèíòåç ìàòåðèàëîâ. Ïîä ðåä. Â.Ò.Òåëåïû, À.Â.Õà÷îÿíà. ×åðíîãîëîâêà:

ÈÑÌÀÍ, 1998, 512 ñ.6. Áó÷àöêèé Ë.Ì., Ñòîëèí À.Ì., Âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ ðåîëîãèÿ, ÈÔÆ, 1992, ò. 63, ¹ 5, ñ. 593-604.

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõÑ.Í. Ãàëûøåâ: àñïèðàíò ÔÃÁÎÓ ÂÏÎ «ÓÃÀÒÓ», Óôà, [email protected].Í.Ã. Çàðèïîâ: ä.ô.-ì.í., ïðîôåññîð, çàâ.êàôåäðû ìàòåðèàëîâåäåíèÿ è ôèçèêè ìåòàëëîâ, ÃÎÓ ÂÏÎ «ÓÃÀÒÓ», Óôà.Â.À. Ïîïîâ: èíæåíåð Èíñòèòóòà ïðîáëåì ñâåðõïëàñòè÷íîñòè ìåòàëëîâ ÐÀÍ, Óôà.Ï.Ì. Áàæèí: ê.ò.í., í.ñ. ÈÑÌÀÍ, ×åðíîãîëîâêà, [email protected].À.Ì.Ñòîëèí*: ä.ô.-ì.í., ïðîôåññîð, çàâ.ëàá. ïëàñòè÷åñêîãî äåôîðìèðîâàíèÿ íåîðãàíè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ÈÑÌÀÍ,

[email protected].

Òàáëèöà 2Ïàðàìåòðû ðåøåòêè ñîåäèíåíèé Ti

2AlC, TiC ïîëó÷åííûõ ìàòåðèàëîâ

Ðåæèì Ti2AlC TiC

Ia=3,059±2*10-4c=13,657±0,002

4,312 ±1,7*10-4

IIa=3,059±2*10-4c=13,657±0,002

4,312±1,9*10-4

IIIa=3,058±3*10-4c=13,657±0,002

4,313±2,1*10-4

IVa=3,059±5*10-4c=13,650±0,004

4,313±1,7*10-4

11

¹ 22012


ÓÄÊ 541.18.046.8

ÏÅÐÑÏÅÊÒÈÂÍÛÅ ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÎÍÍÛÅ ÍÀÍÎÌÀÒÅÐÈÀËÛ(Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 10.05.12, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè - 25.05.2012ã.)

Ì.È.Àëûìîâ, Å.Â.Åâñòðàòîâ

Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå áþäæåòíîå ó÷ðåæäåíèå íàóêè Èíñòèòóò ìåòàëëóðãèèè ìàòåðèàëîâåäåíèÿ èì. À.À. Áàéêîâà Ðîññèéñêîé àêàäåìèè íàóê, Ìîñêâà, Ðîññèÿ

Ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ìåòîäû è òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ è îáðàáîòêè êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòå-ðèàëîâ. Îïðåäåëåíû îñíîâíûå âèäû è îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ïåðñïåêòèâíûõ êîíñòðóêöèîííûõ íàíî-ìàòåðèàëîâ. Ýôôåêòû îò âíåäðåíèÿ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ïîçâîëÿòñîçäàòü íîâûé ðåàëüíûé ñåêòîð íàóêîåìêîé ïðîäóêöèè ñ âûñîêîé äîáàâëåííîé ñòîèìîñòüþ.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: ïðî÷íîñòü, ïëàñòè÷íîñòü, íàíîìàòåðèàëû, íàíîñòðóêòóðû, ðàçìåð çåðíà, òâåð-äîñòü.

ADVANCED STRUCTURAL NANOMATERIALS

M.I.Alymov, E.V.Evstratov

A.Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of RAS, Moscow, Russia

The basic methods and technologies for production and processing of construction nanomaterials are discussed.The main types of structural nanomaterials and their applications were determined. The effects of the innovationof nanostructured materials will create a new real sector of high technology products with high added value.

Keywords: strength, plasticity, nanomaterials, nanostructures, grain size, hardness.

1. Ââåäåíèå

Êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû - ìàòåðèàëû, îñíîâíîå ñâîéñòâî êîòîðûõ - ñïîñîáíîñòü ñîïðî-òèâëÿòüñÿ ìåõàíè÷åñêèì íàãðóçêàì áåç íàðóøåíèÿ êîíñòðóêöèîííîé ïðî÷íîñòè. Ïîä íàðóøåíèåìêîíñòðóêöèîííîé ïðî÷íîñòè ïîíèìàþò äîñòèæåíèå òàêîãî ñîñòîÿíèÿ, êîãäà íàðóøàåòñÿ êîíñòðóê-òèâíàÿ ôóíêöèÿ èçäåëèÿ, êîãäà îíî ñòàíîâèòñÿ íåïðèãîäíûì äëÿ ýêñïëóàòàöèè. Â ïðÿìîì è áîëååóçêîì ñìûñëå ñëîâà ïîä íàðóøåíèåì ïðî÷íîñòè ïîíèìàåòñÿ ðàçäåëåíèå òåëà íà ÷àñòè [1].

Êîíñòðóêöèîííûå íàíîìàòåðèàëû - ìàòåðèàëû, îñíîâíîå ñâîéñòâî êîòîðûõ (ñïîñîáíîñòü ñî-ïðîòèâëÿòüñÿ ìåõàíè÷åñêèì íàãðóçêàì áåç ðàçðóøåíèÿ) ðåàëèçóåòñÿ çà ñ÷åò íàëè÷èÿ â íèõ íàíî-ðàçìåðíûõ ýëåìåíòîâ ñòðóêòóðû (íàíîîáúåêòîâ), ê êîòîðûì îòíîñÿòñÿ çåðíà, âûäåëåíèÿ âòîðîéôàçû è äðóãèå ýëåìåíòû ñòðóêòóðû.

Â ñòàòüå 1921 ãîäà À. Ãðèôôèòñ ïðåäïîëîæèë, ÷òî ìîæíî ïîâûñèòü ïðåäåë òåêó÷åñòè ìàòåðèàëàìåòîäîì «èçìåëü÷åíèÿ» ñòðóêòóðû, ïîêà íå áóäåò äîñòèãíóòà òåîðåòè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü [2, 3]. Ð. Ôåé-íìàí â 1960 ã. îòìå÷àë, ÷òî âñëåäñòâèå óìåíüøåíèÿ ðàçìåðà çåðåí, êðîìå ïîâûøåíèÿ ïðî÷íîñòè,ñëåäóåò îæèäàòü çíà÷èòåëüíûõ ïðîáëåì îáóñëîâëåííûõ çíà÷èòåëüíîé íåîäíîðîäíîñòüþ ñòðóêòóðûìàòåðèàëà [4]. Ñëåäóåò ó÷èòûâàòü òàêæå òî, ÷òî ñ óìåíüøåíèåì ðàçìåðà çåðåí â îáëàñòü ìåíåå 100íì ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ (ýëåêòðè÷åñêèõ, ìàãíèòíûõ, òåïëîâûõ).

12

¹ 22012


Íàïðèìåð, ïîâûøåíèå ýëåêòðîñîïðîòèâëåíèÿ ìîæåò íåãàòèâíî ñêàçàòüñÿ íà âîçìîæíîñòè ïðèìå-íåíèÿ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ â êà÷åñòâå ýëåêòðîïðîâîäÿùèõ ìàòåðèàëîâ.

Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåí ãðàôèê çàâèñèìîñòè ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà îò ïëîòíîñòè äèñëîêàöèé.Ñïëîøíàÿ êðèâàÿ ïîñòðîåíà È.À.Îäèíãîì â 1948 ã. [5, 6], à ïóíêòèðíîé ëèíèåé îáîçíà÷åíà ïðåä-ïîëîæèòåëüíàÿ çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè îò ïëîòíîñòè äåôåêòîâ, âêëþ÷àÿ ãðàíèöû çåðåí, äëÿ íà-íîìàòåðèàëîâ. Âèäíî ÷òî, òåîðåòè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü ïîêà íå äîñòèãíóòà, íî ðåçóëüòàòû íåêîòîðûõðàáîò [7, 8] ïîêàçûâàëè, ÷òî ïðî÷íîñòü íàíîìàòåðèàëîâ ìîæåò áûòü î÷åíü âûñîêà.

2. Îñíîâíûå ñâîéñòâà êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ

Äëÿ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, âêëþ÷àÿ è êîíñòðóêöèîííûå íàíîìàòåðèàëû, îñíîâíûìèÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå ñâîéñòâà:

- ìåõàíè÷åñêèå (ïðî÷íîñòü, ïëàñòè÷íîñòü, òâåðäîñòü, òðåùèíîñòîéêîñòü, ñîïðîòèâëåíèå óñ-òàëîñòè è ïîëçó÷åñòè, äëèòåëüíàÿ ïðî÷íîñòü è äð.);

- òåõíîëîãè÷åñêèå (îáðàáàòûâàåìîñòü äàâëåíèåì, òåìïåðàòóðíûì âîçäåéñòâèåì, ðåæóùèì èí-ñòðóìåíòîì, ñâàðèâàåìîñòü, ëèòåéíûå ñâîéñòâà è äð.);

- ñïåöèàëüíûå ñëóæåáíûå èëè ýêñïëóàòàöèîííûå (æàðîïðî÷íîñòü, æàðîñòîéêîñòü, õëàäîñòîé-êîñòü, èçíîñîñòîéêîñòü, êîððîçèîííàÿ ñòîéêîñòü, ðàäèàöèîííàÿ ñòîéêîñòü, óñòîé÷èâîñòü ê ñòàòè-÷åñêèì è äèíàìè÷åñêèì íàãðóçêàì, óíèêàëüíîå ñî÷åòàíèå ïðî÷íîñòíûõ è ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ,ïàìÿòü ôîðìû, áèîñîâìåñòèìîñòü è áàêòåðèöèäíîñòü è äð.), êîòîðûå õàðàêòåðèçóþò ðàáîòîñïî-ñîáíîñòü è äîëãîâå÷íîñòü äåòàëåé è êîíñòðóêöèé.

Ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà, îïðåäåëåííàÿ ïðè èñïûòàíèè ãëàäêèõ ëàáîðàòîðíûõ îáðàçöîâ, êàê ïðà-âèëî, íèæå ïðî÷íîñòè äåòàëåé êîíñòðóêöèè. Êðîìå âëèÿíèÿ òàêèõ óñëîâèé èñïûòàíèé, êîòîðûåìîæíî âàðüèðîâàòü â ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ, êàê òåìïåðàòóðà è ñêîðîñòü äåôîðìàöèè, äëèòåëü-íîñòü è öèêëè÷íîñòü íàãðóæåíèÿ, çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå íà ïðî÷íîñòü èçäåëèé îêàçûâàþò ìàñø-òàáíûé ôàêòîð, êîíöåíòðàöèÿ íàïðÿæåíèé è äåôîðìàöèé, ñòåïåíü òðåõîñíîñòè íàïðÿæåííîãî

ñîñòîÿíèÿ, çàïàñ óïðóãîé ýíåðãèè â êîíñòðóêöèè, ïîÿâëå-íèå è ðàçâèòèå òðåùèí.

Â ïîñëåäíåå âðåìÿ çíà÷èòåëüíûå ðåçóëüòàòû äîñòèãíó-òû â ðàçðàáîòêå òåõíîëîãèé, íàïðàâëåííûõ íà ñîçäàíèå êîí-ñòðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ, îáëàäàþùèõ óíèêàëüíûìêîìïëåêñîì ñâîéñòâ è ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ èñïîëüçîâà-íèÿ â ïîëóôàáðèêàòàõ, äåòàëÿõ è êîíñòðóêöèÿõ ãðàæäàíñêî-ãî è îáîðîííîãî ïðèìåíåíèÿ, ñîçäàíèå ìåòàëëîìàòðè÷íûõ,êåðàìîìàòðè÷íûõ è ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèîííûõ íàíî-ìàòåðèàëîâ, à òàêæå íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñëîåâ è ïî-êðûòèé, ñ ïîâûøåííûìè ìåõàíè÷åñêèìè è ôóíêöèîíàëü-íûìè ñâîéñòâàìè, à òàêæå ìåòðîëîãè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå,àòòåñòàöèþ, ñòàíäàðòèçàöèþ è ñåðòèôèêàöèþ (èññëåäî-âàíèå è êîíòðîëü ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè ñâîéñòâ è õàðàê-òåðèñòèê) íîâûõ êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ.

Â êà÷åñòâå ïåðñïåêòèâíûõ êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòå-ðèàëîâ ðàññìàòðèâàþòñÿ:

- íàíîñòðóêòóðèðîâàííûå è íàíîìîäèôèöèðîâàííûåñòàëè è ñïëàâû ðàçëè÷íûõ êëàññîâ è ñèñòåì ëåãèðîâàíèÿ;

Ðèñ.1. Ñõåìàòè÷åñêàÿ çàâèñèìîñòüïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà îò ïëîòíîñòèäèñëîêàöèé [5, 6]

Schematic of the dependence of materialstrength on dislocation density [5,6]

13

¹ 22012


- êîíñòðóêöèîííàÿ íàíîêåðàìèêà;- íàíîñòðóêòóðèðîâàííûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå ìåòàëëè÷åñêîé, êåðàìè÷åñ-

êîé è ïîëèìåðíîé ìàòðèö, âêëþ÷àÿ èíòåðìåòàëëèäû è ñïëàâû íà èõ îñíîâå, è íàíîêðèñòàëëè÷åñ-êèå òâåðäûå ñïëàâû,

- êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû ñ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûìè ïîâåðõíîñòíûìè ñëîÿìè è ïî-êðûòèÿìè.

3. Ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ êîíñòðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ

Ìîæíî âûäåëèòü ñëåäóþùèå îñíîâíûå òåõíîëîãèè è ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ êîíñòðóêöèîííûõ íà-íîìàòåðèàëîâ (òàáë.1):

- íàíîñòðóêòóðèðîâàíèå ïîñðåäñòâîì òåðìè÷åñêîé è òåðìîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè;- ïîðîøêîâàÿ ìåòàëëóðãèÿ (êîìïàêòèðîâàíèå íàíîïîðîøêîâ);- íàíîñòðóêòóðèðîâàíèå ïîñðåäñòâîì ôðàãìåíòàöèè ñòðóêòóðû ïðè èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñ-

êîé äåôîðìàöèè;- êðèñòàëëèçàöèÿ àìîðôíûõ ñïëàâîâ;- îáúåìíîå ìîäèôèöèðîâàíèå ðàñïëàâîâ;- èíæèíèðèíã ïîâåðõíîñòè.Ðàçëè÷íûå ìåòîäû ïîëó÷èëè ðàçâèòèå äëÿ ðàçíûõ âèäîâ ìàòåðèàëîâ.

Òåõíîëîãèÿ Ìåòîä Ìàòåðèàë

Òåðìîìåõàíè÷åñêàÿ îáðàáîòêà

Òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà, òåðìîìåõàíè÷åñêàÿ

îáðàáîòêà

Ìåòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû, ñòàëè è ñïëàâû.

Ïîðîøêîâàÿ

ìåòàëëóðãèÿ

Êîìïàêòèðîâàíèå

íàíîïîðîøêîâ.

Ïðåññîâàíèå è ñïåêàíèå.

Ñïåêàíèå ïîä äàâëåíèåì

Ìåòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû,

êåðàìèêà, êåðìåòû,

êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû,

ïîëèìåðû

Êðèñòàëëèçàöèÿ

àìîðôíûõ ñïëàâîâ

Êðèñòàëëèçàöèÿ

àìîðôíûõ ñïëàâîâ.

Êîíñîëèäàöèÿ àìîðôíûõ

ïîðîøêîâ ñ ïîñëåäóþùåé

êðèñòàëëèçàöèåé.

Àìîðôèçóþùèåñÿ

ìåòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû

Èíòåíñèâíàÿ

ïëàñòè÷åñêàÿ

äåôîðìàöèÿ

Ðàâíîêàíàëüíîå óãëîâîå

ïðåññîâàíèå.

Äåôîðìàöèÿ êðó÷åíèåì

ïðè âûñîêèõ äàâëåíèÿõ.

Âñåñòîðîííÿÿ êîâêà.

Ìåòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû

Îáúåìíîå

ìîäèôèöèðîâàíèå

ðàñïëàâîâ.

Ââåäåíèå íàíî÷àñòèö â

ðàñïëàâ.

Àëþìèíèåâûå è ìåäíûå

ñïëàâû.

Èíæèíèðèíã

ïîâåðõíîñòè

Íàíåñåíèå

âûñîêîïðî÷íûõ

ïîêðûòèé.

Âûñîêîïðî÷íûå ïîêðûòèÿ íà

ìåòàëëàõ è ñïëàâàõ.

Òàáëèöà 1Ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ îáúåìíûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ

14

¹ 22012


Ìåòîäîì íàíîñòðóêòóðèðîâàíèÿ ïîñðåäñòâîì òåðìè÷åñêîé è òåðìîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêèïîëó÷åíû ðàçëè÷íûå âèäû ïåðñïåêòèâíûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ - ñòàëåéè ñïëàâîâ:

- âûñîêîïðî÷íûå êîððîçèîííîñòîéêèå íåìàãíèòíûå ñòàëè ñî ñâåðõðàâíîâåñíûì ñîäåðæàíèåìàçîòà, íå ñîäåðæàùèå àóñòåíèòîîáðàçóþùèõ ýëåìåíòîâ (ðèñ. 2) [9, 12];

- êîíñòðóêöèîííûå ìàëîëåãèðîâàííûå õëàäîñòîéêèå è êîððîçèîííîñòîéêèå ñòàëè äëÿ ìàãèñò-ðàëüíûõ íåôòå- è ãàçîïðîâîäîâ [10];

- êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû äëÿ ïðîèçâîäñòâà ëîïàòîê ãàçîâûõ òóðáèí è äðóãèõ äåòàëåéãîðÿ÷åãî òðàêòà ãàçîòóðáèííûõ äâèãàòåëåé è óñòàíîâîê äëÿ ðàêåòíî-êîñìè÷åñêîé è àâèàöèîí-íîé òåõíèêè [11];

Ìåòîäû ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè íàèáîëåå óíèâåðñàëüíû è ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü ìåòàëëè÷åñ-êèå, êåðàìè÷åñêèå è êîìïîçèöèîííûå íàíîìàòåðèàëû:

- òâåðäûå ñïëàâû íà îñíîâå êàðáèäà âîëüôðàìà èíñòðóìåíòàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ (ðèñ. 3) [12, 13],- êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå êåðàìèêè è èíòåðìåòàëëèäîâ, àðìèðîâàííûå íàíî-

ðàçìåðíûìè ýëåìåíòàìè (íèòåâèäíûìè êðèñòàëëàìè, âîëîêíàìè, ìèêðîñôåðàìè, äèñïåðñíûìè÷àñòèöàìè) [12];

- êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû ñ ïîëèìåðíîé ìàòðèöåé, îáëàäàþùèå âûñîêîé ñòàòè÷åñêîé èäèíàìè÷åñêîé ïðî÷íîñòüþ, âîäîñòîéêîñòüþ, õëàäî- è òåïëîñòîéêîñòüþ, èçíîñîñòîéêîñòüþ;

- äèñïåðñíî-óïðî÷íåííû îêñèäàìè ñòàëè ñ çàäàííûìè âûñîêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè æàðîïðî÷-íîñòè è ðàäèàöèîííîé ñòîéêîñòè äëÿ ïðîèçâîäñòâà òîíêîñòåííûõ îáîëî÷åê òåïëîâûäåëÿþùèõýëåìåíòîâ àòîìíûõ ðåàêòîðîâ [16];

- êîðïóñíûå ñòàëè ñ âûñîêèì ñîïðîòèâëåíèåì ðàäèàöèîííîìó îõðóï÷èâàíèþ è ìàëîé íàâå-äåííîé àêòèâíîñòüþ èëè áûñòðûì å¸ ñïàäîì;

- ìàòåðèàëû äëÿ âíóòðèðåàêòîðíûõ óñòðîéñòâ ñ âûñîêîé ôàçîâîé ñòàáèëüíîñòüþ ïîä âëèÿíèåìíåéòðîííîãî îáëó÷åíèÿ;

- òåïëîñòîéêèå è ðàäèàöèîííîñòîéêèå ìàòåðèàëû;- êåðàìèêà íà îñíîâå ãèäðîêñèàïàòèòà ñ ïîâûøåííîé òðåùèíîñòîéêîñòüþ è ïðî÷íîñòüþ [14];

- âûñîêîòåìïåðàòóðíûå êîíñòðóêöèîííûå êîì-ïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû íà îñíîâå êåðàìèêè [15];

- âûñîêîòåìïåðàòóðíûå ìàòåðèàëû ñ ïîâûøåí-íîé æàðîïðî÷íîñòüþ è òðåùèíî-ñòîéêîñòüþ, óñ-òîé÷èâûå ê äåéñòâèþ îêèñëèòåëüíîé ñðåäû;

- êîìïîçèöèîííûå êåðàìîìàòðè÷íûå ìàòåðè-àëû íà îñíîâå áåçêèñëîðîäíûõ ñîåäèíåíèé (êàð-áèäû, íèòðèäû, áîðèäû è äð.);

- ñîçäàíèå òåïëîñòîéêèõ àíòèôðèêöèîííûõ èýëåêòðîèçîëÿöèîííûõ ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèîí-íûõ íàíîìîäèôèöèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ ñ òåì-ïåðàòóðîé ýêñïëóàòàöèè ñâûøå 200 °Ñ;

- ðàçðàáîòêà ñïîñîáîâ ìîäèôèêàöèè ìíîãîôóíê-öèîíàëüíûõ ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèé íà íàíî -,ìåçî- è ìàêðîóðîâíÿõ äëÿ óëó÷øåíèÿ âàæíåéøèõýêñïëóàòàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê êîðïóñíûõ íà-ãðóæåííûõ è âíóòðèêîðïóñíûõ íåíàãðóæåííûõêîíñòðóêöèîííûõ, àíòèôðèêöèîííûõ, âèáðîïîã-

Str

eng

th /

MP

a

2800

1600

0 50 100 150 200 Critical stress intensity factor / MPà·ì1/2

Low-alloyed steel

(USA)

Low-alloyed steel

(IMET)

Aluminium alloy V95

1200

800

400

0 Magnesium alloy ÌÀ15

2000

2400

Titanium alloy VT 15 Moderately -alloyed steels (USA)

High-alloyed steels

(USA)

Ðèñ. 2. Ñîîòíîøåíèå ìåæäó ïðî÷íîñòüþ è òðåùè-íîñòîéêîñòüþ äëÿ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ

Correlation between strength and fracture toughnessfor structural materials

15

¹ 22012


ëîùàþùèõ, ýëåêòðîèçîëÿöèîííûõ ïîëèìåðíûõ êîìïîçèòîâ è ñîçäàíèÿ ìàòåðèàëîâ ñ çàäàííûìèñâîéñòâàìè;

- ñîçäàíèå ìíîãîôóíêöèîíàëüíûõ ïîëèìåðíûõ ìàòðèö (êîìïîçèöèé) äëÿ êîðïóñíûõ è âíóòðè-êîðïóñíûõ êîíñòðóêöèîííûõ, âèáðîïîãëîùàþùèõ íàíîìîäèôèöèðîâàííûõ ïîëèìåðíûõ êîìïî-çèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ (ÏÊÌ),

- èññëåäîâàíèå ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ, òðèáîòåõíè÷åñêèõ, äèýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ íîâûõ íà-íîìîäèôèöèðîâàííûõ ÏÊÌ;

- ðàçðàáîòêà òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé èç íàíîìîäèôèöèðîâàííûõ ÏÊÌ.Ìåòîäîì èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïîëó÷åíû ðàçëè÷íûå âèäû ñóáìèêðîêðèñ-

òàëëè÷åñêèõ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ: - òîíêèå ëèñòû äëÿ ïðîèçâîäñòâà îñîáî òî÷íûõ âûñîêîïðî÷íûõ òîíêîñòåííûõ èçäåëèé ñëîæ-

íîé ôîðìû ñ èñïîëüçîâàíèåì ýôôåêòà ñâåðõïëàñòè÷íîñòè ïðè ïîíèæåííûõ òåìïåðàòóðàõ è/èëèïîâûøåííûõ ñêîðîñòÿõ äåôîðìèðîâàíèÿ, à òàêæå äëÿ âûïîëíåíèÿ íåðàçúåìíûõ ñîåäèíåíèé íà-íîñòðóêòóðèðîâàííûõ (â òîì ÷èñëå ðàçíîðîäíûõ) ìàòåðèàëîâ ñ ñîõðàíåíèåì èõ ñòðóêòóðû è óíè-êàëüíîãî êîìïëåêñà ñâîéñòâ;

- æàðîïðî÷íûå ñòàëè è ñïëàâû íà îñíîâå æåëåçà è íèêåëÿ,- òèòàí, äðóãèå ìåòàëëû è ñïëàâû äëÿ èííîâàöèîííûõ ïðèìåíåíèé â ìåäèöèíå;- âûñîêîïðî÷íûå ìåòàëëè÷åñêèå ñïëàâû ñ óïðàâëÿåìûì ýôôåêòîì ïàìÿòè ôîðìû è ïðåäåëüíî

âûñîêèìè ôóíêöèîíàëüíûìè ñâîéñòâàìè;- òèòàíîâûå ôîëüãè äëÿ âûïîëíåíèÿ íåðàçúåìíûõ ñîåäèíåíèé âûñîêîïðî÷íûõ òèòàíîâûõ ñïëà-

âîâ, â òîì ÷èñëå ðàçíîðîäíûõ;- òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ è îáðàáîòêè ìíîãîñëîéíûõ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñïëàâîâ.Ìåòîä îáúåìíîãî ìîäèôèöèðîâàíèÿ ðàñïëàâîâ íàíî÷àñòèöàìè íàøåë ïðèìåíåíèå äëÿ ðàçðà-

áîòêè ñëåäóþùèõ ïåðñïåêòèâíûõ ìàòåðèàëîâ è òåõíîëîãèé:-êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ àíòèôðèêöèîííîãî è ôðèêöèîííîãî íàçíà÷åíèÿ;Èíæèíèðèíã ïîâåðõíîñòè íàøåë ïðèìåíåíèå äëÿ ðàçðàáîòêè ñëåäóþùèõ ïåðñïåêòèâíûõ ìà-

òåðèàëîâ è òåõíîëîãèé:- èíæèíèðèíã íàíîñòðóêòóðèðîâàííîé

ïîâåðõíîñòè (íàíåñåíèå íàíîñòðóêòóðèðî-âàííûõ ïîêðûòèé, àêòèâàöèÿ ïîâåðõíîñòè,ìîäèôèêàöèÿ ïîâåðõíîñòè) - ñîçäàíèå ôóí-êöèîíàëüíî-ãðàäèåíòíûõ ïîêðûòèé ñ ðåãó-ëèðóåìîé òâåðäîñòüþ;

- òåõíîëîãèè ñîçäàíèÿ ñèñòåì çàùèòûîò âòîðè÷íûõ ôèçè÷åñêèõ ïîëåé (ýëåêò-ðî-ìàãíèòíûõ, àêóñòè÷åñêèõ) - ñîçäàíèåýêðàíèðóþùèõ, ðàäèîïîãëîùàþùèõ èâèáðîïîãëîùàþùèõ íàíîêîìïîçèòîâ èïîêðûòèé;

- çàùèòíûå ìàãíèòíûå è ýëåêòðîìàãíèò-íûå ýêðàíû è ïîêðûòèÿ, à òàêæå ïîêðûòèÿè ìàòåðèàëû äëÿ çàùèòû îò èîíèçèðóþùåãîè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèé;

- êàòàëèòè÷åñêè àêòèâíûå ïîêðûòèÿ èýëåìåíòû;

0 0,5 1,0 1,5 2,0 WC grain size / microns

Hard

nes

s H

V /

GP

a

14

16

18

20

22

24

26

Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü òâåðäîñòè ñïëàâà WC-8%Co îòðàçìåðà çåðíà êàðáèäà âîëüôðàìà

Hardness of WC-8%Co alloys versus WC grain size / microns

16

¹ 22012


- íàíîñòðóêòóðíûå çàùèòíûå ïîêðûòèÿ: òåïëî-, çâóêî-, ìîëíèåçàùèòíûå, ëàêîêðàñî÷íûå, âèá-ðîïîãëîùàþùèå è êîððîçèîííîñòîéêèå;

- âèáðîäåìïôèðóþùèå è âèáðîïîãëîùàþùèå êîíñòðóêöèîííûå íàíîìàòåðèàëû è ïîêðûòèÿ.- ìíîãîôóíêöèîíàëüíûå è ôóíêöèîíàëüíî-ãðàäèåíòíûå íàíîñòðóêòóðèðîâàííûå ïîêðûòèÿ [17];- ðàçðàáîòêà è ñîçäàíèå òåõíîëîãè÷åñêèõ êîìïëåêñîâ äëÿ ìîäèôèêàöèè ïîâåðõíîñòè êðèñòàë-

ëè÷åñêèõ ñòðóêòóð ìàòåðèàëîâ è èçäåëèé;-ìåòàëëîìàòðè÷íûå, ïîëèìåðîìàòðè÷íûå è êåðàìîìàòðè÷íûå íàíîêîìïîçèòû è ôóíêöèîíàëüíî-

ãðàäèåíòíûå ïîêðûòèÿ [18].Äëÿ óñïåøíîãî ðàçâèòèÿ ðàññìîòðåííûõ òåõíîëîãèè òðåáóåòñÿ ìåòðîëîãè÷åñêîå è ìåòîäè÷åñ-

êîå îáåñïå÷åíèå èññëåäîâàíèé, ðàçðàáîòîê, ñòàíäàðòèçàöèè è ñåðòèôèêàöèè â îáëàñòè êîíñòðóê-öèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ.

Àêòóàëüíîé ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà ìåòîäîâ ïðîãíîçèðîâàíèÿ ñëóæåáíûõ õàðàêòåðèñòèê êîíñòðóêöè-îííûõ íàíîìàòåðèàëîâ, îïðåäåëÿþùèõ ðàáîòîñïîñîáíîñòü è äîëãîâå÷íîñòü êîíñòðóêöèîííûõ ýëå-ìåíòîâ, ñ ó÷åòîì íàíî - è ìèêðîñòðóêòóðíûõ ïîâðåæäåíèé, âêëþ÷àÿ ðàäèàöèîííûå ïîâðåæäåíèÿ.

4. Çàêëþ÷åíèå

Øèðîêîå âíåäðåíèå íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ïîçâî-ëèò ñîçäàòüíîâûé ðåàëüíûé ñåêòîð íàóêîåìêîé ïðîäóêöèè ñ âûñîêîé äîáàâëåííîé ñòîèìîñòüþ íà îñíîâåâûñîêèõ òåõíîëîãèé, îáåñïå÷èâ:

- ñíèæåíèå ìàòåðèàëî- è ýíåðãîåìêîñòè ïðîèçâîäñòâà;- ïîâûøåíèå óðîâíÿ àâòîìàòèçàöèè ïðîèçâîäñòâà è ñîêðàùåíèå ïðîèçâîäñòâåííûõ öèêëîâ;- êà÷åñòâåííîå óëó÷øåíèå ýêñïëóàòàöèîííûõ ïàðàìåòðîâ è ïîòðåáèòåëüñêèõ ñâîéñòâ;- ïîâûøåíèå íàäåæíîñòè è äîëãîâå÷íîñòè îáîðóäîâàíèÿ â àâèàöèîííî-êîñìè÷åñêîé, ñóäîñòðî-

èòåëüíîé, ýíåðãåòè÷åñêîé è íåôòåãàçîõèìè÷åñêîé îòðàñëÿõ ïðîìûøëåííîñòè;- ïîâûøåíèå ýêñïîðòíîãî ïîòåíöèàëà è àêòèâèçàöèþ èìïîðòîçàìåùåíèÿ;- óëó÷øåíèå êà÷åñòâà æèçíè;- ïîâûøåíèå íàäåæíîñòè è ýêîëîãè÷åñêîé áåçîïàñíîñòè;- óâåëè÷åíèå êîëè÷åñòâà ðàáî÷èõ ìåñò äëÿ âûñîêîêâàëèôèöèðîâàííîãî ïåðñîíàëà.- ïîâûñèòü ïðîèçâîäèòåëüíîñòü òðóäà è óëó÷øèòü åãî óñëîâèÿ,- óñîâåðøåíñòâîâàòü òåõíîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû è ïîâûñèòü ïðîèçâîäñòâåííóþ áåçîïàñíîñòü

(âêëþ÷àÿ ýêîëîãè÷åñêóþ),- ïîâûñèòü ãëóáèíó ïåðåðàáîòêè ñûðüÿ ïðè ñîêðàùåíèè îòõîäîâ ïðîèçâîäñòâà,- ñíèçèòü ìàòåðèàëî- è ýíåðãîåìêîñòü ïðîèçâîäñòâà,- ïîâûñèòü óðîâåíü àâòîìàòèçàöèè ïðîèçâîäñòâà è ñîêðàòèòü ïðîèçâîäñòâåííûå öèêëû.- ñîçäàíèå ïðèíöèïèàëüíî íîâûõ ïðîäóêòîâ.

Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. Ðàáîòíîâ Þ.Í. Ìåõàíèêà äåôîðìèðóåìîãî òâåðäîãî òåëà. - Ì.: Íàóêà. 1988. - 712 ñ.2. Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids. Philosophical Transactions of the Royal Society

of London. 1921, Series A, 221: P. 163-198.3. Ãðèôôèòñ À.À., ßâëåíèÿ ðàçðóøåíèÿ è òå÷åíèÿ â òâåðäûõ òåëàõ, ÌèÒÎÌ, 1995. ¹ 1. Ñ.9-14.4. Ôåéíìàí Ð.Ô., Âíèçó ïîëíûì-ïîëíî ìåñòà: ïðèãëàøåíèå â íîâûé ìèð ôèçèêè, Ðîñ. õèì. æ.,

2002, Ò. XLVI, ¹ 5, ñ. 4-6.5. Îäèíã È.À., Èçâ. ÀÍ ÑÑÑÐ ÎÒÍ., ¹ 12, 1948.

17

¹ 22012


6. Îäèíã È.À., Èâàíîâà Â.Ñ., Áóðäóêñêèé Â.Â., Ãåìèíîâ Â.Í., Òåîðèÿ ïîëçó÷åñòè è äëèòåëüíîéïðî÷íîñòè ìåòàëëîâ, ÃÍÒÈË ×ÖÌ, Ì.: 1959. - 488 ñ.

7. Àëûìîâ Ì.È., Ïîðîøêîâàÿ ìåòàëëóðãèÿ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ. - Ì.: Íàóêà,2007. - 169 ñ.

8. Ëÿêèøåâ Í.Ï., Àëûìîâ Ì.È., Ïîëó÷åíèå è ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà îáúåìíûõ íàíîê-ðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, - Ì.: ÝËÈÇ, 2007. - 148 ñ.

9. Áàííûõ Î.À., Áëèíîâ Â.Ì., Êîñòèíà Ì.Â., Êîíñòðóêöèîííûå âûñîêîàçîòèñòûå êîððîçèîííî-ñòîéêèå àóñòåíèòíûå è ìàðòåíñèòíûå ñòàëè, Èíñòèòóò ìåòàëëóð-ãèè è ìàòåðèàëîâåäåíèÿ èì. À.À.Áàéêîâà - 70 ëåò: Ñá. íàó÷íûõ òðóäîâ ïîä ðåä. àêàäåìèêà Ê.À. Ñîëíöåâà, Ì.: Èíòåðêîíòàêò Íàóêà,2008, ñ. 122-135.

10. Ãîðûíèí È.Â., Èññëåäîâàíèÿ è ðàçðàáîòêè ÔÃÓÏ ÖÍÈÈ ÊÌ «Ïðîìåòåé» â îáëàñòè êîíñò-ðóêöèîííûõ íàíîìàòåðèàëîâ, Ðîññèéñêèå íàíîòåõíîëîãèè, 2007, ¹ 3-4.

11. Êàáëîâ Å.Í. (2002) Àâèàöèîííûå ìàòåðèàëû, Èçáðàííûå òðóäû «ÂÈÀÌ» 1932-2002. Þáè-ëåéíûé íàó÷íî-òåõíè÷åñêèé ñáîðíèê. Ïîä îáùåé ðåäàêöèåé ÷ë.-êîðð. ÐÀÍ Å.Í. Êàáëîâà, Ìîñêâà,ÌÈÑÈÑ - ÂÈÀÌ.

12. Ñîëíöåâ Ê.À., ÈÌÅÒ ÐÀÍ: Ðàçâèòèå ðàáîò â îáëàñòè íàíîìàòåðèàëîâ è íàíîòåõíîëîãèé,ÍÝÏ, 2010. ¹ 4. Ñ. 36-38.

13. Þ.Â. Öâåòêîâ, Þ.Â. Áëàãîâåùåíñêèé, À.Â. Ñàìîõèí, Ã.Â. Áîðîâñêèé, Ë.È. Êëÿ÷êî, À.Ä.-Ïåëüö, À.Â. Àáðàìîâ, Íàíîñòðóêòóðíûå òâåðäûå ñïëàâû äëÿ ñîç-äàíèÿ èíñòðóìåíòà ñ ïîâûøåí-íûìè ýêñïëóàòàöèîííûìè ñâîéñòâàìè, Òåçèñû äîêëàäîâ. Òðåòüÿ Âñåðîññèéñêàÿ êîíôåðåíöèÿ ïîíàíîìàòåðèàëàì ÍÀÍÎ-2009. Åêàòåðèíáóðã, 20-24 àïðåëÿ, 2009 ã., ñ.726-728.

14. Àëûìîâ Ì.È., Áàêóíîâà Í.Â., Áàðèíîâ Ñ.Ì., Áåëóíèê È.À., Ôîìèí À.Ñ., Èåâëåâ Â.Ì., Ñîë-äàòåíêî Ñ.À., Îñîáåííîñòè óïëîòíåíèÿ ïðè ïðåññîâàíèè íàíîïîðîøêîâ ãèäðîêñèàïàòèòà, Ðîñ-ñèéñêèå íàíîòåõíîëîãèè, 2011, ¹ 5-6, Ñ.50-52.

15. Áàðèíîâ Ñ.Ì., Øåâ÷åíêî Â.ß.. Ïðî÷íîñòü òåõíè÷åñêîé êåðàìèêè. Ì.: Íàóêà. 1996. - 159 c.16. Ïóòèëîâ À.Â., Ðàçðàáîòêè ÔÃÓÏ ÂÍÈÈÍÌ â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèé è íàíîìàòåðèàëîâ

äëÿ àòîìíîé îòðàñëè, Ðîññèéñêèå íàíîòåõíîëîãèè, 2007, ¹ 9-10.17. Êàëèòà Â.È., Êîìëåâ Ä.È. Ïëàçìåííûå ïîêðûòèÿ ñ íàíîêðèñòàëëè÷åñêîé è àìîðôíîé ñòðóê-

òóðîé. Ì.: «Ëèäåð Ì». 2008. - 388 ñ.18. Óëüòðàäèñïåðñíûå è íàíîðàçìåðíûå ïîðîøêè: ñîçäàíèå, ñòðîåíèå, ïðîèçâîäñòâî è ïðèìå-

íåíèå. Ïîä ðåä. àêàä. Â.Ì. Áóçíèêà. - Òîìñê: Èçä-âî ÍÒË. 2009. - 192 ñ.

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõ:Ì.È.Àëûìîâ: ä-ð òåõí. íàóê, çàâåäóþùèé ëàáîðàòîðèåé Ôåäåðàëüíîãî ãîñóäàðñòâåííîãî áþä-

æåòíîãî ó÷ðåæäåíèÿ íàóêè Èíñòèòóò ìåòàëëóðãèè è ìàòåðèàëîâåäåíèÿ èì. À.À. Áàéêîâà Ðîñ-ñèé-ñêîé àêàäåìèè íàóê, Ìîñêâà, Ðîññèÿ, [email protected], òåë.499-1358641.

Å.Â.Åâñòðàòîâ: êàíä. òåõí. íàóê, ñò. íàó÷íûé ñîòðóäíèê Ôåäåðàëüíîãî ãîñóäàðñòâåííîãî áþä-æåòíîãî ó÷ðåæäåíèÿ íàóêè Èíñòèòóò ìåòàëëóðãèè è ìàòåðèàëîâåäåíèÿ èì. À.À. Áàéêîâà Ðîññèé-ñêîé àêàäåìèè íàóê, Ìîñêâà, Ðîññèÿ, [email protected], òåë.499-1358641.

Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ÐÔÔÈ, ïðîåêò 11-08-00105

18

¹ 22012


ÂÛÑÎÊÎÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÛÅ ÊÎÌÏÎÇÈÒÛ - ÌÀÒÅÐÈÀËÛßÄÅÐÍÛÕ ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÓÑÒÀÍÎÂÎÊ Ñ ÒßÆ¨ËÛÌÈ

ÆÈÄÊÎÌÅÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÌÈ ÒÅÏËÎÍÎÑÈÒÅËßÌÈ(Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 19.12.11, ïåðåðàáîòàííûé âàðèàíò - .04.04.12, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè - 08.04.2012ã.)

Ð.Ø.Àñõàäóëëèí1, Î.Ã.Êîìëåâ1, Ï.Í.Ìàðòûíîâ1,À.À.Îñèïîâ1, Ì.Ì.Òðåâãîäà1, Ñ.Ò.Ìèëåéêî2

1ÔÃÓÏ «ÃÍÖ ÐÔ-ÔÝÈ», ã Îáíèíñê, Ðîññèÿ2Èíñòèòóò ôèçèêè òâ¸ðäîãî òåëà ÐÀÍ, ×åðíîãîëîâêà, Ðîññèÿ

Â êðàòêîé ñòàòüå îïèñûâàåòñÿ ìàòåðèàëîâåä÷åñêèé çàäåë, êîòîðûé ìîæåò ñëóæèòü îñíîâîé äëÿðàçðàáîòêè êîìïîçèòîâ, ðàáîòàþùèõ â ïåðñïåêòèâíûõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ ÿäåðíûõ ðåàêòîðàõ ñòÿæ¸ëûìè æèäêîìåòàëëè÷åñêèìè òåïëîíîñèòåëÿìè.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ÿäåðíûé ðåàêòîð, êîìïîçèòû, êåðàìèêà, òÿæåëûé æèä-êîìåòàëëè÷åñêèé òåïëîíîñèòåëü

HIGH-TEMPERATURE COMPOSITES - MATERIALS FOR NUCLEAR POWER PLANTSWITH HEAVY METAL HEAT-TRANSFER MEDIUM

R.Sh.Askhadulin1, O.G.Komlev1, A.A.Osipov1, M.M.Trevgoda1, S.T.Mileiko2

1State scientific center of RF - Leypunsky's institute for physics and power engineering2The Institute of Solid State Physics (ISSP) Academy of Sciences

A brief description of the basis for the development of composites to be used as structural materials of high-temperature nuclear reactors with heavy-metal heat-transfer medium is presented.

Keywords: high-temperature nuclear reactor, composites, ceramics, heavy-metal heat-transfer medium

1. Ââåäåíèå

Ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû òåïëîíîñèòåëÿ â àòîìíîì ðåàêòîðå - îäíî èç ïðèíöèïèàëüíûõ íàïðàâëå-íèé óëó÷øåíèÿ âñåãî êîìïëåêñà ñâîéñòâ àòîìíûõ ñòàíöèé (ÀÑ). Â ïåðâóþ î÷åðåäü, ýòî ïîâûøåíèåýêîíîìè÷íîñòè ïðåîáðàçîâàíèÿ òåïëîâîé ýíåðãèè ðåàêòîðà â ìåõàíè÷åñêóþ è ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåð-ãèþ è ñâÿçàííîå ñ ýòèì óëó÷øåíèå òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé, ñíèæåíèå ìàòåðèàëî¸ìêîñòè,óìåíüøåíèå ðàçëè÷íûõ âûáðîñîâ â îêðóæàþùóþ ñðåäó, ïîâûøåíèå áåçîïàñíîñòè, íàä¸æíîñòè è ò. ä.

Ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû òåïëîíîñèòåëÿ ñâÿçàíî è äðóãîå íàïðàâëåíèå ñîâåðøåíñòâîâàíèÿÀÑ, à èìåííî ðàñøèðåíèå ýíåðãîòåõíîëîãè÷åñêèõ âîçìîæíîñòåé ñòàíöèè, òàêèõ êàê ïðîèçâîä-ñòâî ìîòîðíîãî òîïëèâà èç óãëåé, ïðîèçâîäñòâî âîäîðîäà, èñïîëüçîâàíèå òåïëîâîé ýíåðãèè äëÿíóæä öâåòíîé ìåòàëëóðãèè, â ñòåêîëüíîé ïðîìûøëåííîñòè è äð.

Ñóùåñòâóþùèå â íàñòîÿùåå âðåìÿ íåñêîëüêî íàïðàâëåíèé ðàçâèòèÿ ÀÑ èìåþò ðàçíûå âîçìîæíî-ñòè ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû. Òðàäèöèîííî âûñîêîòåìïåðàòóðíûìè ñ÷èòàþòñÿ ÀÑ ñ ãàçîîõëàæäàå-ìûìè ðåàêòîðàìè. Îäíàêî ðàçâèòèå ýòîãî íàïðàâëåíèÿ â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè ñäåðæèâàåòñÿ òàêè-ìè îãðàíè÷åíèÿì, êàê âûñîêîå äàâëåíèå â ðåàêòîðíîì êîíòóðå, ñðàâíèòåëüíî íèçêàÿ ñïîñîáíîñòü

19

¹ 22012


ãàçîâîãî òåïëîíîñèòåëÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ýíåðãîâûíîñà èç àêòèâíîé çîíû, ïîâûøåííûå ìàòåðèàëî¸ì-êîñòü, ìàññà è ãàáàðèòû ðåàêòîðà, òðàäèöèîííîå îäíîêîíòóðíîå èñïîëíåíèå, èñêëþ÷àþùåå îäèí èçãåðìåòè÷íûõ áàðüåðîâ íà ïóòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ðàäèîàêòèâíûõ ïðîäóêòîâ äåëåíèÿ.

Íàïðàâëåíèÿ ðàçâèòèÿ ÀÑ ñ æèäêîìåòàëëè÷åñêèìè ðåàêòîðàìè - íàòðèé-îõëàæäàåìûìè èñ òÿæ¸ëûìè æèäêîìåòàëëè÷åñêèìè òåïëîíîñèòåëÿìè (ñâèíåö, ñâèíåö-âèñìóò) - ëèøåíû îò-ìå÷åííûõ íåäîñòàòêîâ: äàâëåíèå â ðåàêòîðíîì êîíòóðå íåçíà÷èòåëüíî è íèæå äàâëåíèÿ â êîí-òóðå ïðåîáðàçîâàòåëÿ, ðåàêòîðû îòëè÷àþòñÿ âûñîêèì ýíåðãîâûíîñîì èç àêòèâíîé çîíû, èìå-þò ñðàâíèòåëüíî ìàëûå ðàçìåðû è ìàòåðèàëî¸ìêîñòü, íàëè÷èå äîïîëíèòåëüíîãî ãåðìåòè÷íî-ãî êîíòóðà ïîâûøàåò áåçîïàñíîñòü. Cîçäàííûå è âíîâü ðàçðàáàòûâàåìûå æèäêîìåòàëëè÷åñ-êèå ðåàêòîðû â ñðàâíåíèè ñ íàèáîëåå ìàññîâûìè ðåàêòîðàìè ñ âîäÿíûì òåïëîíîñèòåëåì óæåèìåþò ñóùåñòâåííî áîëåå âûñîêóþ (íà 100 - 200 °Ñ) òåìïåðàòóðó, à òàêæå âîçìîæíîñòè äàëü-íåéøåãî çíà÷èòåëüíîãî å¸ ðîñòà. Ýòè âîçìîæíîñòè ñâÿçàíû ñ ïåðåõîäîì íà íîâûå âûñîêîòåì-ïåðàòóðíûå êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû.

Äëÿ íàòðèåâûõ ðåàêòîðîâ ïîâûøåíèå òåìïåðàòóð ïðåäïîëàãàåòñÿ äîñòè÷ü, ïðåæäå âñåãî, âíå-äðåíèåì íîâûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ - ñïåöèàëüíûõ æàðîïðî÷íûõ ñòàëåé è/èëè òóãîïëàâ-êèõ ìåòàëëîâ. Ðàññìàòðèâàþòñÿ òàêæå âîçìîæíîñòè SiC-SiC êîìïîçèòîâ.

Äëÿ ðåàêòîðîâ ñ òÿæ¸ëûìè æèäêîìåòàëëè÷åñêèìè òåïëîíîñèòåëÿìè (ÒÆÌÒ) ñóùåñòâóåò ïðèí-öèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü âûõîäà íà íîâûé òåìïåðàòóðíûé óðîâåíü ïóòåé ðàçðàáîòêè è âíåäðå-íèÿ íîâûõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ ðåàêòîðíûõ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ (ÂÒÐÊÌ), êîòîðûå ìîãóòáûòü ñîçäàíû ñ ó÷¸òîì ñâîéñòâåííîé ÒÆÌÒ ñîâìåñòèìîñòè ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ñ ìàòåðè-àëàìè, ïðåæäå âñåãî, íà îñíîâå êåðàìèêè.

Ðàçðàáîòêà òàêèõ ìàòåðèàëîâ ïîçâîëèò ïîäíÿòü òåìïåðàòóðó íà âûõîäå èç ðåàêòîðà äî 1100 - 1200 °Ñ,÷òî íåñêîëüêî âûøå (íà 100 - 200 °Ñ) ñîîòâåòñòâóþùèõ òåìïåðàòóð ãàçîîõëàæäàåìûõ ðåàêòîðîâ èîòêðûâàåò êà÷åñòâåííî íîâûå âîçìîæíîñòè ðåàêòîðîâ â ÷àñòè òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòå-ëåé è ýíåðãîòåõíîëîãèé. Òðåáîâàíèÿ ê êîíñòðóêöèîííûì ìàòåðèàëàì ðåàêòîðíîé óñòàíîâêè âåñü-ìà æåñòêèå. Êðîìå âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ñîâìåñòèìîñòè ñ ÒÆÌÒ òðåáóåòñÿ ñîâìåñòèìîñòü ñ ÿäåð-íûì òîïëèâîì, ñîõðàíåíèå ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ â óñëîâèÿõ îáëó÷åíèÿ, òåõíîëîãè÷íîñòü, ïðè-åìëåìàÿ ñòîèìîñòü è äð.

Ýòè òðåáîâàíèÿ ñèëüíî ñóæàþò âûáîð. Îäíîãî ìàòåðèàëà, óäîâëåòâîðÿþùåãî âñåìó ñëîæíîìóêîìïëåêñó òðåáîâàíèé, íå ñóùåñòâóåò. Â ñâÿçè ñ ýòèì íàèáîëåå ðåàëüíûì ïóò¸ì ñîçäàíèÿ íåîáõî-äèìîãî íîâîãî êîíñòðóêöèîííîãî ìàòåðèàëà ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà êîìïîçèòîâ, ó êîòîðûõ òðåáóå-ìûé íàáîð ñâîéñòâ ïîëó÷àåòñÿ ñîåäèíåíèåì ïîëåçíûõ ñâîéñòâ êîìïîíåíòîâ. Òàêîãî ðîäà êîìïî-íåíòàìè ìîãóò, íàïðèìåð, ñëóæèòü (ñïèñîê íåèñ÷åðïûâàþùèé): Si

3N

4, SiC, [2, 3] ZrO

2, Al

2O

3, Mo,

MgAl2O

4, ñòàëü.

Â ýòîì ñïèñêå êåðàìèêà äîëæíà óäîâëåòâîðÿòü òðåáîâàíèÿì âûñîêîòåìïåðàòóðíîé êîððîçèîí-íîé ñòîéêîñòè â ñðåäå ÒÆÌÒ. Íåêîòîðûå êåðàìèêè õàðàêòåðèçóþòñÿ ïîâûøåííîé ðàäèàöèîííîéñòîéêîñòüþ, ÷òî ñâÿçàíî ñ îñîáåííîñòÿìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåø¸òêè; ìîëèáäåí õàðàêòåðèçóåòñÿáîëåå âûñîêîé òðåùèíîñòîéêîñòüþ, íåæåëè êåðàìèêà; ñòàëü ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà â ÂÒÐÊÌäëÿ ïðåîäîëåíèÿ õëàäíîëîìêîñòè è ò.ä. Îïòèìàëüíàÿ ñòðóêòóðà êîìïîçèòîâ è òåõíîëîãè÷åñêèåïðè¸ìû èõ ïîëó÷åíèÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçðàáàòûâàþòñÿ íà îñíîâå äàííûõ, ïîëó÷åííûõ â ïðåä-âàðèòåëüíûõ ýêñïåðèìåíòàõ.

Ïðè ðàçðàáîòêå ÂÒÐÊÌ ïðåäïîëàãàåòñÿ èñïîëüçîâàòü áîãàòûé îïûò ñîçäàíèÿ ïîäîáíûõìàòåðèàëîâ, â òîì ÷èñëå âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ, íàêîïëåííûé â îðãàíèçàöèÿõ ïðèìåíèòåëüíîê äðóãèì îáëàñòÿì òåõíèêè - ìàøèíîñòðîåíèè, àâèàöèè, äâèãàòåëåñòðîåíèè, ìåòàëëóðãèè èäð. Ñ ïîìîùüþ òàêîé òåõíîëîãèè ìîãóò èçãîòàâëèâàòüñÿ ðàçëè÷íûå ýëåìåíòû ðåàêòîðîâ, òà-

20

¹ 22012


êèå êàê, òðóá÷àòûå îáîëî÷êè òåïëîâûäåëÿþùèõ ýëåìåíòîâ àêòèâíûõ çîí, ñòåíêè êàìåð, îïîð-íûå ðåø¸òêè.

Íèæå êðàòêî ðàññìàòðèâàþòñÿ äâå òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ êîìïîçèòîâ íà îñíîâå êåðàìèêè èíåêîòîðûå èõ ñâîéñòâà.

2. Êîìïîçèòû ñ îêñèäíîé ìàòðèöåé, ïîëó÷àåìîé èç ðàñïëàâà

Êðèñòàëëèçàöèÿ îêñèäà â ïó÷êå ìîëèáäåíîâîé ïðîâîëîêè, óëîæåííîé â çàäàííîé ãåîìåòðèèâ ôîðìó, èçãîòîâëåííóþ èç ìîëèáäåíîâîé ôîëüãè, ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ýëåìåíòû êîíñòðóêöèéîòíîñèòåëüíî íåáîëüøèõ ðàçìåðîâ, çàâèñÿùèõ îò ðàçìåðîâ ðàáî÷åé çîíû êðèñòàëëèçàöèîííîéóñòàíîâêè, [3].

Ïîëó÷åííûå òàêèì îáðàçîì êîìïîçèòû õàðàêòåðèçóþòñÿ äîñòàòî÷íî âûñîêîé ïðî÷íîñòüþè òðåùèíîñòîéêîñòüþ, ñóùåñòâåííî ïðåâûøàþùåé òðåùèíîñòîéêîñòü îáû÷íîé îêñèäíîé êå-ðàìèêè. Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè ïðè èçãèáå îáðàçöîâ ñ ìàòðèöåé Al

2O

3 è

ýâòåêòèêè Al2O

3 - ZrO

2. îò îáú¸ìíîãî ñîäåðæàíèÿ ìîëèáäåíîâîé ïðîâîëîêè, ïîëó÷åííàÿ èñ-

Ðèñ. 1. Çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè ïðè èçãèáå êîìïîçèòíûõ îáðàçöîâ ñ ìàòðèöåé Al2O

3 è ýâòåêòèêè Al

2O

3-ZrO

2

îò îáú¸ìíîãî ñîäåðæàíèÿ ìîëèáäåíîâîé ïðîâîëîêè. Äèàìåòð ïðîâîëîêè âî âñåõ îáðàçöàõ, çà èñêëþ÷åíèåìñîîòâåòñòâóþùèõ òî÷êàì, îáâåäåííûõ êðóãîì, - 0.05- 0.08 ìì. Â òð¸õ óïîìÿíóòûõ îáðàçöàõ - 0.10 ìì.

Bending strength of composite specimen with Al2O

3 and Al2O

3-ZrO

2 - eutectic versus molybdenum wire fraction.

Diameter of the wire in all specimens, excluding those corresponding to the points in a circle, is - 0.05 - 0.08 mm. Forthree specimens mentioned wire diameter is - 0.10 mm.

21

¹ 22012


ïûòàíèåì îáðàçöîâ òðåõòî÷å÷íûì èçãèáîì; äèàìåòð îáðàçöîâ - 8 ìì, ðàññòîÿíèå ìåæäó êðàé-íèìè îïîðàìè - 20 ìì.

Ïðî÷íîñòü ãðàíèöû ðàçäåëà â òàêèõ êîìïîçèòàõ - âûñîêàÿ, ïðî÷íîñòü êîìïîçèòà â ýòîì ñëó÷àåìîæíî îöåíèòü, èñïîëüçóÿ ìîäåëü ïñåâäîìàêðîòðåùèíû [4].

Òðåùèíîñòîéêîñòü êîìïîçèòîâ, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñïåöèôè÷åñêîé ôîðìîé òîðìîæåíèÿ èðàñïðîñòðàíåíèÿ òðåùèíû. Ýòî âèäíî êàê ïî êîëè÷åñòâåííûì ïîêàçàòåëÿì (ðèñ. 2), òàê è ïî êàð-òèíå òðåùèíû - â îáðàçöå, èñïûòàííîì â èçìåðåíèè êðèòè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòèíàïðÿæåíèé (ðèñ. 3).

Ïðåäâàðèòåëüíûå èñïûòàíèÿ íà êîððîçèîííóþ ñòîéêîñòü îáðàçöîâ Ìî-Al2O

3 â ðàñïëàâå ñâèí-

öà ïðè òåìïåðàòóðå 1000 °Ñ â òå÷åíèå 250 ÷. íå âûçâàëè çàìåòíîãî ïîâðåæäåíèÿ îáðàçöà1.

3. Êåðàìèêà, ïîëó÷àåìàÿ ïî ñõåìå ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè

Ïåðñïåêòèâíûå â ðàññìàòðèâàåìîì êîíòåêñòå æàðîïðî÷íûå êåðàìèêè íà îñíîâå Si3N

4 è SiC

áûëè ïîëó÷åíû ïóòåì ñïåêàíèÿ ïîðîøêîâ ñ äîáàâëåíèåì àýðîãåëÿ ALOOH. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðèìå-íåíèå ìàëûõ äîáàâîê àýðîãåëÿ (1-2 % ìàc.) â êà÷åñòâå àêòèâàòîðà ñïåêàíèÿ ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííî-ìó ïîâûøåíèþ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êåðàìèêè: äîñòèãàåòñÿ ïðàêòè÷åñêè íóëåâàÿ ïî-ðèñòîñòü, çíà÷èòåëüíîå ïîâûøåíèå ïðî÷íîñòè, òðåùèíîñòîéêîñòè è òâåðäîñòè, ðàñøèðåíèå ðàáî÷å-

Ðèñ. 2. Êðèòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé äëÿ êîìïîçèòîâ è ìàòðèö, ïîëó÷åííûõ â òåõæå óñëîâèÿõ, ÷òî è êîìïîçèòíûå îáðàçöû. Äàííûå ïî âåëè÷èíàì êðèòè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòèíàïðÿæåíèé äâóõ ìàòðèö - óñðåäíåíèå ïî òð¸ì èçìåðåíèÿì, äàííûå äëÿ êîìïîçèòîâ - åäèíè÷íûå èçìåðåíèÿ.

The values of critical stress intensity coefficient for the composites and matrices obtained in the same way as that for thecomposites. The values for the matrices are averages after three measurements, those for the composites are the resultsof single tests.

1Äàííûå Â.È. Èâàíîâà è Å.À. Îðëîâîé (ÔÃÓÏ ÔÝÈ èì. Ëåéïóíñêîãî)

22

¹ 22012


Ðèñ. 3. Îáðàçåö ïîñëå Mo- Al2O

3 èçìåðåíèÿ âåëè÷èíû êðè-

òè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé

A Ìî-Al2O

3 specimen after measuring the value of

critical stress intensity coefficient.

ãî èíòåðâàëà òåìïåðàòóð è äð. (ðèñ. 4). Òàê,ââåäåíèå 0,5-1% ìàc. àýðîãåëÿ â èçâåñòíóþ ñè-ñòåìó Si

3N

4 -5 % ìàc. MgO îáåñïå÷èâàåò ñíè-

æåíèå îòêðûòîé ïîðèñòîñòè êåðàìè÷åñêîãî ìà-òåðèàëà ñ 1-2 % äî 0,3 %, ïðî÷íîñòü ïðè êîì-íàòíîé òåìïåðàòóðå ïîâûøàåòñÿ äî 750 ÌÏà,ðàáî÷èå òåìïåðàòóðû äîñòèãàþò 1300 °Ñ.

4. Çàêëþ÷åíèå

Íàñòîÿùàÿ çàìåòêà, ïî ñóùåñòâó, ïðåäâàðÿåò öå-ëûé êîìïëåêñ ðàáîò ïî ñîçäàíèþ êîìïîçèòîâ äëÿâûñîêîòåìïåðàòóðíûõ ÿäåðíûõ ðåàêòîðîâ, êîòî-ðûå äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü òðåáîâàíèÿì ïî êîð-ðîçèîííîé ñòîéêîñòè è ñòîéêîñòè ïîä îáëó÷åíè-åì, äëèòåëüíîé ïðî÷íîñòè. Óñïåøíîå ðåøåíèåýòîé çàäà÷è ïîçâîëèò ñîçäàòü ðåàêòîðíûå óñòàíîâ-êè ñ ñóùåñòâåííî áîëåå âûñîêèìè òåõíèêî-ýêîíî-ìè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè è ýíåðãîòåõíîëîãè-÷åñêèìè âîçìîæíîñòÿìè, íåæåëè ñóùåñòâóþùèå.

Ðèñ. 4. Âëèÿíèå äîáàâîê àýðîãåëÿ AlOOH íà õàðàêòåðèñòèêè êåðàìèê íà îñíîâå Si3N

4 (À) è SiÑ (Á). Ñîäåðæàíèå

àýðîãåëÿ â ìàññ. %: 0 (ëèíèÿ 1), 0.5 (2), 1.0 (3), 1.5 (4), 2.0 (5), 2.5 (6), 3.0 (7)

An effect of aerogel AlOOH addition on characteristics of Si3N

4 (À) and SiÑ (Á) ceramics. The aerogel content in mass

percents: 0 (line 1), 0.5 (2), 1.0 (3), 1.5 (4), 2.0 (5), 2.5 (6), 3.0 (7)

23

¹ 22012


Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. C. Lorrette, C. Sauder, L.Chaffron, Progress in developing SiC/SiC composite materials for advanced

nuclear reactors, CD-Proceedings of ICCM-18, August 2011, Korea.2. R.Sh. Askhadullin, P.N. Martynov, P.-A. Yudintsev, A.A. Simakov, A.Yu. Chaban, E.A. Matchula, A.A.

Osipov, Liquid metal based technology of synthesis of nanostructured materials (by the example of oxides),Journal of Physics: Conference Series, 98 (2008) 072012 doi:10.1088/1742-6596/98/7/072012.

5. Ìàðòûíîâ Ï.Í., Àñõàäóëëèí Ð.Ø., Êåëèíà È.Þ., Þäèíöåâ Ï.À. è äð., Èçó÷åíèå ñèíòåçà àýðî-ãåëÿ ìîíîãèäðàòà îêñèäà àëþìèíèÿ èç ðàñïëàâà Ga-Al è èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ìàëûõ äîáàâîêAl2O3·H2O â êåðàìèêó, Òðóäû ðåãèîíàëüíîãî êîíêóðñà íàó÷íûõ ïðîåêòîâ â îáëàñòè åñòåñòâåííûõíàóê, Êàëóãà: Èçäàòåëüñêèé äîì «Ýéäîñ», 2004, Âûï. 6.

6. Kazmin,V.I, Mileiko,S.T., and Tvardovsky,V.V., Strength of ceramic matrix - metal fibre composites,Compos. Sci. and Technology, 38 (1990) 69 - 84.

7. Mileiko,S.T and Tvardovsky,V.V., Heuristic model of pseudomacrocracking in composites with brittlematrix, Theor. Appl. Fracture Mech., 11 (1989) 157 - 167.

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõÏ.Í.Ìàðòûíîâ: ä-ð òåõí. íàóê, ïðîô., çàì. ãåí. äèðåêòîðà - äèðåêòîð ÈÈÒ Ôèçèêî-ýíåðãåòè-

÷åñêîíî èíñòèòóòà èì. À.È. Ëåéïóíñêîãî, Îáíèíñê, Êàëóæñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected],òåë. +7(48439) 9 85 99;

Ð.Ø.Àñõàäóëëèí: êàíä. òåõí. íàóê, äîö., íà÷. îòäåëà 15 ÈÈÒ Ôèçèêî-ýíåðãåòè÷åñêîíî èí-ñòèòóòà èì. À.È.Ëåéïóíñêîãî, Îáíèíñê, Êàëóæñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected], òåë.+7(48439) 9 56 44;

Î.Ã.Êîìëåâ: êàíä. òåõí. íàóê, çàì. äèðåêòîðà ÈÈÒ Ôèçèêî-ýíåðãåòè÷åñêîíî èíñòèòóòà èì. À.È.Ëåéïóíñêîãî, Îáíèíñê, Êàëóæñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected], òåë +7(48439) 9 89 58;

Ì.Ì.Òðåâãîäà: êòí., íà÷àëüíèê ëàáîðàòîðèè Ôèçèêî-ýíåðãåòè÷åñêîíî èíñòèòóòà èì. À.È. Ëåé-ïóíñêîãî, Îáíèíñê, Êàëóæñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected], òåë +7(48439) 9 89 58;

À.À.Îñèïîâ: ìíñ Ôèçèêî-ýíåðãåòè÷åñêîíî èíñòèòóòà èì. À.È. Ëåéïóíñêîãî, Îáíèíñê, Êàëóæ-ñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected], òåë +7(48439) 9 56 44;

Ñ.Ò.Ìèëåéêî: ä-ð òåõí. íàóê, ãëàâíûé íàó÷íûé ñîòðóäíèê, Èíñòèòóò ôèçèêè òâ¸ðäîãî òåëà ÐÀÍ,×åðíîãîëîâêà Ìîñêîâñêîé îáë., Èíñòèòóòñêàÿ óë, 2, Ðîññèÿ 142432, òåë/ôàêñ +7 (49652) 22493,[email protected].

24

¹ 22012


1. Ââåäåíèå

Êîìïîçèòû ÿâëÿþòñÿ âåñüìà ïåðñïåêòèâíûìè êîíñòðóêöèîííûìè ìàòåðèàëàìè áëàãîäàðÿòîìó, ÷òî îíè îáëàäàþò óíèêàëüíûìè ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Íàïðèìåð, èõ óäåëü-íàÿ ïðî÷íîñòü è ìîäóëü óïðóãîñòè ìîãóò â íåñêîëüêî ðàç ïðåâîñõîäèòü àíàëîãè÷íûå õàðàêòåðè-ñòèêè òðàäèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, òàêèõ êàê ñòàëè è ìåòàëëè÷åñêèå ñïëàâû [1]. Êðîìå òîãî, îíèâî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ èìåþò âûñîêóþ æàðîïðî÷íîñòü è êîððîçèîííóþ ñòîéêîñòü [2]. Îñîáûé èíòå-ðåñ ïðåäñòàâëÿþò äåìïôèðóþùèå ñâîéñòâà êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ïîâûøåííîé äåìï-ôèðóþùåé ñïîñîáíîñòüþ, ëèáî âûñîêèì óðîâíåì âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ôîíà âíóòðåííåãî òðå-íèÿ îáëàäàþò ðàçëè÷íûå êëàññû êîìïîçèòîâ, òàêèå êàê ìåòàëë/ìåòàëë [3] (çäåñü óêàçûâàåòñÿ

ÂÛÑÎÊÎÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÛÉ ÔÎÍ ÂÍÓÒÐÅÍÍÅÃÎ ÒÐÅÍÈßÂ ÍÀÍÎÊÎÌÏÎÇÈÖÈÎÍÍÎÌ ÌÀÒÅÐÈÀËÅ

(ïîñòóïèëà 12.04.2012, â ïåðåðàáîòàííîì âèäå - 25.06.12, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè - 26.06.12)

Â.Â.Äåøåâûõ1, Â.Ã.Êóëüêîâ1, Ë.Í.Êîðîòêîâ2, Ä.Ï.Òàðàñîâ3

1Ôèëèàë íàöèîíàëüíîãî èññëåäîâàòåëüñêîãî óíèâåðñèòåòà «ÌÝÈ», Âîëæñêèé2Âîðîíåæñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò, Âîðîíåæ

3Âîåííûé àâèàöèîííûé èíæåíåðíûé óíèâåðñèòåò, Âîðîíåæ

Ïðåäëàãàåòñÿ ìîäåëü âûñêîêîòåìåïåðàòóðíîãî ôîíà âíóòðåííåãî òðåíèÿ â íàíîêîìïîçèöèîí-íîì ìàòåðèàëå òèïà ôåððîìàãíåòèê-ñåãíåòîýëåêòðèê ñ ãðàíóëèðîâàííûìè âêëþ÷åíèÿìè. Çàâèñè-ìîñòü âíóòðåííåãî òðåíèÿ îò òåìïåðàòóðû è ÷àñòîòû íàéäåíà èç ðåøåíèÿ äâóìåðíîé äèôôóçèîí-íîé çàäà÷è äëÿ çåðíîãðàíè÷íûõ âàêàíñèé.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: âíóòðåííåå òðåíèå, íàíîêîìïîçèöèîííûé ìàòåðèàë, çåðíîãðàíè÷íàÿ äèôôóçèÿ.

HIGH-TEMPERATURE INTERNAL FRICTION BACKGROUND INNANOCOMPOSITE MATERIAL

V.V.Deshevyh1, V.G.Kul'kov1, L.N.Korotkov2, D.P.Tarasov3

1 Branch of the "National Research University «Moscow power engineering institute», Volgsky2Voronezh State Technical University, Voronezh

3Military Aviation Engineering University, Voronezh

A model of high-temperature background of internal friction in the composition nano-material typeferromagnetic-ferroelectric with granular inclusions presented in this paper. It is a two-dimensional diffusionproblem for vacancies at the interface between the matrix-reinforcing inclusions. By solving the two-dimensionaldiffusion problem was obtained from the internal friction of the temperature.

Key words: internal friction, nanocomposite material, grain boundary diffusion.

25

¹ 22012


àðìèðóþùèé êîìïîíåíò/ìàòðèöà), ìåòàëë/äèýëåêòðèê [4,5], äèýëåêòðèê/ìåòàëë [6-8] è äèýëåêò-ðèê/äèýëåêòðèê [9-11]. Ïîä ìåòàëëàìè çäåñü ïîäðàçóìåâàþòñÿ è ìåòàëëè÷åñêèå ñïëàâû, à ïîääèýëåêòðèêàìè - øèðîêèé ñïåêòð ìàòåðèàëîâ - êàðáèäû, íèòðèäû, îêñèäû, ïîëèìåðû è ò.ï. Åùåáîëüøèìè äåìïôèðóþùèìè ñâîéñòâàìè îáëàäàþò êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû ñ ñóáìèêðîäèñ-ïåðñíûìè [12-14] è íàíîìàñøòàáíûìè [15-18] ðàçìåðàìè íåîäíîðîäíîñòåé â îäíîì, äâóõ èëèòðåõ èçìåðåíèÿõ. Ýòè êëàññû ìàòåðèàëîâ íàçûâàþò ñóáìèêðîäèñïåðñíûìè êîìïîçèòàìè èëèíàíîêîìïîçèòàìè.

Èçìåíåíèå âåëè÷èíû âíóòðåííåãî òðåíèÿ ïðè ïåðåõîäå îò êîìïîçèòîâ ê íàíîêîìïîçèòàì ñâÿ-çàíî êàê ñ âåëè÷èíîé êîíöåíòðàöèè àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà, òàê è ñ åãî äèñïåðñíîñòüþ, à, ñëå-äîâàòåëüíî, ñ îáùåé ïëîùàäüþ ãðàíèö ìåæäó íèì è ìàòðèöåé. Ïîñëåäíåå îáñòîÿòåëüñòâî àíàëî-ãè÷íî ðàçëè÷èþ â âåëè÷èíå ôîíà âíóòðåííåãî òðåíèÿ â ïîëèêðèñòàëëàõ ñ îáû÷íûì ðàçìåðîìçåðíà è íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëàõ. Â ïîñëåäíåì ñëó÷àå âíóòðåííåå òðåíèå â çíà÷èòåëüíîéñòåïåíè îáóñëîâëåíî çåðíîãðàíè÷íûìè ýôôåêòàìè [19-21], ïîñêîëüêó äîëÿ ìàòåðèàëà, ïðèíàäëå-æàùåãî îáëàñòè ãðàíèö â íàíîñòðóêòóðíûõ ñèñòåìàõ î÷åíü âåëèêà è ìîæåò ïðèáëèæàòüñÿ ê äåñÿò-êàì ïðîöåíòîâ îò îáùåãî êîëè÷åñòâà [22,23].

Öåëüþ íàñòîÿùåé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà ìîäåëè âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ôîíà âíóòðåííå-ãî òðåíèÿ â êîìïîçèöèîííîì ìàòåðèàëå ñ íàíîðàçìåðíûìè ýëåìåíòàìè ñòðóêòóðû.

2. Îïèñàíèå ìîäåëè

Ìîäåëüíóþ ñòðóêòóðó êîìïîçèöèîííîãî ìàòåðèàëà áóäåì ïðåäñòàâëÿòü â âèäå ïðîñòûõ ìíîãî-ãðàííèêîâ, ðàñïîëîæåííûõ â ìàòðèöå. Ýòè ìíîãîãðàííèêè ìîãóò îáðàçîâûâàòü áåñêîíå÷íûé êëà-ñòåð, åñëè äîëÿ àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà ïðåâûøàåò ïîðîã ïåðêîëÿöèè. Â íàèáîëåå ïðîñòîì ñëó-÷àå ìîæíî ñ÷èòàòü àðìèðóþùèé êîìïîíåíò èìåþùèì âèä âîëîêîí. Â ýòîì ñëó÷àå ìîäåëü ìîæíîñâåñòè ê ðåøåíèþ îäíîìåðíîé äèôôóçèîííîé çàäà÷è [24]. Ñ öåëüþ äîñòèæåíèÿ îáùíîñòè ðàñ-ñìîòðèì çäåñü äâóìåðíóþ çàäà÷ó äèôôóçèè, ñîîòâåòñòâóþùóþ ãðàíóëèðîâàííîìó ãåîìåòðè÷åñêî-ìó ñòðîåíèþ àðìèðóþùåãî êîìïîíåíòà. Ôîðìó ãðàíóë äëÿ ïðîñòîòû ïðèìåì êóáè÷åñêîé. Ïóñòü â

ñèñòåìå äåéñòâóåò ïåðèîäè÷åñêîå âíåøíåå íàïðÿæåíèå ( ) ( )ϕ−ωσ=σ tit exp0 . Íà êâàäðàòíûõ ãðà-

íÿõ ãðàíóë, ïî-ðàçíîìó îðèåíòèðîâàííûõ â ïðîñòðàíñòâå, âîçíèêàþò êàñàòåëüíûå è íîðìàëüíûåðàñòÿãèâàþùèå è ñæèìàþùèå íàïðÿæåíèÿ. Íàëè÷èå ïîñëåäíèõ èçìåíÿåò õèìè÷åñêèé ïîòåíöèàëâàêàíñèé, ÷òî ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ äèôôóçèîííûõ ïîòîêîâ ìåæäó ñîñåäíèìè ãðàíÿìè, à,ñëåäîâàòåëüíî, ê äåôîðìàöèè ìàòåðèàëà â öåëîì. Íàíîìàñøòàáíûå ãðàíóëû, êàê è çåðíà â íàíîê-ðèñòàëëè÷åñêîì ìàòåðèàëå ñâîáîäíû îò ñòðóêòóðíûõ äåôåêòîâ. Â ÷àñòíîñòè, â íèõ îòñóòñòâóþòäèñëîêàöèè âñëåäñòâèå áîëüøîé âåëè÷èíû ñèë èçîáðàæåíèÿ [25,26]. Êîíöåíòðàöèÿ âàêàíñèé òîæåïðåíåáðåæèìî ìàëà èëè èõ òàêæå íåò [27]. Êðîìå òîãî, êîýôôèöèåíò ãðàíè÷íîé äèôôóçèè â íàíî-ìàòåðèàëàõ, êàê ïðàâèëî, âñëåäñòâèå çíà÷èòåëüíîé íåðàâíîâåñíîñòè ãðàíèö èìååò âåëè÷èíó, íà-ìíîãî ïðåâûøàþùóþ àíàëîãè÷íóþ â ïîëèêðèñòàëëàõ èëè êîìïîçèòàõ ñ îáû÷íûìè ðàçìåðàìèñòðóêòóðíûõ ýëåìåíòîâ [28]. Ïîýòîìó äèôôóçèÿ èìååò ïîâåðõíîñòíûé õàðàêòåð âäîëü ìåæôàçíîéãðàíèöû. Óñðåäíÿÿ ïî ïðîñòðàíñòâåííûì îðèåíòàöèÿì, ìîæíî ðàññìîòðåòü îäíó ãðàíü òàêîãî êóáà

ñ íîðìàëüíûì íàïðÿæåíèåì íà íåé ( )tβσ - ãäå β - ãåîìåòðè÷åñêèé êîýôôèöèåíò. Çíàê íàïðÿæå-

íèÿ íà ñìåæíûõ ãðàíÿõ áóäåì ñ÷èòàòü ïðîòèâîïîëîæíûì.Ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå íà òàêîì êâàäðàòíîì ñåãìåíòå ïîâåðõíîñòè ìåæôàçíîé ãðàíèöû

ñî ñòîðîíîé L, ðàçäåëÿþùåé ìàòðèöó è íàïîëíèòåëü, èíèöèèðóåò ðàáîòó ïåðèîäè÷åñêîãî èñ-òî÷íèêà âàêàíñèé. Óðàâíåíèå äèôôóçèè äëÿ èçáûòî÷íîé ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàâíîâåñíîé êîí-

26

¹ 22012


öåíòðàöèè âàêàíñèé C(x,y,t) ñ ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèì ðàñïðåäåëåííûì èñòî÷íèêîì ìîù-íîñòè A èìååò âèä [29]:

( ) ( ) ( )tiAtyxÑDt

tyxC ω+∇=∂

∂exp,,

,, 2. (1)

Çäåñü D -êîýôôèöèåíò ìåæôàçíîé äèôôóçèè âàêàíñèé, 2∇ - äâóìåðíûé îïåðàòîð Ëàïëàñà. Ðàñ-ïîëàãàÿ êîîðäèíàòíûå îñè x è y âäîëü ñòîðîí ñåãìåíòà è ðåøàÿ óðàâíåíèå (1) ñ íóëåâûìè ãðàíè÷-íûìè óñëîâèÿìè íà åãî ñòîðîíàõ ìåòîäîì Ôóðüå, ïîëó÷àåì:

( ) ( )( )

( )( )( ) ,...5,3,1 ,tg ,

sinsinexpexp

16,

222

2

2

2

, 21

22224

2

=+π

ω=πω=

++

ππϕ−ω

π= ∑

lm,lmD

Lö

D

LZ

Zlmlm

L

yl

L

xmi

tiD

ALtx,yC

ml

lm

ml

(2)

Ïðè ìàëîé âåëè÷èíå âíåøíèõ íàïðÿæåíèé 0 1kTσ Ω << , ãäå Ω - àòîìíûé îáúåì, èçáûòî÷íàÿ

êîíöåíòðàöèÿ âàêàíñèé ÿâëÿåòñÿ òàêæå âåëè÷èíîé ìàëîé. Îñòàâëÿÿ ëèíåéíîå ïî êîíöåíòðàöèèâàêàíñèé ñëàãàåìîå â ðàçëîæåíèè õèìè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà, ïîëó÷àåì ñâÿçü íîðìàëüíîãî íàïðÿ-æåíèÿ íà ñåãìåíòå ñ ëîêàëüíîé èçáûòî÷íîé êîíöåíòðàöèåé âàêàíñèé:

( ) ( )0

, ,, ,n

b

C x y t kTx y t

Cσ =

Ω , (3)

ãäå C0b - ðàâíîâåñíàÿ êîíöåíòðàöèÿ âàêàíñèé â íåíàïðÿæåííîé ãðàíèöå.Äåôîðìàöèÿ ìàòåðèàëà îáóñëîâëåíà íîðìàëüíîé ñêîðîñòüþ åãî äâèæåíèÿ ê ãðàíèöå âñëåäñòâèå

ñòîêà èëè èñòîêà âàêàíñèé. Ýòà ñêîðîñòü îïðåäåëÿåòñÿ ïîëíûì ïîòîêîì âàêàíñèé èç ñåãìåíòà

÷åðåç åãî ãðàíèöó 2nJ

Lυ Ω= ,

( ) ( ) ( ) ( )0 0

,0, , , 0, , , ,,

L LC x t C x L t C y t C L y tJ D dx dyy y x xδ ∂ ∂ ∂ ∂ = − + − ∂ ∂ ∂ ∂

∫ ∫ (4)

ãäå δ - òîëùèíà ãðàíèöû. Ïðîâåäÿ èíòåãðèðîâàíèå ñ ó÷åòîì (1), ïîëó÷èì:

( ) ( ) ( )2

22 exp , ,n

S

t A i t i C x y t dSL

ω δυ δ ω Ω= Ω − ∫ . (5)

27

¹ 22012


Èíòåãðèðîâàíèå âî âòîðîì ñëàãàåìîì ïðîèçâîäèòñÿ ïî ïëîùàäè ñåãìåíòà.Äëÿ äàëüíåéøåãî íåîáõîäèìî ó÷åñòü òàê íàçûâàåìûé ýôôåêò ïîäñòðîéêè íàïðÿæåíèé [30,31],

êîòîðûé çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì. Â íà÷àëüíûé ìîìåíò âíåøíÿÿ íàãðóçêà, ðàâíîìåðíî äåéñòâóÿíà âñåé ïëîùàäè ñåãìåíòà, ñîçäà¸ò îäíîðîäíóþ êîíöåíòðàöèþ âàêàíñèé. Äèôôóçèîííûå èõ ïîòî-êè ê ñîñåäíèì ôðàãìåíòàì, ÿâëÿþùèìñÿ ñòîêàìè, èçìåíÿþò ðàñïðåäåëåíèå âàêàíñèé âäîëü ñåã-ìåíòà. Óõîä âàêàíñèé èç ìåñò âáëèçè òî÷åê ñîïðÿæåíèÿ ñåãìåíòîâ âûçûâàåò ðåëàêñàöèþ íàïðÿ-æåíèé â íèõ, òàê ÷òî áîëüøàÿ íàãðóçêà ïðèõîäèòñÿ òåïåðü íà öåíòðàëüíûå ó÷àñòêè ñåãìåíòà. Ýòîâûçûâàåò ñîîòâåòñòâóþùåå ïåðåðàñïðåäåëåíèå ëîêàëüíûõ íîðìàëüíûõ íàïðÿæåíèé â ñåãìåíòå,îïðåäåëÿåìîå êîíöåíòðàöèåé âàêàíñèé. Ïîëíîå êîëè÷åñòâî âàêàíñèé âî âñ¸ì ñåãìåíòå îïðåäåëÿ-åòñÿ åãî ðàçìåðîì è âåëè÷èíîé âíåøíåãî íàïðÿæåíèÿ. Âåëè÷èíó A íàéäåì èç ðàâåíñòâà ìîäóëåéðàñòÿãèâàþùåé ñèëû, äåéñòâóþùåé ñî ñòîðîíû âíåøíåãî íàïðÿæåíèÿ íà ñåãìåíò, è ïîëíîé ñèëû,îïðåäåëÿåìîé èíòåãðèðîâàíèåì ïî ñåãìåíòó âûðàæåíèÿ (3) ñ ó÷åòîì (2):

( )( ) ( )( )

2 2

6 2 210 0 2

0 0 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2, ,

, .64

b

m l m l

D C m l ZA

L kT m l m l Z m l m l Z

βπ σ − Ω + = Σ Σ = + + + + + ∑ ∑ (6)

Âíóòðåííåå òðåíèå íàéäåì îáû÷íûì ïóòåì èç âûðàæåíèÿ 1

0 2WQ Wπ

− ∆= , ãäå 2

0

2VW G

σ= -

ìàêñèìàëüíàÿ óïðóãàÿ ýíåðãèÿ â îáúåìå V çåðíà, G - óïðóãèé ìîäóëü, ∆W - ýíåðãèÿ, ðàññåÿííàÿ çàöèêë êîëåáàíèé íà âñåì ñåãìåíòå:

( )( ) ( )( )2

0

Re Re .n n

S

W t t dt dSπ

ω

σ υ

∆ = ∫ ∫ (7)

Ïîäñòàâèì â (7) âûðàæåíèÿ (2) è (5) ñ ó÷åòîì (3) è (6). Ïðèìåì òàêæå âåëè÷èíó îáúåìà, ïðèõî-äÿùåãîñÿ íà îäíó ãðàíóëó, 3~V L è îòíîøåíèå ïëîùàäè ñåãìåíòîâ ãðàíèöû ê ýòîìó îáúåìó êàê

Lϑ , ãäå êîýôôèöèåíò ϑ ó÷èòûâàåò ðåàëüíóþ ãåîìåòðèþ ñòðóêòóðû. Â ðåçóëüòàòå ïîëó÷èì âûðà-

æåíèå äëÿ ôîíà âíóòðåííåãî òðåíèÿ:

( )

( )( )( )

4 2 2

01

0

2 2

22 2 2 2 2,0

,32

1.

b

m l

C GQ F Z

kTL

m lF Z

Z m l m l Z

π ϑβ δ− Ω=

+=Σ + +

∑ (8)

Ìåæôàçíûå ãðàíèöû îáëàäàþò èçáûòî÷íûì ñâîáîäíûì îáúåìîì, êîòîðûé ìîæíî èíòåðïðå-òèðîâàòü êàê èçáûòî÷íóþ ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàâíîâåñíîé êîíöåíòðàöèþ âàêàíñèîííîïîäîáíûõäåôåêòîâ. Òàêèå äåôåêòû ÿâëÿþòñÿ ãåîìåòðè÷åñêè íåîáõîäèìûìè âñëåäñòâèå ïëîõîãî ñîïðÿæåíèÿîáðàçóþùèõ ãðàíèöó ôàç. Ïîäîáíàÿ ñèòóàöèÿ èìååò ìåñòî è â ãðàíèöàõ çåðåí îáùåãî òèïà, ãäå ýòà

28

¹ 22012


êîíöåíòðàöèÿ îöåíèâàåòñÿ êàê 2-3% [32]. Êîíöåíòðàöèÿ òàêèõ äåôåêòîâ íå çàâèñèò îò òåìïåðàòó-ðû è îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî ãåîìåòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè ñîïðÿãàþùèõñÿ ôàç íà àòîìíîì óðîâíå,èõ âçàèìíîé ðàçîðèåíòàöèåé è ïîëîæåíèåì ãðàíèöû. Êðîìå ãåîìåòðè÷åñêè íåîáõîäèìûõ, íà ãðà-íèöàõ èìåþòñÿ òàêæå è òåïëîâûå äåôåêòû âàêàíñèîííîãî òèïà, êîëè÷åñòâî êîòîðûõ ýêñïîíåíöè-àëüíî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû. Îöåíêè òåìïåðàòóðû, ïðè êîòîðîé êîíöåíòðàöèè îáîèõ òèïîâäåôåêòîâ ñðàâíèâàþòñÿ, ñ ó÷åòîì çàìåòíî ìåíüøåé ýíåðãèè îáðàçîâàíèÿ òåïëîâûõ âàêàíñèé íàãðàíèöàõ, ÷åì â îáúåìå, ïðèâîäÿò ê çíà÷åíèÿì, áëèçêèì ê òåìïåðàòóðå ïëàâëåíèÿ êðèñòàëëè÷åñ-êîãî ñîñòîÿíèÿ. Ïîýòîìó â øèðîêîé îáëàñòè òåìïåðàòóð, âïëîòü äî òåìïåðàòóðû, áëèçêîé ê ïëàâ-

ëåíèþ òåïëîâûìè âàêàíñèÿìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî êîíöåíòðàöèÿ 0bC âàêàíñè-

îííîïîäîáíûõ äåôåêòîâ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. Òîãäà ñîãëàñíî (8) çàâèñèìîñòü ïðîèçâåäåíèÿ

( )1ln Q T− ⋅ îò ln Z ñ òî÷íîñòüþ äî ïîñòîÿííîãî ñëàãàåìîãî ñîâïàäàåò ñ çàâèñèìîñòüþ ( )ln F Z îò

ln Z .

Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåí ãðàôèê çàâèñèìîñòè ( )ln F Z îò ln Z ñîãëàñíî (8). Îí èìååò äâà ïðÿìîëè-

íåéíûõ ó÷àñòêà ñ ðàçëè÷íûìè òàíãåíñàìè óãëîâ íàêëîíà. Ñ ó÷åòîì âûðàæåíèÿ 2

2

LZ

D

ωπ

= ïîëó÷à-

åì, ÷òî ïîäîáíûé âèä èìåþò ãðàôèêè çàâèñèìîñòè ( )1ln Q T− ⋅ îò ëîãàðèôìà ÷àñòîòû èëè îáðàò-

íîé òåìïåðàòóðû. Â ïîñëåäíåì ñëó÷àå òàíãåíñû óãëîâ íàêëîíà ïðÿìîëèíåéíûõ ó÷àñòêîâ îïðåäå-ëÿþòñÿ ýíåðãèÿìè àêòèâàöèè ïðîöåññà.

Òàêîé âèä çàâèñèìîñòè âíóòðåííåãî òðåíèÿ ìîæíî ïîíÿòü èç ñîîáðàæåíèé îöåíî÷íîãî õàðàê-òåðà. Ïîòîê âàêàíñèé J èç ñåãìåíòà îïðåäåëÿåòñÿ ãðàäèåíòîì èõ êîíöåíòðàöèè, êîòîðûé ñ ó÷åòîì

Ðèñ. 1. Ãðàôèê çàâèñèìîñòè ( )ln F Z îò ln Z

Depending on the schedule ( )ln F Z of ln Z

29

¹ 22012


(3) ïðîïîðöèîíàëåí 0~ ~ DDCJ l lTσ , ãäå l - äèôôóçèîííàÿ äëèíà âàêàíñèé, à C - èõ êîíöåíòðà-

öèÿ íà ãðàíèöå ñåãìåíòà. Òîãäà ïîòåðè ∆W çà ïåðèîä êîëåáàíèé T0 ïðîïîðöèîíàëüíû

2

0 00 0~ ~ DTW J T lT

σσ∆ , óïðóãàÿ ýíåðãèÿ 2

0~W σ . Ñëåäîâàòåëüíî, 1 0~ DTQ lT− . Ïðè íèçêèõ ÷àñ-

òîòàõ èëè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ äèôôóçèÿ óñïåâàåò ïðîéòè íà âñåì ñåãìåíòå, ïîýòîìó çà äèôôó-çèîííóþ äëèíó ìîæíî ïðèíÿòü åãî ðàçìåð L, êîòîðûé îò ïåðèîäà êîëåáàíèé íå çàâèñèò, òîãäà

1 1

0~ ~ ~DQ T DT Zω− −⋅ . Â îáëàñòè âûñîêèõ ÷àñòîò èëè íèçêèõ òåìïåðàòóð îñíîâíóþ ðîëü â äèô-

ôóçèîííûõ ïðîöåññàõ èãðàþò îáëàñòè âáëèçè ãðàíèö ñåãìåíòà ïðîòÿæåííîñòüþ 0~ 2l DT . Â ýòîì

ñëó÷àå 11 2

0~ ~ ~DQ T DT Zω−− ⋅ .

3. Ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà è îáðàçöû

Äëÿ èññëåäîâàíèÿ èñïîëüçîâàëè îáðàçöû íàíîêîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ñèñòåìû ôåððî-ìàãíåòèê - ñåãíåòîýëåêòðèê Cox(PZT)100-x, ãäå õ -êîíöåíòðàöèÿ àòîìîâ Co, %. PZT - àááðåâèàòóðàñîåäèíåíèÿ Pb0,81Sr0,04(Na0,5Bi0,5)0,15(Zr0,575Ti0,425)O3). Ìàòåðèàëû â âèäå òîíêèõ ïëåíîê (2 - 3 ìêì)áûëè ïîëó÷åíû ìåòîäîì èîííî-ëó÷åâîãî ðàñïûëåíèÿ ñîñòàâíîé ìèøåíè íà ïîäëîæêó èç ñèòàëëà[33]. Ñòðóêòóðà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè èññëåäîâàëàñü ñ ïîìîùüþ ñêàíèðóþùåãî ýëåêòðîííîãî ìèê-ðîñêîïà JSM-6380, à åå ñîñòàâ îïðåäåëÿëñÿ ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîííî-çîíäîâîãî ðåíòãåíîâñêîãî ìèê-ðîàíàëèçàòîðà. Ñíèìîê ïîâåðõíîñòè îáðàçöà ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 2. Âèäíî, ÷òî ïîëó÷åííàÿ ñòðóê-òóðà ÿâëÿåòñÿ ãðàíóëèðîâàííîé ñ ðàçìåðàìè ãðàíóë d îò ≈ 1,5 äî 4,5 íì â çàâèñèìîñòè îò êîíöåí-òðàöèè õ.

Ïðè áîëüøîì ñîäåðæàíèè äèýëåêòðèêà ãðàíóëû ìåòàëëè÷åñêîé ôðàêöèè îòäåëåíû äðóã îò äðó-ãà ñëîåì äèýëåêòðèêà (ðèñ. 2à). Â ñëó÷àå êîìïîçèòîâ ñ âûñîêîé êîíöåíòðàöèåé ìåòàëëè÷åñêîéôàçû, ãðàíóëû íà÷èíàþò ñîïðèêàñàòüñÿ è â ðåçóëüòàòå îáðàçóåòñÿ ëàáèðèíòíàÿ ñåòêà èç ñîåäèíåí-íûõ äðóã ñ äðóãîì ãðàíóë (ðèñ. 2 á è â).

Îáðàçöû äëÿ èçìåðåíèÿ âíóòðåííåãî òðåíèÿ è óïðóãîãî ìîäóëÿ ïðåäñòàâëÿëè ïëàñòèíó èç ñè-òàëëà ñ íàïûëåííûì íà åå ïîâåðõíîñòü íàíîêîìïîçèòîì. Îáðàçöû èìåëè ïðÿìîóãîëüíóþ ôîðìóðàçìåðîì 5×18×0,4 ìì3. Èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðíûõ çàâèñèìîñòåé óïðóãîãî ìîäóëÿ (G) è âíóòðåí-

Ðèñ. 2. Ìèêðîôîòîãðàôèè ãðàíóëèðîâàííûõ êîìïîçèòîâ Cox(PZT)

100-x: à) õ = 24 àò %, b) õ = 54 àò %, c) õ = 71 àò %

Photomicrographs of granularcomposites Cox(PZT)

100-x: à) õ = 24 àt %, b) õ = 54 àt %, c) õ = 71 àt %

30

¹ 22012


íåãî òðåíèÿ (Q-1) ïðîâîäèëè ìåòîäîì çàòóõàíèÿ èçãèáíûõ êîëåáàíèé íà ÷àñòîòå îêîëî 20 Ãö âèíòåðâàëå òåìïåðàòóð îò 300 äî 900 K ïðè ñêîðîñòè íàãðåâà 3 Ê/ìèí. Âíóòðåííåå òðåíèå êîìïî-çèòà îïðåäåëÿëîñü êàê ðàçíîñòü ïîëíîãî Q-1 ïëåíêè-ïîäëîæêè è Q-1 ïîäëîæêè.

3.1.Âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ôîí âíóòðåííåãî òðåíèÿ â íàíîêîìïîçèòàõ Cox(PZT)

100-x

Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè âíóòðåííåãî òðåíèÿ Q-1 è ìîäóëÿ óïðóãî-ñòè G äëÿ íàíîêîìïîçèòîâ Co

x(PZT)

100-x ðàçëè÷íûõ ñîñòàâîâ. Âèäíî, ÷òî âíóòðåííåå òðåíèå ñëàáî

èçìåíÿåòñÿ â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð, ëåæàùåì íèæå 700 Ê (ðèñ. 3à), âíå çàâèñèìîñòè îò êîíöåíò-ðàöèè ìåòàëëè÷åñêîé ôàçû â îáðàçöå. Â îáëàñòè áîëåå âûñîêèõ òåìïåðàòóð íàáëþäàåòñÿ çíà÷è-òåëüíûé ðîñò Q-1, ñîïðîâîæäàþùèéñÿ ñóùåñòâåííûì ñìÿã÷åíèåì óïðóãîãî ìîäóëÿ G (Ðèñ. 3á).Ïðè÷åì âåëè÷èíà ìåõàíè÷åñêèõ ïîòåðü äëÿ îáðàçöîâ ñ âûñîêèì ñîäåðæàíèåì Co çàìåòíî âûøå

Ðèñ. 3. Òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè Q-1 (à) è G (b) íàíîêîìïîçèòîâ Co

x(PZT)

100-x ïðè ðàçëè÷íîé êîíöåíòðàöèè

ìåòàëëè÷åñêîé ôàçû õ, àò. %

Temperature dependence of Q-1 (a) and G (b) nanocomposites Cox (PZT)

100-x with different concentrations of the metallic

phase of x, at. %

31

¹ 22012


ïî ñðàâíåíèþ ñ êîìïîçèòàìè ñ ìàëûì õ, ÷òî îñîáåííî çàìåòíî ïðè òåìïåðàòóðàõ âûøå 700 Ê. Ýòîîáñòîÿòåëüñòâî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî äîìèíèðóþùèé ìåõàíèçì äèññèïàöèè óïðóãîé ýíåð-ãèè ñâÿçàí ñ ïðèñóòñòâèåì ìåòàëëè÷åñêîé ôàçû â êîìïîçèöèîííîì ìàòåðèàëå.

Ýêñïåðèìåíòàëüíî íàáëþäàåìîå âîçðàñòàíèå âíóòðåííåãî òðåíèÿ, íàçûâàåìîå âûñîêîòåìïåðà-òóðíûì ôîíîì, â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 650 - 875 Ê óäîâëåòâîðèòåëüíî îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì:

( ) 2,1,exp10

1 =

−= −− i

kT

ETBQ i

i . (9)

Çäåñü B0i - ïàðàìåòð, Å

0i - çíà÷åíèÿ ýíåðãèè àêòèâàöèè âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ôîíà. Ïðèìåíè-

ìîñòü ñîîòíîøåíèÿ (9) äëÿ îïèñàíèÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ôîíà âíóòðåííåãî òðåíèÿ äëÿ ðàçëè÷-íûõ ñîñòàâîâ èññëåäóåìûõ êîìïîçèòîâ ïðîèëëþñòðèðîâàíà íà ðèñ. 4. Âèäíî, ÷òî çàâèñèìîñòè

( ) ( )1 1ln Q T f T− = ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå äâóõ ïðÿìûõ ëèíèé. Íàèëó÷øàÿ àïïðîêñèìàöèÿ ýê-

ñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ôîðìóëîé (9) äîñòèãàåòñÿ ïðè ñëåäóþùèõ çíà÷åíèÿõ ýíåðãèè àêòèâà-

öèè: 1 0,38 0,05E = ± ; 0,54 0,05± ; 0,70 0,05± ýÂ è 2 0,98 0,05E = ± ; 1,27 0,05± è 1,53 0,05± ýÂ â

ñëó÷àå ñîñòàâîâ Co32(PZT)68 , Co54(PZT)46 è Co76(PZT)24, ñîîòâåòñòâåííî.Òàêèì îáðàçîì, ýíåðãèÿ àêòèâàöèè âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ôîíà âíóòðåííåãî òðåíèÿ âîçðàñòà-

åò ïðèáëèçèòåëüíî âäâîå ïðè òåìïåðàòóðàõ, ëåæàùèõ âûøå Òñ, ÷òî â ðàìêàõ ïðåäëîæåííîé âûøåìîäåëè óìåñòíî ñâÿçàòü ñ óâåëè÷åíèåì äèôôóçèîííîé äëèíû âàêàíñèé l è ïåðåõîäîì îò óñëîâèÿ

Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè ln(Q-1T) îò îáðàòíîé òåìïåðàòóðû íàíîêîìïîçèòîâ

Dependences ln(Q-1T) from the inverse temperature of nanocomposites

32

¹ 22012


l L< ê óñëîâèþ l L> , ÷òî óìåñòíî îæèäàòü äëÿ íàíîðàçìåðíûõ ñèñòåì. Íàáëþäàåìîå â ýêñïåðè-ìåíòå ñìåùåíèå Ò

ñ â îáëàñòü áîëåå âûñîêèõ òåìïåðàòóð ñ ðîñòîì ñîäåðæàíèÿ ìåòàëëè÷åñêîé ôðàê-

öèè åñòåñòâåííî ñâÿçàòü ñ óâåëè÷åíèåì ðàçìåðîâ L ìåòàëëè÷åñêèõ ãðàíóë (ñì. ðèñ. 2). Ïåðåõîä îòîäíîãî ó÷àñòêà ê äðóãîìó ñ ðàçíûìè íàêëîíàìè íå ÿâëÿåòñÿ ðåçêèì, à ïðîèñõîäèò â íåêîòîðîìòåìïåðàòóðíîì èíòåðâàëå, øèðèíà êîòîðîãî ñâÿçàíà ñ ðàçáðîñîì â ðàçìåðàõ îáðàçóþùèõñÿ ãðàíóë.Îöåíèòü ýòè ðàçìåðû ìîæíî íà îñíîâå ðàññóæäåíèé, ïðèâåäåííûõ â êîíöå ÷àñòè 1, îòêóäà èìååì

äëÿ ñðåäíåãî ðàçìåðà ãðàíóë âûðàæåíèå ~ 2 cl DT .

Âìåñòå ñ òåì, ýêñïåðèìåíò ïîêàçàë óâåëè÷åíèå ýíåðãèé E1 è E

2 ñ ðîñòîì êîíöåíòðàöèè õ. Âåðî-

ÿòíî, ýòî ñâÿçàíî ñ èçìåíåíèåì ñîñòîÿíèÿ ãðàíèö ãðàíóë (çåðåí). Èç ðèñ. 2à âèäíî, ÷òî â êîìïîçè-òàõ ñ îòíîñèòåëüíî íåâûñîêîé êîíöåíòðàöèåé Co ìåòàëëè÷åñêèå ãðàíóëû èçîëèðîâàíû. Â ýòîìñëó÷àå èìååò ñìûñë ãîâîðèòü î äèôôóçèè äåôåêòîâ âäîëü ìåæôàçíûõ ãðàíèö ïðè âîçáóæäåíèèìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.

Äëÿ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ñ êîíöåíòðàöèåé 0,54x ≈ è 0,71 ìåòàëëè÷åñêèå ãðàíóëû ñî-ïðèêàñàþòñÿ è ôîðìèðóåòñÿ ëàáèðèíòíàÿ ñåòêà èç ñîåäèíåííûõ äðóã ñ äðóãîì ãðàíóë (ðèñ. 2 á è â).Òàêèì îáðàçîì, â ýòèõ ìàòåðèàëàõ íàðÿäó ñ ìåæôàçíûìè, ïðèñóòñòâóþò ìåæãðàíóëüíûå (ìåæçå-ðåííûå) ãðàíèöû. Ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ýíåðãèÿ àêòèâàöèè äèôôóçèè âàêàíñèîïîäîáíûõäåôåêòîâ ïî ìåæçåðåííûì ãðàíèöàì âûøå, ÷åì âäîëü ìåæôàçíûõ ãðàíèö, ÷òî è ïðèâîäèò ê íà-áëþäàåìîìó â ýêñïåðèìåíòå ïîâûøåíèþ çíà÷åíèÿ ýíåðãèé E

1 è E

2 ñ ðîñòîì ñîäåðæàíèÿ ìåòàëëè-

÷åñêîé ôðàêöèè.4. Âûâîäû

Íàáëþäàåìûå òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè íèçêî÷àñòîòíîãî âíóòðåííåãî òðåíèÿ â íàíîêîìïî-çèöèîííûõ ìàòåðèàëàõ ìîãóò áûòü óäîâëåòâîðèòåëüíî îïèñàíû â ðàìêàõ ïðåäëîæåííîé â íàñòî-ÿùåé ðàáîòå ìîäåëè.

Íà îñíîâå àíàëèçà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ ìîæíî ñäåëàòü âûâîä î òîì, ÷òî ýêñïîíåí-öèàëüíûé ðîñò âíóòðåííåãî òðåíèÿ, íàáëþäàåìûé äëÿ íàíîêîìïîçèòîâ ñèñòåìû Co

x(PZT)

100-x â

îáëàñòè òåìïåðàòóð 700 - 875 Ê ïðåèìóùåñòâåííî îáóñëîâëåí òåðìè÷åñêè àêòèâèðîâàííîé ìèã-ðàöèåé âàêàíñèîïîäîáíûõ äåôåêòîâ ïî ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêèõ ãðàíóë.

Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. Êåëëè À., Èíæåíåðíûé òðèóìô óãëåâîëîêîí, Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðû, 2009, ¹ 1,

Ñ. 38-49.2. Ìèëåéêî Ñ.Ò., Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðû, Êîìïîçèòû è íàíîñòðóêòóðû, 2009, ¹ 1, Ñ. 6-37.3. Trojanová Z., Riehemann W., Ferkel H., Lukác P., Internal friction in microcrystalline magnesium reinforced

by alumina particles, Journal of Alloys and Compounds, 2000, V. 310, Issues 1-2, pp. 396-399.4. Deodati P., Donnini R., Montanari R., Testani C., High temperature damping behavior of Ti6Al4V-SiCf

composite, Materials Science and Engineering: A, 2009, V. 521-522, pp. 318-321.5. Lahelin M., Aaltio I., Heczko O., Söderberg O., Ge Y., Löfgren B., Hannula S.-P., Seppölö J. DMA

testing of Ni-Mn-Ga/polymer composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2009, V.40, Issue 2, pp. 125-129.

6. Gutiérrez-Urrutia I., Nó M.L., San Juan J. Internal friction behavior in SiC particle reinforced 8090 Al-Limetal matrix composite, Materials Science and Engineering: A, 2004, V. 370, Issues 1-2, pp. 555-559.

7. Zhang H., Gu M., Internal friction behavior in SiC particulate reinforced aluminum metal matrix compositein thermal cycling, Journal of Alloys and Compounds, 2006, V. 426, Issues 1-2, pp. 247-252.

33

¹ 22012


8. Schaller R., Ammann J.J., Bonjour C. Internal friction in WC-Co hard metals, Materials Science andEngineering: A, 1988, V. 105-106, Part 2, pp. 313-321.

9. Huang W., Zhan H., Xu L., Xu Z., Zeng J., Investigation on microstructure and internal friction for lowdensity TiB2/ZL114 composites, Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2009, V. 22, Issue 3, pp. 211-218.

10. Kogo Y., Iijima Y., Igata N., Ota K., Internal friction of carbon-carbon composites at elevated temperatures,Journal of Alloys and Compounds, 2003, V. 355, Issues 1-2, pp. 148-153.

11. Sato S., Serizawa H., Araki H., Noda T., Kohyama A., Temperature dependence of internal frictionand elastic modulus of SiC/SiC composites, Journal of Alloys and Compounds, 2003, V. 355, Issues 1-2,pp. 142-147.

12. Âîë÷îê Î.È., Îêîâèò Â.Ñ., ×èðêèíà Ë.À. è äð., Èññëåäîâàíèå ìåõàíè÷åñêèõ è äåìïôèðóþùèõñâîéñòâ ìèêðî- è íàíîêîìïîçèòîâ ìåäü-íèîáèé ïîñëå èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè âî-ëî÷åíèåì ïðè òåìïåðàòóðàõ 77 è 300 Ê, Âiñíèê ÕÍÓ, ñåð. «Ôiçèêà» - 2008. - ¹821, âèï.11,. Ñ.97-106.

13. Ë.À. ×èðêèíà, Â.Ñ. Îêîâèò, Ì.À. Òèõîíîâñêèé, Î.È. Âîë÷îê, Ì.Á. Ëàçàðåâà, Â.Â. Êàëèíîâ-ñêèé, È.Â. Êîëîäèé, Îïðåäåëåíèå äåìïôèðóþùèõ ñâîéñòâ ñóáìèêðîäèñïåðñíûõ êîìïîçèòîâ ñ ó÷å-òîì ñòðóêòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ èõ êîìïîíåíò, Âîïðîñû àòîìíîé íàóêè è òåõíèêè Ñåðèÿ: Âàêóóì, ÷è-ñòûå ìàòåðèàëû, ñâåðõïðîâîäíèêè, 2009, ¹6, Ñ. 141-145.

14. Yang Z., Chen Ji, He L., Cong H., Ye H., Microstructure and grain boundary relaxation in ultrafine-grained Al/Al oxide composites, Acta Materialia, 2009, V. 57, Issue 12, pp. 3633-3644.

15. Fang Q.F., Liu Q., Li S.Z., Li Z.S., Karvankova P., Jilek M., Veprek S., Internal friction studies ofnanocomposite superhard nc-TiN/a-Si3N4 and nc-(Ti

1-xAl

x)N/a-Si

3N

4 films, Materials Science and Engineering:

A, 2006, V. 442, Issues 1-2, pp. 328-331.16. Li S.Z., Fang Q.F., Liu Q., Li Z.S., Gao J., Nesladek P., Prochazka J., Veprek-Heijman M.G.J., Veprek

S., Thermally activated relaxation processes in superhard nc-TiN/a-Si3N

4 and nc-(Ti

1-xAl

x)N/a-Si

3N

4

nanocomposites studied by means of internal friction measurements, Composites Science and Technology, 2005,V. 65, Issue 5, pp. 735-740.

17. Reddy N., Ramana M., Krishnaveni K., Kumar K., Murthy V. R. K., Dielectric, elastic, anelastic andconductivity behavior of ferroelectromagnetic composites, Ni

0·5Zn

0·5Fe

1·95O

4-δ + Ba0·8

Pb0·2

TiO3, Bulletin of

Materials Science, 2007, V. 30, ¹ 4, pp. 357-363.18. Stempflé P., Pollet F., Carpentier L., Influence of intergranular metallic nanoparticles on the fretting wear

mechanisms of Fe-Cr-Al2O

3 nanocomposites rubbing on Ti-6Al-4V, Tribology International, 2008, V. 41, Issue

11, pp. 1009-1019.19. Ãðÿçíîâ Ì.Þ., ×óâèëüäååâ Â.Í., Ñûñîåâ À.Í., Êîïûëîâ Â.È. Çåðíîãðàíè÷íîå âíóòðåííåå

òðåíèå è ñâåðõïëàñòè÷íîñòü íàíî- è ìèêðîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ, Âåñòíèê Íèæå-ãîðîäñêîãî óíèâåðñèòåòà, 2010, ¹ 5(2), Ñ. 147-158.

20. Mulyukov R., Weller M., Valiev R., Gessmann Th., Schaefer H.-E., Internal friction and shear modulus insubmicrograined Cu, Nanostructured Materials, 1995, V. 6, Issues 5-8, pp. 577-580.

21. Êóëüêîâ Â.Ã., Êîðîòêîâ Ë.Í., Äåøåâûõ Â.Â., Ìîäåëü âíóòðåííåãî òðåíèÿ â ïîðèñòîì íàíîê-ðèñòàëëè÷åñêîì ìàòåðèàëå, Ôóíäàìåíòàëüíûå ïðîáëåìû ñîâðåìåííîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ, 2011,ò. 8, ¹ 4, Ñ. 104-108.

22. Ïîãðåáíÿê À.Ä., Øïàê À.Ï., Àçàðåíêîâ Í.À., Áåðåñíåâ Â.Ì., Ñòðóêòóðà è ñâîéñòâà òâåðäûõ èñâåðõòâåðäûõ íàíîêîìïîçèòíûõ ïîêðûòèé, ÓÔÍ, 2009. - ò. 179, ¹ 1, Ñ. 35-64.

23. Ãóñåâ À.È.. Íàíîìàòåðèàëû, íàíîñòðóêòóðû, íàíîòåõíîëîãèè - Ì.: Ôèçìàòëèò, 2005. - 416 ñ.24. Êóëüêîâ Â.Ã., Äåøåâûõ Â.Â., Êîðîòêîâ Ë.Í., Âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ôîí âíóòðåííåãî òðåíèÿ

â íàíîêîìïîçèöèîííîì ìàòåðèàëå ñ îäíîìåðíîé àðìèðîâàííîé ñòðóêòóðîé, Âåñòíèê Òàìáîâñêî-ãî óíèâåðñèòåòà. Ñåðèÿ: Åñòåñòâåííûå è òåõíè÷åñêèå íàóêè, 2010, ò. 15, âûï. 3., Ñ. 923-924.

34

¹ 22012


25. Gryaznov V.G., Trusov L.I., Size effects in micromechanics of nanocrystals, Progress in Materials Science,1993, V. 37, Issue 4, pp. 289-401.

26. Ïîçäíÿêîâ Â.À., Ãëåçåð À.Ì., Ñòðóêòóðíûå ìåõàíèçìû ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè íàíîêðè-ñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ÔÒÒ, 2002, ò. 44, âûï. 4, Ñ. 705-710.

27. Àíäðèåâñêèé Ð.À., Ãëåçåð À.Ì., Ïðî÷íîñòü íàíîñòðóêòóð, ÓÔÍ, 2009, ò. 179, ¹ 4, Ñ. 337-358.

28. Êîëîáîâ Þ.Ð, Ëèïíèöêèé À.Ã., Èâàíîâ Ì.Á., Ãîëîñîâ Å.Â., Ðîëü äèôôóçèîííî-êîíòðîëèðó-åìûõ ïðîöåññîâ â ôîðìèðîâàíèè ñòðóêòóðû è ñâîéñòâ ìåòàëëè÷åñêèõ íàíîìàòåðèàëîâ, Êîìïîçè-òû è íàíîñòðóêòóðû, 2009, ¹ 2, Ñ. 5-24. (âûñ ê äèô)

29. Êóëüêîâ Â.Ã. Âíóòðåííåå òðåíèå íà ìåæçåðåííûõ ãðàíèöàõ ñ îäíîìåðíîé ôàñåòèðîâàííîéñòðóêòóðîé, Èçâåñòèÿ ÂÓÇîâ. Ôèçèêà, 2005, Ò. 48, ¹ 11, Ñ. 39-43.

30. Òóðêîâ Ñ.Ê., Øåðìåðãîð Ò.Ä., Âëèÿíèå ïîäñòðîéêè íàïðÿæåíèé íà âûñîêîòåìïåðàòóðíûéôîí âíóòðåííåãî òðåíèÿ, ÔÒÒ, 1965, Ò. 7, ¹ 10, Ñ. 2952-2957.

31. Êóëüêîâ Â.Ã., Æèõàðåâà Ì.Ã., Ïðîñêàëüçûâàíèå ïî ôàñåòèðîâàííûì ãðàíèöàì çåðåí ñ ó÷å-òîì ïîäñòðîéêè íàïðÿæåíèÿ, Äåôîðìàöèÿ è ðàçðóøåíèå ìàòåðèàëîâ, 2005, ¹ 1, Ñ. 46-48.

32. ×óâèëüäååâ Â.Í., Íåðàâíîâåñíûå ãðàíèöû çåðåí â ìåòàëëàõ, Òåîðèÿ è ïðèëîæåíèÿ, Ì.: Ôèç-ìàòëèò, 2004. - 304 ñ.

33. Êàëèíèí Þ.Å., Êîðîòêîâ Ë.Í., Ñèòíèêîâ À.Â., Òàðàñîâ Ä.Ï., Àíîìàëèè óïðóãèõ è íåóïðóãèõñâîéñòâ â êîìïîçèòàõ ôåððîìàãíåòèê - ñåãíåòîýëåêòðèê Co

X(PZT)

100-X , Ïèñüìà â ÆÒÔ, 2009, Ò. 35.,

Âûï. 1. Ñ. 90-97

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõÊóëüêîâ Â.Ã.: ä.ô.-ì.í., çàâ. êàô îáùåé ôèçèêè ôèëèàëà ÔÃÁÎÓÂÏÎ «Íàöèîíàëüíûé èññëåäîâà-

òåëüñêèé óíèâåðñèòåò ÌÝÈ», ã. Âîëæñêèé Âîëãîãðàäñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected] Òåë.:89876569236 (êîíòàêòíîå ëèöî).

Êîðîòêîâ Ë.Í.: ä.ô.-ì.í., ïðîôåññîð Âîðîíåæñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòå-òà, ã. Âîðîíåæ, Ðîññèÿ, [email protected] Òåë.: 89601181748

Òàðàñîâ Ä.Ï, ê.ô.-ì.í., ïðåïîäàâàòåëü Âîåííîãî àâèàöèîííîãî èíæåíåðíîãî óíèâåðñèòåòà, ã.Âîðîíåæ, Ðîññèÿ, [email protected]. Òåë.: 89507532745

Äåøåâûõ Â.Â.: àññèñòåíò êàôåäðû îáùåé ôèçèêè ôèëèàëà ÔÃÁÎÓÂÏÎ «Íàöèîíàëüíûé èññëå-äîâàòåëüñêèé óíèâåðñèòåò ÌÝÈ», ã. Âîëæñêèé Âîëãîãðàäñêîé îáëàñòè, Ðîññèÿ, [email protected] Òåë.:89176408627.

35

¹ 22012


ÌÅÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÅÍÎÌÀÒÅÐÈÀËÛ Ñ ÊÎÍÒÐÎËÈÐÓÅÌÎÉÑÒÐÓÊÒÓÐÎÉ ÏÎÐ

(ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 16.02.2012, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè 6.06.2012)

Ë.È.Òó÷èíñêèé

Êîðïîðàöèÿ MER, ã. Òóñîí, ÑØÀ

Ïðåäëîæåíà òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïåíîìàòåðèàëîâ (ÌÏÌ), âêëþ÷àþùàÿ ïåð-âîíà÷àëüíîå èçãîòîâëåíèå çàãîòîâîê èç «çåë¸íûõ» êîìïîçèòîâ, àðìèðîâàííûõ äèñêðåòíûìè âî-ëîêíàìè, ïîñëåäóþùåå óäàëåíèå âîëîêîí èç ìàòðèöû è å¸ ñïåêàíèå, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ôîðìèðó-þòñÿ ÌÏÌ ñ êàíàëüíîé ñòðóêòóðîé ïîð. Ïîä òåðìèíîì «çåë¸íûé» ïîíèìàþòñÿ êîìïîçèòû, ìàò-ðèöà è âîëîêíà êîòîðûõ èçãîòîâëåíû èç ñìåñåé ìåòàëëè÷åñêèõ ïîðîøêîâ ñ ïëàñòèôèöèðóþùèìèïîëèìåðíûìè ñâÿçêàìè. Òåõíîëîãèÿ ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ÌÏÌ ñ ïîðàìè ñòðîãî îïðåäåë¸ííîãîðàçìåðà è ñ çàäàííîé àíèçîòðîïèåé ñâîéñòâ, ÷òî ñóùåñòâåííî ïîâûøàåò íàä¸æíîñòü ÌÏÌ èðàñøèðÿåò îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: ïåíîìàòåðèàëû, ýêñòðóçèÿ, êîìïîçèòû, ïîðîøêîâàÿ ìåòàëëóðãèÿ

METAL FOAMS WITH CONTROLLED POROUS STRUCTURE

L.Tuchinskiy

MER Corporation, Tucson, USA

A fabrication technology for metal foams is proposed. The technology includes initial production of greencomposites reinforced with short fibers followed by removal of the fibers and sintering, which results in productionof metal foams with the channel cells. The proposed approach makes possible fabrication of the metal, ceramic,and composite foams with the pre-assigned cell sizes and anisotropy of properties, which increases reliability ofthe foam components and expands their applications.

Key words: foams, extrusion, composites, powder metallurgy

1. Ââåäåíèå

Èíòåðåñ ê ìåòàëëè÷åñêèì ïåíîìàòåðèàëàì (ÌÏÌ), âîçíèêøèé â ïîñëåäíèå ãîäû, îáúÿñíÿåòñÿ íåòîëüêî èõ ðåêîðäíî íèçêèìè âåñîâûìè õàðàêòåðèñòèêàìè, ÷òî, åñòåñòâåííî, ïðèâëåêàåò êîñìè÷åñêóþòåõíèêó, àâèà-, êîðàáëå-, è àâòîìîáèëåñòðîåíèå, íî è ðÿäîì óíèêàëüíûõ ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ,êîòîðûå ïîçâîëÿþò èñïîëüçîâàòü èõ â õèìè÷åñêîì ìàøèíîñòðîåíèè, ñòðîèòåëüñòâå è ìåäèöèíå.

ÌÏÌ ýòî ïîðèñòûå ìàòåðèàëû, ïîðèñòîñòü êîòîðûõ ïðåâûøàåò 50% è ìîæåò äîõîäèòü äî 90 98%. Èõ èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå ýíåðãîïîãëîùàþùèõ (ïðîòèâîóäàðíûõ è äåìïôèðóþùèõ)óñòðîéñòâ àâòîìîáèëåé è äðóãèõ òðàíñïîðòíûõ ñðåäñòâ, îãíå - è âîäîïðåãðàæäàþùèõ ñòåíîê,îðåáðåíèÿ òåïëîîáìåííèêîâ, ñåðäöåâèí ñëîèñòûõ ïàíåëåé, íîñèòåëåé êàòàëèçàòîðîâ è äð. ïîçâî-ëÿåò ñóùåñòâåííî ñíèçèòü âåñ è ïîâûñèòü ýôôåêòèâíîñòü êîíñòðóêöèé.

Ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ ÌÏÌ êàê ñ çàêðûòîé, òàê è ñ îòêðûòîé ïîðèñòîñ-òüþ, áàçèðóþùèõñÿ íà èñïîëüçîâàíèè ëèòûõ è ïîðîøêîâûõ ìàòåðèàëîâ [1]. Ëèòåéíûå ìåòîäûïðèìåíÿþòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÌÏÌ ñ çàêðûòîé ïîðèñòîñòüþ èç ëåãêîïëàâêèõ

36

¹ 22012


ìåòàëëîâ (AL, Mg, Zn). Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëà òåõíîëîãèÿ, âêëþ÷àþùàÿ ðàñïëàâ-ëåíèå Al -ñïëàâà ñ äèñïåðñíûìè âêëþ÷åíèÿìè SiC èëè Al

2O

3 è èíæåêòèðîâàíèå â ðàñïëàâ ñòðóè

ãàçà, ñîçäàþùåé ãàçîâûå ïóçûðè âíóòðè ñïëàâà. Äðóãîé âàðèàíò ëèòåéíîé òåõíîëîãèè ïðåäóñ-ìàòðèâàåò ââåäåíèå â ñïëàâ ïåíîîáðàçóþùåãî êîìïîíåíòà, êîòîðûé ðàçëàãàåòñÿ ïðè íàãðåâå,âûäåëÿÿ ãàç è âñïåíèâàÿ ðàñïëàâëåííûé ìåòàëë [1 3].

Åù¸ îäíà ðàçíîâèäíîñòü ëèòåéíûõ ìåòîäîâ âêëþ÷àåò èñïîëüçîâàíèå ïîëèìåðíûõ ïåíîìàòå-ðèàëîâ ñ îòêðûòîé ïîðèñòîñòüþ â êà÷åñòâå èñõîäíûõ çàãîòîâîê. Ïîðû ïåíîìàòåðèàëà çàïîëíÿ-þòñÿ òåðìîñòîéêèì øëèêåðîì (íàïðèìåð, ñìåñüþ ìóëëèòà, êàðáîíàòà êàëüöèÿ è ôåíîëüíîé ñìî-ëû). Ïîñëå ñóøêè ïîëèìåð ðàçëàãàåòñÿ â ïðîöåññå íàãðåâàíèÿ è îáðàçîâàâøèåñÿ íà åãî ìåñòå ïóñ-òîòû çàëèâàþòñÿ ðàñïëàâëåííûì ìåòàëëîì. Ïîñëå îõëàæäåíèÿ òåðìîñòîéêèé ìàòåðèàë óäàëÿåòñÿâîäÿíîé ñòðóåé âûñîêîãî äàâëåíèÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî îñòà¸òñÿ ÌÏÌ ñî ñòðóêòóðîé èñõîäíîãîïîëèìåðíîãî ïåíîìàòåðèàëà [1]. ÌÏÌ ìîãóò áûòü òàêæå ïîëó÷åíû çàëèâêîé ïîëûõ êåðàìè÷åñêèõìèêðîñôåð æèäêèì ìåòàëëîì èëè ïðîïèòêîé ïîðèñòîãî âîäîðàñòâîðèìðîãî êàðêàñà (íàïðèìåð,èç àëþìèíàòà íàòðèÿ èëè ïîâàðåííîé ñîëè) æèäêèì ìåòàëëîì ñ ïîñëåäóþùèì óäàëåíèåì èñ-õîäíîãî êàðêàñà ðàñòâîðåíèåì â âîäå [4].

Ïîðîøêîâûå ìåòîäû ïðîèçâîäñòâà ÌÏÌ [1, 5, 6] âêëþ÷àþò ñìåøèâàíèå ïîðîøêîâ ñïëàâàñ ïåíîîáðàçóþùèì ìàòåðèàëîì (íàïðèìåð, ãèäðèäîì òèòàíà) è êîìïàêòèðîâàíèå ñìåñè äîìîíîëèòíîãî ñîñòîÿíèÿ. Ïðè íàãðåâå äî òåìïåðàòóðû íèæå ëèíèè ëèêâèäóñ ïåíîîáðàçóùèéìàòåðèàë ðàçëàãàåòñÿ, âûäåëÿÿ âîäîðîä, îñòàþùèéñÿ â ðàñïëàâëåííîì ìåòàëëå è ôîðìèðóþ-ùèé ïîðû ïîñëå îõëàæäåíèÿ. Àíàëîãè÷íûå ïåíîìàòåðèàëû ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû èç øëèêåðà,âêëþ÷àþùåãî ìåòàëëè÷åñêèé ïîðîøîê è ïåíîîáðàçóùèé àãåíò. Ïîðû îáðàçóþòñÿ âî âÿçêîìøëèêåðå ïðè ðàçëîæåíèè ïåíîîáðàçóþùåãî àãåíòà è íàñëåäóþòñÿ ñïå÷åííûì ìåòàëëîì [1, 7-9]. Ïîëèìåðíûå ïåíîìàòåðèàëû ñ îòêðûòîé ïîðèñòîñòüþ ìîãóò ñëóæèòü èñõîäíûì ìàòåðèà-ëîì è äëÿ ïîðîøêîâîé òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ ÌÏÌ. Â ýòîì ñëó÷àå ïîëèìåðíûé êàðêàñ ïî-êðûâàåòñÿ òîíêèì ñëîåì ìåòàëëè÷åñêîãî ïîðîøêà, êîòîðûé ïîñëå óäàëåíèÿ ïîëèìåðà è ñïå-êàíèÿ ïîðîøêà îáðàçóåò ÌÏÌ.

Íåñìîòðÿ íà ìíîãî÷èñëåííîñòü ñóùåñòâóþùèõ ìåòîäîâ, âñåì èì ïðèñóù îäèí ñóùåñòâåííûéíåäîñòàòîê. Ðàçìåðû ïîð â ÌÏÌ, ïîëó÷åííûõ ïî ýòèì ìåòîäàì, èìåþò áîëüøîé ðàçáðîñ è íåìîãóò ñòðîãî êîíòðîëèðîâàòüñÿ. Ýòî ïðèâîäèò ê íåñòàáèëüíîñòè ñâîéñòâ ÌÏÌ. Êðîìå òîãî,ñóùåñòâóþùèå ìåòîäû íå ïîçâîëÿþò êîíòðîëèðîâàòü àíèçîòðîïèþ ÌÏÌ. Áîëüøèíñòâî èç íèõìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ óçêîãî êðóãà ìàòåðèàëîâ, íàïðèìåð, äëÿ ëåãêîïëàâêèõ ìåòàëëîâ, íîíå ïðèìåíèì ê æàðîïðî÷íûì èëè òóãîïëàâêèì ìåòàëëàì èëè èíòåðìåòàëëèäàì. Åñëè áû óäà-ëîñü ðàçðàáîòàòü òåõíîëîãèþ, ïîçâîëÿþùóþ ïîëó÷àòü ÌÏÌ ñ ïîðàìè ñòðîãî îïðåäåë¸ííîãîðàçìåðà è ñ çàäàííîé àíèçîòðîïèåé ñâîéñòâ èç ïðàêòè÷åñêè ëþáûõ ìàòåðèàëîâ, ýòî áû ñóùå-ñòâåííî ïîâûñèëî íàä¸æíîñòü ÌÏÌ è ðàñøèðèëî îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ. Â äàííîé ñòàòüåðàññìàòðèâàåòñÿ òàêàÿ òåõíîëîãèÿ [10].

2. Òåõíîëîãèÿ

Ñóòü ïðåäëîæåííîãî ïîäõîäà çàêëþ÷àåòñÿ â ïåðâîíà÷àëüíîì èçãîòîâëåíèè çàãîòîâîê èç «çåë¸-íîãî» êîìïîçèòà, àðìèðîâàííîãî äèñêðåòíûìè âîëîêíàìè, è ïîñëåäóþùåì åãî ñïåêàíèè, ñîïðî-âîæäàåìûì óäàëåíèåì âîëîêîí è ôîðìèðîâàíèåì âûñîêîïîðèñòîé ìèêðîêàíàëüíîé ñòðóêòóðû.Ïîä òåðìèíîì «çåë¸íûé» ïîíèìàåòñÿ êîìïîçèò, ìàòðèöà è âîëîêíà êîòîðîãî èçãîòîâëåíû èç ñìå-ñåé ïîðîøêîâ ñ ïëàñòèôèöèðóþùèìè ïîëèìåðíûìè ñâÿçêàìè.

Òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ îáû÷íî âêëþ÷àåò 3 îñíîâíûõ ñòàäèè (ðèñ. 1).

37

¹ 22012


Íà ñòàäèè 1 ñ ïîìîùüþ ýêñòðóäåðîâ 1 è 2 è ñïåöèàëüíîé ôèëüåðû èçãîòàâëèâàåòñÿ «çåë¸íûé»áèìàòåðèàëüíûé ýêñòðóäàò â âèäå ïðóòêà èëè òîíêîé ïðîâîëîêè, ñîñòîÿùèé èç ñåðäå÷íèêà 3 èîáîëî÷êè 4. Äèàìåòð ýêñòðóäàòà ìîæåò âàðüèðîâàòüñÿ â ïðåäåëàõ 0.1 ìì 10ìì.

Ìàòåðèàëîì îáîëî÷êè 4 ñëóæèò ñìåñü ìåòàëëè÷åñêîãî ïîðîøêà ñ ïîëèìåðíîé ñâÿçêîé. Îáú¸ì-íàÿ êîíöåòðàöèÿ ñâÿçêè äîëæíà áûòü äîñòàòî÷íîé äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ýêñòðóäèðóåìîñòè ñìåñè. Êàêïðàâèëî, ïëàñòèôèöèðîâàííûå ñìåñè, èñïîëüçóåìûå äëÿ èíæåêöèîííîãî ôîðìîâàíèÿ ìåòàëëè-÷åñêèõ è êåðàìè÷åñêèõ ïîðîøêîâ, îêàçûâàþòñÿ âïîëíå ïðèãîäíûìè äëÿ ýêñòðóçèè. Ñåðäå÷íèê 3èçãîòàâëèâàåòñÿ èç ìàòåðèàëà (íàïîëíèòåëÿ), êîòîðûé ìîæåò áûòü óäàë¸í âïîñëåäñòâèè ïóò¸ìòåðìè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ, ðàñòâîðåíèÿ, èñïàðåíèÿ èëè îêèñëåíèÿ. Ýòî ìîæåò áûòü, íàïðèìåð,ïîëèìåð èëè ñìåñü ïîëèìåðà ñ íåîðãàíè÷åñêèì èëè îðãàíè÷åñêèì ïîðîøêîì. Îáú¸ìíàÿ êîíöåí-òðàöèÿ ñåðäå÷íèêà 3 îïðåäåëÿåò ïîðèñòîñòü, à å¸ äèàìåòð ðàçìåð ÿ÷ååê áóäóùåé ìåòàëëè÷åñêîéïåíû. Ïîëó÷åííûé â ðåçóëüòàòå ýêñòðóçèè «çåë¸íûé» ýêñòðóäàò ðåæåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî íà âû-õîäå èç ôèëüåðû íà êîðîòêèå îòðåçêè (1-10ìì äëèíîé).

Íà ñòàäèè 2 ïîëó÷åííûå îòðåçêè ýêñòðóäàòà óêëàäûâàþòñÿ â ôîðìó è ïîäâåðãàþòñÿ óïëîòíå-íèþ. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò «ñâàðèâàíèå» îáîëî÷åê 4, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷àåòñÿ «çåë¸íûé«êîìïîçèò, àðìèðîâàííûé äèñêðåòíûìè âîëîêíàìè. Â çàâèñèìîñòè îò ñïîñîáà óïëîòíåíèÿ íàñòàäèè 2 ýòîò êîìïîçèò ìîæåò èìåòü ðàçëè÷íóþ àíèçîòðîïèþ ñâîéñòâ. Åñëè îòðåçêè ïîäâåðãàþò-ñÿ ãèäðîñòàòè÷åñêîìó ïðåññîâàíèþ, ïîëó÷àåòñÿ «çåë¸íîå« èçäåëèå 5 ñ èçîòðîïíûìè ñâîéñòâàìè(3-D). Ïðè óïëîòíåíèè íà ïðåññå (ðèñ. 2à) èçäåëèå 5 áóäåò èçîòðîïíûì â ïëîñêîñòè ïðåññîâàíèÿ(2-D), à ïðè óïëîòíåíèè ýêñòðóçèåé (ðèñ. 2â) èëè ïðîêàòêîé îíî ïðèîáðåò¸ò îäíîíàïðàâëåííóþ(1-D) ñòðóêòóðó.

Íà ñòàäèè 3 ïîëó÷åííîå «çåë¸íîå« èçäåëèå ïîìåùàåòñÿ â ïå÷ü, ãäå ïðîèñõîäèò âûãîðàíèåïîëèìåðíîé ñâÿçêè è ñåðäå÷íèêîâ, íà ìåñòå êîòîðûõ îñòàþòñÿ äèñêðåòíûå ìèêðîêàíàëû (ÿ÷åé-êè), à çàòåì (ïðè áîëåå âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ) èä¸ò ñïåêàíèå ìåòàëëè÷åñêîãî ïîðîøêà, â ðåçóëü-òàòå ÷åãî îáðàçóåòñÿ ìåòàëëè÷åñêèé ïåíîìàòåðèàë ñ öèëèíäðè÷åñêèìè ÿ÷åéêàìè îäèíàêîâîãî ðàç-ìåðà, êîòîðûé ñîîòâåòñòâóåò äèàìåòðó è äëèíå ñåðäå÷íèêà 3 â ýêñòðóäàòå (ñ ó÷¸òîì óñàäêè). Ïîðè-ñòîñòü ïåíû êîíòðîëèðóåòñÿ ñîîòíîøåíèåì äèàìåòðîâ ñåðäå÷íèêà 3 è îáîëî÷êè 4 è ìîæåò èçìå-íÿòüñÿ îò íåñêîëüêèõ ïðîöåíòîâ äî 90-95%.

Îïèñàííàÿ òåõíîëîãèÿ ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ íå òîëüêî äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÌÏÌ, íî è ñòðóêòóðíûõýëåìåíòîâ òèïà «ñýíäâè÷», â êîòîðûõ ñåðäöåâèíà, âûïîëíåííàÿ èç ÌÏÌ, ïëàêèðîâàíà ìåòàëëè-

Ðèñ. 1. Îñíîâíûå ñòàäèè òåõíîëîãèè ÌÏ

Main fabrication steps for metallic foams

38

¹ 22012


÷åñêèìè ëèñòàìè èëè îáîëî÷êàìè. Íåêîòîðûå èç òàêèõ ñòðóêòóð ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 3. Ðèñ. 4àäåìîíñòðèðóåò ñõåìó ïîëó÷åíèÿ «çåë¸íûõ» ïëàêèðîâàííûõ ëèñòîâûõ çàãîòîâîê äëÿ ÌÏÌ ñ èñ-ïîëüçîâàíèåì òåõíîëîãèè ïðîêàòêè, à ðèñ. 4b ñõåìó ïîëó÷åíèÿ «çåë¸íûõ» ïëàêèðîâàííûõ òðóá-÷àòûõ çàãîòîâîê ñ èñïîëüçîâàíèåì ýêñòðóçèè.

Ðèñ. 2. Óïëîòíåíèå áèìàòåðèàëüíûõ îòðåçêîâ ïðåññîâàíèåì(à) è ýêñòðóçèåé (b)

Compaction of green bimaterial segments in a die (a) and by extrusion (b)

Ðèñ. 3. Ñòðóêòóðû òèïà «ñýíäâè÷», êîòîðûå ìîæíî èçãîòàâëèâàòü ïî ïðåäëîæåííîé òåõíîëîãèè Sandwich structures which can be produced by the proposed technique

Ðèñ. 4. Ñõåìà ïîëó÷åíèÿ ñòðóêòóð òèïà «ñýíäâè÷» ïðîêàòêîé (à) è ýêñòðóçèåé (b): 1 - îòðåçêè áèìàòåðèàëüíî-ãî ýêñòðóäàòà; 2 - ñìåñü ìåòàëëè÷åñêîãî ïîðîøêà ñî ñâÿçêîé

Schematics of rolling (a) and extrusion (b) techniques for sandwich structures: 1 - chopped green bimaterial segments;2 - mixture of metal powder with a binder

39

¹ 22012


Ïðåäëîæåííûé ïîäõîä ïîçâîëÿåò îðãàíèçîâàòü íåïðåðûâíûé ïðîöåññ ïðîèçâîäñòâà ìåòàë-ëè÷åñêèõ, êåðàìè÷åñêèõ, èíòåðìåòàëëè÷åñêèõ è êîìïîçèòíûõ ïåíîìàòåðèàëîâ, à òàêæå èçäåëèéñëîæíîé ôîðìû èç íèõ, ïðè ýòîì âåëè÷èíà ïîðèñòîñòè è å¸ ìîðôîëîãèÿ (îòêðûòàÿ èëè çàêðûòàÿ),ðàçìåð ïîð, àíèçîòðîïèÿ ñâîéñòâ è ôîðìà èçäåëèé ìîãóò ñòðîãî êîíòðîëèðîâàòüñÿ, à ñâîéñòâà çàðàíåå çàäàâàòüñÿ ïðèìåíèòåëüíî ê ðàçëè÷íûì ýêñïëóàòàöèîííûì óñëîâèÿì.

3. Ñòðóêòóðà è ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà

Ìàêðîñòðóêòóðû ÌÏÌ èç íåðæàâåþùåé ñòàëè è òèòàíà, ïîëó÷åííûõ ïðåññîâàíèåì «çåë¸íûõ»îòðåçêîâ â ïðåññ-ôîðìå, ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 6. Ýòè ÌÏÌ èìåþò 2 ðàçëè÷íûõ âèäà ïîðèñòîñòè:1 ÿ÷åèñòóþ ïîðèñòîñòü P, îáðàçîâàííóþ óäàëåíèåì ñåðäå÷íèêîâ èç áèìåòàëëè÷åñêèõ ïðóòêîâ èðàâíóþ îòíîøåíèþ îáú¸ìà öèëèíäðè÷åñêèõ ÿ÷ååê êî âñåìó îáú¸ìó ÌÏÌ; 2 ïîðèñòîñòü ìåæÿ÷å-èñòûõ ñòåíîê Θ, ðàâíóþ îòíîøåíèþ ïîð â ñòåíêàõ ê îáú¸ìó ýòèõ ñòåíîê. Â çàâèñèìîñòè îò óñëî-âèé ñïåêàíèÿ, ïîðèñòîñòü Θ ìîæåò ñîñòàâëÿòü îò íåñêîëüêèõ ïðîöåíòîâ äî äåñÿòêîâ ïðîöåíòîâ.Íà ðèñ. 6 ìèêðîñòðóêòóðà ñòåíêè â òèòàíîâîé ïåíå.

Ðèñ. 5. Ìàêðîñòðóêòóðû ÌÏ èç ìåäè (à) íåðæàâåþùåé ñòàëè (b) è òèòàíà (ñ)

Macrostructures of copper (a), stainless steel (b) and titanium (c) foams

Ðèñ. 6. Ìèêðîñòðóêòóðû ñòåíîê ìåæäó ÿ÷åéêàìè â òèòàíîâîé (à) è ñòàëüíîé ïåíå (b)

SEM structures of intercellular walls in Ti (a) and SS foam (b)

40

¹ 22012


Íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ÌÏÌ ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå îêàçûâàþò îáà âèäà ïîðèñòîñòè. Íà-ïðèìåð, çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ óïðóãîñòè E ìåòàëëè÷åñêîãî ïåíîìàòåðèàëà îò ïîðèñòîñòè P ìîæåòáûòü ïðåäñòàâëåíà ñîîòíîøåíèåì [9]:

E= Ew(1−P) n, (1)

ãäå Ew – ìîäóëü óïðóãîñòè ìàòåðèàëà ìåæ-ÿ÷åèñòûõ ñòåíîê, n - êîíñòàíòà. Åñëè ñòåíêè èìåþò

ïîðèñòîñòü Θ, òî èõ ìîäóëü óïðóãîñòè ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí êàê

Εw

= Εs(1−Θ)m. (2)

Çäåñü Εs ìîäóëü óïðóãîñòè áåñïîðèñòîãî ìàòåðèàëà, m êîíñòàíòà.

Òîãäà çàâèñèìîñòü ìîäóëÿ óïðóãîñòè ÌÏÌ îò îáîèõ ïîðèñòîñòåé îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì

Ε = Εs(1−Θ)m(1−P) n. (3)

Àíàëîãè÷íûå óðàâíåíèÿ ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû äëÿ ïðî÷íîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ÌÏÌ.Îáû÷íî öåëüþ ðàçðàáîòêè êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå ìàêñèìàëüíî âû-

ñîêèõ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê. Îäíàêî, â ñëó÷àå ìåòàëëè÷åñêèõ ïåíîìàòåðèàëîâ, âî ìíîãèõñëó÷àÿõ (íàïðèìåð, ïðè ñîçäàíèè èìïëàíòîâ èëè ïðîòèâîóäàðíûõ óñòðîéñòâ) ñòðåìÿòñÿ èñïîëüçî-âàòü âîçìîæíîñòü öåëåíàïðàâëåííîãî ñíèæåíèÿ ýòèõ ñâîéñòâ. Âàðüèðóÿ ïîðèñòîñòÿìè P è Θ, ìîæ-íî ïîäñòðàèâàòü ìîäóëü óïðóãîñòè è ïðî÷íîñòü ÌÏÌ ïðèìåíèòåëüíî ê êîíêðåòíûì ïðèìåíåíèÿì.

Êàê èçâåñòíî, òèòàí îòíîñèòñÿ ê ÷èñëó ìàòåðèàëîâ, ñîâìåñòèìûõ ñ ÷åëîâå÷åñêèì îðãàíèçìîì.Îäíàêî, ìîäóëü óïðóãîñòè òèòàíà ~100 Ãïà, à ìîäóëü óïðóãîñòè êîðòèêàëüíûõ êîñòåé ÷åëîâå÷åñêî-ãî ñêåëåòà ~ 13 Ãïà. Çàìåíÿÿ ÷àñòü êîñòè, èìïëàíòû äîëæíû ñïðàâëÿòüñÿ ñ íàãðóçêîé òàê æå, êàêîêðóæàþùèå åãî òêàíè. Åñëè èìïëàíò èìååò áîëåå âûñîêèé ìîäóëü óïðóãîñòè, ÷åì êîñòü, îí ïðè-ìåò íà ñåáÿ áîëüøþ ÷àñòü ìåõàíè÷åñêîé íàãðóçêè è áóäåò ïðåïÿòñòâîâàòü åñòåñòâåííîìó ôóíêöè-îíèðîâàíèþ êîñòåé. Â ðåçóëüòàòå, îêðóæàþùèå êîñòè áåç íàãðóçêè íà÷íóò îòìèðàòü.

Îäíàêî ìîæíî ñîçäàòü òèòàíîâûå èìïëàíòû ñ ïîðèñòîé ñòðóêòóðîé è ìîäóëåì óïðóãîñòè,áëèçêèì ê ê îáû÷íîé êîñòè. Åñëè â óðàâíåíèè (3) ïðèíÿòü â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè n =m=2, òî,ñîãëàñíî ðàñ÷¸òàì, ìîäóëü óïðóãîñòè òèòàíîâûõ ïåíîìàòåðèàëîâ ñ P=0.6 è Θ =0.09 èëè P=0.5 èΘ =0.27 áóäåò áëèçîê ê ìîäóëþ óïðóãîñòè êîðòèêàëüíûõ êîñòåé, è èìïëàíòû èç òàêèõ ÌÏÌ, ñêðåï-ëÿÿ êîñòü â ìåñòå ïåðåëîìà, îáåñïå÷àò âîññòàíîâëåíèå ïîâðåæäåííîé êîñòíîé òêàíè, íå ìåíÿÿïðè ýòîì åå åñòåñòâåííîé ôóíêöèîíàëüíîñòè.

Ïðè ñîçäàíèè ýíåðãîïîãëîùàþùèõ óñòðîéñòâ (íàïðèìåð, áàìïåðîâ àâòîìîáèëåé è äðóãèõ ïðî-òèâîóäàðíûõ êîíñòðóêöèé) óñèëèÿ, êîòîðîå ýòè óñòðîéñòâà ïåðåäàþò ðàìå àâòîìîáèëÿ, äîëæíûáûòü ñóùåñòâåííî ìåíüøå óñèëèé, âûçûâàþùèõ íåîáðàòèìóþ äåôîðìàöèþ ðàìû. Ýòî äîñòèãàåò-ñÿ ñîçäàíèåì ÌÏÌ, ñïîñîáíûõ ïîãëîùàòü ýíåðãèþ óäàðà çà ñ÷¸ò áîëüøîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìà-öèè ïðè íèçêîì íàïðÿæåíèè ñæàòèÿ. Òèïè÷íàÿ êðèâàÿ ñæàòèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïåíîìàòåðèàëîâ,ïîëó÷åííûõ ïî ïðåäëàãàåìîìó ìåòîäó, ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7. Ïëîùàäü ïîä êðèâîé îïðåäåëÿåò âå-ëè÷èíó ïîãëîùåííîé ýíåðãèè â ïðîöåññå ñæàòèÿ ÌÏÌ.

Ðèñ. 8 äåìîíñòðèðóåò çàâèñèìîñòü ïîãëîù¸ííîé óäåëüíîé ýíåðãèè W (ýíåðãèè, ïîãëîù¸ííîéåäèíèöåé îáú¸ìà ÌÏÌ) îò îòíîñèòåëüíîé äåôîðìàöèè ñæàòèÿ ñòàëüíûõ ÌÏÌ ðàçëè÷íîé ïîðè-ñòîñòè, à ðèñ. 9 - çàâèñèìîñòü W îò ïîðèñòîñòè. Èçìåíÿÿ ïîðèñòîñòü, ðàçìåð ïîð è ìàòåðèàëÌÏÌ, ìîæíî ñîçäàâàòü êîíñòðóêöèè ñ òðåáóåìûìè ýíåðãîïîãëîùàþùèìè õàðàêòåðèñòèêàìè.

41

¹ 22012


4. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ

Ïðåäîñòàâëÿåìàÿ ïðåäëàãàåìîé òåõíîëîãèåé âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ÌÏÌ è èçäåëèé ñ çàäàí-íûìè ìåõàíè÷åñêèìè, ãèäðîäèíàìè÷åñêèìè, òåïëîòåõíè÷åñêèìè, àêóñòè÷åñêèìè, ýëåêòðè÷åñ-êèìè, áèîëîãè÷åñêèìè è äðóãèìè ñâîéñòâàìè îïðåäåëÿåò øèðîêèé ñïåêòð ïðèìåíåíèé ÌÏÌ [11].Êðîìå êîíñòðóêöèîííûõ ïðèìåíåíèé, èñïîëüçóþùèõ íèçêèå âåñîâûå è âûñîêèå ýíåðãîïîãëîùà-þùèå õàðàêòåðèñòèêè ÌÏÌ, ìåòàëëè÷åñêèå ïåíîìàòåðèàëû ñ îòêðûòîé ïîðèñòîñòüþ ìîãóò èñ-

Ðèñ. 7. Êðèâàÿ ñæàòèÿ ïåíû èç íåðæàâåþùåé ñòàëè (ïîðèñòîñòü 93%)

Compression curve for SS foam (porosity 93%)

Ðèñ. 8. Çàâèñèìîñòü óäåëüíîé ïîãëîù¸ííîé ýíåðãèè îò äåôîðìàöèè ÌÏ èç íåðæàâåþùåé ñòàëè SS-316 ñïîðèñòîñòüþ 91% (1), 80% (2) è 76% (3)

Dependence of specific energy absorption on deformation for SS-316 foam with porosity of 91% (1), 80% (2), and 76% (3)

42

¹ 22012


ïîëüçîâàòüñÿ äëÿ ôèëüòðàöèè è óïðàâëåíèÿ ïîòîêàìè æèäêîñòåé è ãàçîâ, äëÿ õðàíåíèÿ æèä-êîñòåé ïðè ïîñòîÿííîé òåìïåðàòóðå (íàïðèìåð, êðèîãåííîé), äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ íåæåëà-òåëüíîãî äâèæåíèÿ æèäêîñòåé â ïîëóçàïîëíåííûõ öèñòåðíàõ è äð. Ñïîñîáíîñòü âûñîêîïîðè-ñòûõ ÌÏÌ ïîãëîùàòü ìåõàíè÷åñêèå âèáðàöèè è àêóñòè÷åñêèå âîëíû îòêðûâàåò ïåðñïåêòèâûèõ ïðèìåíåíèÿ â êà÷åñòâå çâóêîèçîëÿòîðîâ. Ïåíîìàòåðèàëû èç ÌÏÌ ñ âûñîêîé òåïëîïðî-âîäíîñòüþ ìåòàëëè÷åñêîãî êàðêàñà (Al, Cu) ìîãóò íàéòè ïðèìåíåíèå â êà÷åñòâå îãíåïðåãðà-äèòåëåé, ïîñêîëüêó îíè ñïîñîáíû ýôôåêòèâíî ïðîòèâîñòîÿòü ðàñïðîñòðàíåíèþ ïëàìåíè, äâè-æóùåìóñÿ ñ âûñîêîé ñêîðîñòüþ.

Áîëüøîé èíòåðåñ âûçûâàåò èñïîëüçîâàíèå ÌÏÌ â òåïëîîáìåííûõ àïïàðàòàõ. Òåïëîòà ìîæåòýôôåêòèâíî ïåðåäàâàòüñÿ æèäêîñòè èëè ãàçó èëè îòáèðàòüñÿ îò íèõ ïðè òå÷åíèè ÷åðåç íàãðåâàå-ìûå èëè îõëàæäàåìûå ÌÏÌ ñ îòêðûòîé ïîðèñòîñòüþ. Ïðè ýòîì, åñòåñòâåííî, äîëæíî áûòü âû-äåðæàíî îïòèìàëüíîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó âåëè÷èíîé òåïëîîòäà÷è è ãèäðàâëè÷åñêèì ñîïðîòèâ-ëåíèåì ÌÏÌ, ÷òî äîñòèãàåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèì âûáîðîì ïîðèñòîñòè, ðàçìåðà ïîð è ñòåïåíüþàíèçîòðîïèè. Âûñîêîðàçâèòàÿ âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü, íèçêîå ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå èâûñîêàÿ òåïëîïðîâîäíîñòü ÌÏÌ îòêðûâàþò ïåðñïåêòèâû èõ óñïåøíîãî ïðèìåíåíèÿ äëÿ òðàíñ-ïèðàöèîííîãî îõëàæäåíèÿ. Ýòè æå õàðàêòåðèñòèêè äåëàþò ÌÏÌ âåñüìà ïðèâëåêàòåëüíûìè äëÿèñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå íîñèòåëåé êàòàëèçàòîðîâ.

Âûñîêîïîðèñòûå ÌÏÌ èç àëþìèíèÿ, íèêåëÿ è ñâèíöà íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå â êà÷å-ñòâå ýëåêòðîäîâ àêêóìóëÿòîðîâ, ïîçâîëÿÿ ñíèçèòü âåñ è óëó÷øèòü ýêñïëóàòàöèîííûå ïîêàçàòåëè

Ðèñ. 9. Çàâèñèìîñòü óäåëüíîé ïîãëîù¸ííîé ýíåðãèè îò îáùåé ïîðèñòîñòè ÌÏ èç íåðæàâåþùåé ñòàëè SS-3161 -äåôîðìàöèÿ ñæàòèÿ 20%; 2 - äåôîðìàöèÿ ñæàòèÿ 40%; 3 - äåôîðìàöèÿ ñæàòèÿ 60%; 4 - äåôîðìàöèÿ ñæàòèÿ 80%

Dependence of specific energy absorption on porosity for SS foam1 - compression deformation 20%; 2 - compression deformation 40%; 3 - compression deformation 60%; 4 - compressiondeformation 80%

43

¹ 22012


ïîñëåäíèõ. Áëàãîäàðÿ áèîñîâìåñòèìîñòè òèòàíà, òàíòàëà è êîáàëüò-õðîìîâûõ ñïëàâîâ, ÌÏÌ èçýòèõ ìàòåðèàëîâ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ â êà÷åñòâå áèîïðîòåçîâ è çóáíûõ èìïëàíòîâ, ïîçâîëÿþ-ùèõ óñêîðèòü âûçäîðîâëåíèå ïàöèåíòîâ. Ïîðèñòàÿ ñòðóêòóðà èñêëþ÷àåò ðèñê êîñòíîãî ðàçðàñòà-íèÿ - íîâàÿ êîñòü ôîðìèðóåòñÿ òîëüêî â ãðàíèöàõ èìïëàíòà.

5. Âûâîäû

1. Ïðåäëîæåíà òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïåíîìàòåðèàëîâ ñ êàíàëüíîé ñòðóêòóðîéïîð. Òåõíîëîãèÿ ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ÌÏÌ ñ ïîðàìè çàäàííîãî ðàçìåðà, ÷òî ïîâûøàåò íàä¸æ-íîñòü ÌÏÌ è ðàñøèðÿåò îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ.

2. Òåõíîëîãèÿ ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñòðóêòóðíûõ ýëåìåíòîâ òèïà «ñýíäâè÷», âêîòîðûõ ñåðäöåâèíà, âûïîëíåííàÿ èç ÌÏÌ, ïëàêèðîâàíà ìåòàëëè÷åñêèìè ëèñòàìè èëè îáîëî÷-êàìè.

3. Ïðåäëîæåííûé ïîäõîä ïîçâîëÿåò îðãàíèçîâàòü íåïðåðûâíûé ïðîöåññ ïðîèçâîäñòâà ìå-òàëëè÷åñêèõ, êåðàìè÷åñêèõ, èíòåðìåòàëëè÷åñêèõ è êîìïîçèòíûõ ïåíîìàòåðèàëîâ, à òàêæå èçäå-ëèé ñëîæíîé ôîðìû èç íèõ, ïðè ýòîì âåëè÷èíà ïîðèñòîñòè è å¸ ìîðôîëîãèÿ (îòêðûòàÿ èëè çàê-ðûòàÿ), ðàçìåð ïîð, àíèçîòðîïèÿ ñâîéñòâ è ôîðìà èçäåëèé ìîãóò ñòðîãî êîíòðîëèðîâàòüñÿ è çàäà-âàòüñÿ çàðàíåå ïðèìåíèòåëüíî ê ðàçëè÷íûì ýêñïëóàòàöèîííûì óñëîâèÿì.

Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. Banhart J., Production Methods for Metallic Foams, Metal Foams, Fraunhofer USA Symposium Metal

Foam, Stanton, Delaware, 7-8 October 1997. Ed.: J. Banhart and H. Eifert. – Bremen: MIT-Verl., 1998, 3-112. Banhart J., Weigand P., Powder Metallurgical Process for the Production of Metallic Foams, Metal Foams,

Fraunhofer USA Symposium Metal Foam, Stanton, Delaware, 7-8 October 1997.Ed.: J. Banhart and H.Eifert. – Bremen: MIT-Verl., 1998, 13-22

3. Wood J., Production and Applications of Continuously Cast, Foamed Aluminum, Metal Foam, Fraun-hofer USA Symposium Metal Foam, Stanton, Delaware, 7-8 October 1997. Ed.: J. Banhart and H. Eifert. –Bremen: MIT-Verl., 1998, 31-36

4. Ashby M., Evans A., Fleck N. et al, Metal Foams: A Design Guide, Butterworth-Heinemn, 2000.5. Baumeister J., US Patent 5151246, 1992, German Patent 4018360, 19906. Baumeister J., Banhart J., Weber M., German Patent DE 4401630, 19977. Drolet C, Int. J. Powder Met., 13, 223, 19778. Kulkarni S., Ramakrishnan P., Int. J. Powder Met., 9, 41, 19739. Gibson N., Ashby M, Ñellular Solids: structure and properties, Pergamon Press, 2nd edition, 1997.10. Tuchinskiy L., Cellular Structures and Processes for Making Such Structures, US Patent No: US6254998

B1, Jul.3,11. Handbook of Cellular Metals. Production, Processing, Applications, Edited by H.-P. Degisher, B.

Kriszt, Wiley-VCH, 2002.

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðå

L. Tuchinskiy - consultant, SION Corp., Tucson, USA, e-mail: [email protected]

44

¹ 22012


ÓÄÊ 678.042:541.64

ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÔÎÐÌÎÂÎ×ÍÛÕ ÐÀÑÒÂÎÐÎÂ ÕÈÒÎÇÀÍÀ, ÏÂÑÈ ÈÕ ÑÌÅÑÅÉ È ÏÅÐÅÐÀÁÎÒÊÀ ÈÕ ÌÅÒÎÄÎÌ

ÝËÅÊÒÐÎÔÎÐÌÎÂÀÍÈß(ïîñòóïèëà 12.04.2012, â ïåðåðàáîòàííîì âèäå 25.06.12, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè 26.06.12)

À.Í.Ñîíèíà, Î.Ì.Ñèìàíåíêîâà, Ã.À.Âèõîðåâà, Ë.Ñ.Ãàëüáðàéõ

Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåêñòèëüíûé óíèâåðñèòåò èì. À.Í. Êîñûãèíà, Ðîññèÿ, Ìîñêâà

Â ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ ñîñòàâà íà ñâîéñòâà õèòîçàíñîäåðæà-ùèõ ðàñòâîðîâ è óñïåøíîñòü èõ ýëåêòðîôîðìîâàíèÿ áåñêàïèëëÿðíûì ñïîñîáîì íà óñòàíîâêåNanospider.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: õèòîçàí, ðàñòâîðû, âÿçêîñòü, ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå, ýëåêòðîïðîâîäíîñòü,ýëåêòðîôîðìîâàíèå.

PROPERTIES AND ELECTROSPINNING OF CHITOSAN / POLY (VINYLALCOHOL) BLEND FORMING SOLUTIONS

A.N. Sonina, O.M. Simanenkova, G.A. Vikhorevà, L.S. Galbraikh

A.N. Kosygin Moscow State Textile University, Russia

An effect of the composition on properties of chitosan containing solutions has been studied in connectionwith its electrospinning proñessing into fibers by using apparatus Nanospider.

Key words: Chitosan, solutions, viscosity, electrospinning, electrical conductivity, surface tension

1. Ââåäåíèå

Õèòîçàí áèîñîâìåñòèìûé è áèîðàçëàãàåìûé ïîëèìåð ñ öåííûì êîìïëåêñîì ñâîéñòâ. Â ôîð-ìå ñâîáîäíîãî ïîëèîñíîâàíèÿ, à ÷àùå âîäîðàñòâîðèìûõ ñîëåé èëè äðóãèõ ïðîèçâîäíûõ â âèäåðàñòâîðîâ, ãåëåé, ïëåíîê, ãðàíóë îí èñïîëüçóåòñÿ êàê ñîðáåíò, ìàòðèöà äëÿ èììîáèëèçàöèè ëåêàð-ñòâåííûõ âåùåñòâ, ìîäèôèêàòîð ýíäîïðîòåçîâ, êîìïîíåíò ðàíåâûõ ïîâÿçîê è ðàçëè÷íûõ êîñìå-òè÷åñêèõ ñðåäñòâ, ïîêðûòèå íà ñåìåíà è ïëîäû, ðàçäåëèòåëüíûå ìåìáðàíû, ïèùåâàÿ áèîäîáàâêà,ìîäèôèöèðóþùàÿ äîáàâêà â òåêñòèëüíî-âñïîìîãàòåëüíûõ êîìïîçèöèÿõ. Áîëüøîé èíòåðåñ ïðåä-ñòàâëÿåò ðàçðàáîòêà ñïîñîáîâ ôîðìîâàíèÿ õèòîçàíîâûõ âîëîêîí, â òîì ÷èñëå ñóïåðòîíêèõ, òàêíàçûâàåìûõ, íàíîâîëîêîí. Ìàëûé äèàìåòð (äåñÿòêè è ñîòíè íì) è î÷åíü áîëüøàÿ óäåëüíàÿ ïîâåð-õíîñòü òàêèõ âîëîêîí îáåñïå÷èâàþò âûñîêóþ çàäåðæèâàþùóþ ñïîñîáíîñòü ôèëüòðìàòåðèàëîâ íàèõ îñíîâå, âûñîêóþ ñîðáöèîííóþ ñïîñîáíîñòü è ñêîðîñòü ïðîöåññà, à òàêæå ðàíîçàæèâëÿþùóþàêòèâíîñòü.

Íàèáîëåå òåõíîëîãè÷íûì ñïîñîáîì ïîëó÷åíèÿ íàíîâîëîêîí ÿâëÿåòñÿ áåñêàïèëëÿðíîå ýëåêò-ðîôîðìîâàíèå (ÝÔ), îòíîñÿùååñÿ ê «ñóõîìó» ìåòîäó, ïðè êîòîðîì îáðàçîâàíèå è îòâåðæäåíèå î÷åíüòîíêèõ çàðÿæåííûõ ñòðóåê ôîðìîâî÷íîãî ðàñòâîðà ïðîèñõîäèò â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, ïðè ýòîì

45

¹ 22012


îäèí ýëåêòðîä ïîìåùàþò â ðàñòâîð, à äðóãèì ÿâëÿåòñÿ äâèæóùèéñÿ ïðèåìíûé ìåòàëëè÷åñêèéêîëëåêòîð.

Èìåþùèåñÿ ëèòåðàòóðíûå äàííûå [1-5] ïîêàçûâàþò òðóäíîñòü ïåðåðàáîòêè ÷èñòî õèòîçàíî-âûõ ðàñòâîðîâ ìåòîäîì ýëåêòðîôîðìîâàíèÿ. Ïðè÷èíàìè ÿâëÿþòñÿ âûñîêàÿ æåñòêîñòü çàðÿæåí-íûõ öåïåé õèòîçàíà è, êàê ñëåäñòâèå, âûñîêàÿ âÿçêîñòü (η) äàæå 2-3%-íûõ ðàñòâîðîâ, çàòðóäíÿþ-ùàÿ îáðàçîâàíèå ñòðóé è èõ ìíîãîêðàòíîå ðàñùåïëåíèå è âûòÿãèâàíèå â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, àòàêæå îòíîñèòåëüíî âûñîêèå ïîêàçàòåëè ýëåêòðîïðîâîäíîñòè (æ) è ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ σóêñóñíîêèñëîòíûõ ðàñòâîðîâ ïîëèìåðà. Ñíèæåíèå âÿçêîñòè ôîðìîâî÷íûõ ðàñòâîðîâ è îáðàçîâà-íèå â íèõ ýëàñòè÷íî äåôîðìèðóåìîé ñåòêè çàöåïëåíèÿ äîñòèãàåòñÿ ââåäåíèåì ãèáêîöåïíîãî ïî-ëèìåðà, â ÷àñòíîñòè, ïîëèýòèëåíîêñèäà èëè ïîëèâèíèëîâîãî ñïèðòà â êîëè÷åñòâå íå ìåíåå 60%[5], à ïîêàçàòåëè ýëåêòðîïðîâîäíîñòè è ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ âûâîäÿò íà òðåáóåìûé óðî-âåíü èñïîëüçîâàíèåì â êà÷åñòâå ðàñòâîðèòåëÿ âûñîêîêîíöåíòðèðîâàííîé 70-90%-íîé óêñóñ-íîé êèñëîòû (ÓÊ) (ðèñ. 1), ÷òî òåõíîëîãè÷åñêè ìàëîïðèåìëåìî.

Ðèñ. 1. Êîíöåíòðàöèîííàÿ çàâèñèìîñòü óäåëüíîé ýëåêòðîïðîâîäíîñòè æ, âÿçêîñòè ηηηηη è ïîâåðõíîñòíîãî íà-òÿæåíèÿ σ σ σ σ σ ðàñòâîðîâ ÓÊ [6]

Dependences of conductivity æ, viscosity ηηηηη and surface tension σ σ σ σ σ of acetic acid solutions [6]

Öåëüþ ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà ñîñòàâà ôîðìîâî÷íîãî ðàñòâîðà ýêâèìàññîâîé ñìåñè õèòî-çàíà ñ ÏÂÑ ïðè îáùåé êîíöåíòðàöèè ïîëèìåðîâ 3-4% â ìåíåå êîíöåíòðèðîâàííîé óêñóñíîé êèñ-ëîòå è îáåñïå÷èâàþùåãî ñòàáèëüíîå ýëåêòðîôîðìîâàíèå õèòîçàíñîäåðæàùåãî âîëîêíèñòîãî ìà-òåðèàëà. Âûáîð ÏÂÑ äëÿ ôîðìîâàíèÿ õèòîçàíñîäåðæàùåãî âîëîêíà îáîñíîâàí ðàñòâîðèìîñòüþäàííûõ ïîëèìåðîâ â âîäíîé ñðåäå, áëèçêèìè îáëàñòÿìè ïðèìåíåíèÿ è, ÷òî âàæíî - òåðìîäèíà-ìè÷åñêîé ñîâìåñòèìîñòüþ ïðè ñîäåðæàíèè ÏÂÑ äî 30% [7] è îáðàçîâàíèåì îäíîðîäíûõ ðàñòâî-ðîâ ïðàêòè÷åñêè âî âñåì èíòåðâàëå ñîñòàâîâ.

2. Ìàòåðèàëû è ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ

Â ðàáîòå èñïîëüçóåòñÿ õèòîçàí ñ ìîëåêóëÿðíîé ìàññîé 190 êÄà, ÑÄ 86% è ÏÂÑ ñ ìîëåêóëÿðíîéìàññîé 140 êÄà è ñòåïåíüþ îìûëåíèÿ 99-99,8%. Ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà ïîëèìåðîâ îïðåäåëÿåòñÿâèñêîçèìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì ïðè òåìïåðàòóðå 250,1°Ñ, èñïîëüçîâàíèåì äëÿ ðàñ÷åòà ñëåäóþùèõóðàâíåíèé Ìàðêà-Êóíà-Õàóâèíêà:

η = 1, 38⋅10-4 Ì 0,85 [8] - äëÿ õèòîçàíà

46

¹ 22012


η = 5,95⋅10-4 Ì 0,63 [9] - äëÿ ÏÂÑ, ðàñòâîðèòåëü âîäà, t = 25 °Cη = 1,58⋅10-4 Ì 0,84 [10]- äëÿ ÏÂÑ, ðàñòâîðèòåëü ÄÌÑÎ, t = 30 °C. Ðàñòâîðû ãîòîâèëèñü â òå÷åíèå 1,5-2 ÷àñîâ ïðè 22-23 °Ñ (õèòîçàí) è 85-95 °Ñ (ÏÂÑ), ïðè ýòîì

ïðåäâàðèòåëüíîå íàáóõàíèå ïîëèìåðà ïðîâîäèòñÿ âîäå ñ ïîñëåäóþùèì äîáàâëåíèåì ÓÊ, âîäû èñïèðòà äî òðåáóåìîé êîíöåíòðàöèè êîìïîíåíòîâ. Ïåðåä èññëåäîâàíèåì è èñïîëüçîâàíèåì äëÿôîðìîâàíèÿ ðàñòâîðû âûäåðæèâàëèñü 20-24 ÷àñà.

Ýôôåêòèâíàÿ äèíàìè÷åñêàÿ âÿçêîñòü η èçìåðÿëàñü íà ðåîâèñêîçèìåòðå Rheotest-2 ñ èñïîëüçîâà-íèåì ñèñòåìû öèëèíäð-öèëèíäð (S

1ñ êîíñòàíòîé Ê

S1 = 0,588) ïðè òåìïåðàòóðå 22-23 °Ñ, óäåëüíàÿ

ýëåêòðîïðîâîäíîñòü æ - íà êîíäóêòîìåòðå «Ýêñïåðò 002» ïðè 20,0 ± 0,5 °Ñ ïîãðóæåíèåì ñòåêëÿííî-ãî ýëåêòðîäà â 20 ìë èññëåäóåìîãî ðàñòâîðà, ÝÔ - íà áåñêàïèëëÿðíîé óñòàíîâêå Nanospider Ns LABïðè íàïðÿæåíèè 40 êÂ, ìåæýëåêòðîäíîì ðàññòîÿíèè 15 ñì, îòíîñèòåëüíîé âëàæíîñòè 55-60%.Ìîðôîëîãèÿ âîëîêîí èçó÷àëàñü ìåòîäîì ÝÌ íà ýëåêòðîííîì ñêàíèðóþùåì ìèêðîñêîïå TM-1000ôèðìû «HITACHI».

3. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ÷àñòü

Êàê ñêàçàíî âûøå, öåëåñîîáðàçíûì ÿâëÿåòñÿ ñíèæåíèå êîíöåíòðàöèè êèñëîòû, íî ïðè ýòîìíåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, ÷òî ïîëíîå ðàñòâîðåíèå õèòîçàíà ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî ëèøü ïðè ïîëó-òîðàêðàòíîì ìîëüíîì êîëè÷åñòâå ÓÊ, à ìèíèìàëüíîé âÿçêîñòüþ îáëàäàþò ðàñòâîðû ñ ìîëüíûìñîîòíîøåíèåì ÓÊ/õèòîçàí 2,5-5,5 [11]. Ñëåäîâàòåëüíî, 4-6%-íûå ðàñòâîðû ïîëèìåðà íóæíî ãî-òîâèòü, êàê ìèíèìóì, â 8 10-îé % êèñëîòå, êîòîðàÿ, îäíàêî, õàðàêòåðèçóåòñÿ î÷åíü âûñîêèìèïîêàçàòåëÿìè ýëåêòðîïðîâîäíîñòè è ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ (ðèñ. 1), ïîýòîìó äëÿ ïðèãîòîâ-ëåíèÿ ôîðìîâî÷íûõ ðàñòâîðîâ èñïîëüçîâàëàñü 30 è 50%-íóþ óêñóñíàÿ êèñëîòà ñ ìåíüøèìè ïîêà-çàòåëÿìè ýëåêòðîïðîâîäíîñòè è çíà÷èòåëüíî ìåíüøèì ïîâåðõíîñòíûì íàòÿæåíèåì.

Âÿçêîñòü ðàñòâîðîâ ãèáêîöåïíîãî ÏÂÑ, êàê è ïðåäïîëàãàëîñü, íèæå âÿçêîñòè ðàñòâîðîâ ïîëó-æåñòêîöåïíîãî õèòîçàíà, à âÿçêîñòü ñìåñè èìååò çíà÷åíèå, áëèçêîå ê àääèòèâíîìó (ðèñ. 2), ïðèýòîì âåëè÷èíà âÿçêîñòè â 30 è 50% - íîé óêñóñíîé êèñëîòå ó ðàñòâîðîâ õèòîçàíà è ñìåñåé ïîëèìå-ðîâ ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâà.

Èçâåñòíî, ÷òî ââåäåíèå ñïèðòà â ðàñòâîð õèòîçàíà ïîâûøàåò åãî îäíîðîäíîñòü [12], à â ðàñòâî-ðû ÏÂÑ ñïèðò ââîäÿò äëÿ ïîäàâëåíèÿ ãåëåîáðàçîâàíèÿ. Äàííûå ðèñ. 3 è 4 ïîêàçûâàþò, ÷òî íàýëåêòðîïðîâîäíîñòü ðàñòâîðîâ âëèÿåò íå òîëüêî êîíöåíòðàöèÿ ÓÊ, íî è ïðèñóòñòâèå ýòàíîëà, àòàêæå ñîäåðæàíèå õèòîçàíà â ñìåñè ñ ÏÂÑ. Ïîñëåäíåå, î÷åâèäíî, ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî õèòîçàí, ñâÿ-çûâàÿ êèñëîòó, ñïîñîáñòâóåò åå äèññîöèàöèè è ïîâûøåíèþ ñîäåðæàíèÿ â ðàñòâîðå òîêîïðîâîäÿ-ùèõ ÷àñòèö. Ýëåêòðîïðîâîäíîñòü â ïðèñóòñòâèè 20% ýòàíîëà ñíèæàåòñÿ ïðèìåðíî â 1,3 ðàçà ïîñðàâíåíèþ ñ áåññïèðòîâûìè ðàñòâîðàìè, ýëåêòðîïðîâîäíîñòü 3-4%-íûõ ðàñòâîðîâ õèòîçàíà -0,12 - 0,14 Ñì/ì (ðèñ. 3), îíà áëèçêà ê ðåêîìåíäóåìîé äëÿ ÝÔ [13]. Ââåäåíèå ýòàíîëà â 30%-íóþóêñóñíóþ êèñëîòó â êîëè÷åñòâå 20 % ñíèæàåò è ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå, íà âÿçêîñòü ñìåøàííûõðàñòâîðîâ ââåäåíèå ñïèðòà îêàçûâàåò íåñóùåñòâåííîå âëèÿíèå. Âñå ýòî îáîñíîâûâàåò öåëåñîîá-ðàçíîñòü ââåäåíèÿ ýòàíîëà â ôîðìîâî÷íûå ðàñòâîðû äëÿ èõ ãîìîãåíèçàöèè, ñòàáèëèçàöèè è âû-âåäåíèÿ íà òðåáóåìûé óðîâåíü ïîêàçàòåëåé ýëåêòðîïðîâîäíîñòè è ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿôîðìîâî÷íûõ ðàñòâîðîâ.

Èçâåñòíî, ÷òî ðàñòâîðû èññëåäóåìûõ ïîëèìåðîâ íåñòàáèëüíû âî âðåìåíè, ïðè ýòîì âÿçêîñòüóêñóñíîêèñëîòíûõ ðàñòâîðîâ õèòîçàíà ñíèæàåòñÿ âñëåäñòâèå äåñòðóêöèè åãî öåïåé è ñíèæåíèÿñòåïåíè ñòðóêòóðèðîâàíèÿ [14,15], à âîäíûå ðàñòâîðû ãèáêîãî êàðáîöåïíîãî ÏÂÑ, íàîáîðîò, çà-ãóùàþòñÿ è ïðåâðàùàþòñÿ â ãåëè, ñòàáèëèçèðîâàííûå âîäîðîäíûìè ñâÿçÿìè [16]. Îêàçàëîñü, ÷òî

47

¹ 22012


ðàñòâîðû ñìåñè Õ-ÏÂÑ ñòàáèëüíû âî âðåìåíè (ðèñ. 5), î÷åâèäíî, èç-çà ðàçíîíàïðàâëåííîãî äåé-ñòâèÿ èçìåíåíèé, ïðîèñõîäÿùèõ â ñèñòåìå.

Â ýêñïåðèìåíòå ïî ýëåêòðîôîðìîâàíèþ áûëè ïîëó÷åíû âîëîêíà ñ äèàìåòðîì äî 200 íì (ðèñ.6). Îòäåëüíûå äåôåêòû â âèäå êàïåëü, íàïëûâîâ è óòîëùåíèé, âîçíèêàþò èç-çà ÷àñòè÷íîãî ðàñ-ïûëåíèÿ ðàñòâîðà, à òàêæå íåïîëíîãî âûñûõàíèÿ è îòâåðæäåíèÿ âîñõîäÿùåé ñòðóè è ñêëåèâàíèÿâîëîêîíåö íà ïðèåìíîé ïîäëîæêå.

Êîëè÷åñòâî äåôåêòîâ óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè ôîðìîâàíèè èç áåññïèðòîâûõ ðàñòâîðîâ, ïðè ñíèæå-íèè êîíöåíòðàöèè ïîëèìåðîâ, à òàêæå ïðè óâåëè÷åíèè êîíöåíòðàöèè ïàðîâ ðàñòâîðèòåëÿ (âëàæ-íîñòè) â ôîðìîâî÷íîé êàìåðå â õîäå ïðîöåññà. Íå èñêëþ÷åíî, ÷òî ñ ïîñòîÿííî îáíîâëÿþùåéñÿïîâåðõíîñòè ôîðìîâî÷íîãî ðàñòâîðà â õîäå ïðîöåññà ïðîèñõîäèò ÷àñòè÷íîå èñïàðåíèå ðàñòâîðè-

Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ýëåêòðîïðîâîäíîñòè 4%-íûõ ðàñòâîðîâ ñìåñåé Õ-ÏÂÑ â ðàñòâîðàõ 30 è 50% îé ÓÊ îòñîäåðæàíèÿ õèòîçàíà â ñìåñè

Electrical conductivity of 4 % chitosan-poly(vinil alcohol) blends solutions in 30 and 50% of acetic acid solutionsversus content of chitosan

Ðèñ. 2. Ðåîëîãè÷åñêèå êðèâûå 4 % -íûõ ðàñòâîðîâ â 30 (1,3,5,7) è 50 % ÓÊ (2,4,6) è 3 %-íîãî ðàñòâîðà â 30 % ÓÊ(8); ÏÂÑ (1,2), õèòîçàíà (3,4) è èõ ýêâèìàññîâîé ñìåñè (5,6,7,8), â òîì ÷èñëå ñîäåðæàùèõ 20 ìàñ % ýòàíîëà (7,8)

Rheological curves of 4 % solutions in 30 (1,3,5,7) and 50 % of acetic acid (2,4,6) and 3 % solution in 30 % acetic acid(8); PVA (1,2), chitosan (3,4) and its blend 1:1 (5,6,7, 8), including 20 % ethanol (7, 8)

48

¹ 22012


òåëÿ, ïðèâîäÿùåå ê èçìåíåíèþ ñîñòàâà è õàðàêòåðèñòèê ôîðìîâî÷íîãî ðàñòâîðà. Âàðüèðîâàíèåêîíöåíòðàöèè óêñóñíîé êèñëîòû â èññëåäîâàííîì èíòåðâàëå íå îêàçûâàåò çàìåòíîãî âëèÿíèÿ íàóñïåøíîñòü ÝÔ.

Ïîñêîëüêó ñôîðìîâàííûå íàíîâîëîêíà â âèäå íåòêàíîãî ìàòåðèàëà ïðåäïîëàãàåòñÿ èñïîëü-çîâàòü êàê ñîðáåíò, ñëîé ðàíåâîé ïîâÿçêè èëè ôèëüòðàöèîííîãî ìàòåðèàëà, ôóíêöèîíàëüíûå ñâîé-ñòâà êîòîðûõ çàâèñÿò îò êîëè÷åñòâà àìèíîãðóïï õèòîçàíà, ìåòîäîì ïîòåíöèîìåòðè÷åñêîãî òèòðî-âàíèÿ áûëî îïðåäåëåíî èõ ñîäåðæàíèå. Ó÷èòûâàÿ ïðè ýòîì, ÷òî äðóãîé âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîéìàòåðèàëà ÿâëÿåòñÿ åãî íàáóõàíèå â âîäíîé ñðåäå, ïðåäâàðèòåëüíî áûëà èññëåäîâàíà âîçìîæ-íîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ ýòîãî ïîêàçàòåëÿ ïóòåì òåðìîîáðàáîòêè, â õîäå êîòîðîé ïðîèñõîäèò ÷àñòè÷-íàÿ êðèñòàëëèçàöèÿ ïîëèìåðîâ. Èñõîäÿ èç ëèòåðàòóðíûõ äàííûõ [17], òåðìîîáðàáîòêó ïðîâîäèëèïðè 110 °Ñ â òå÷åíèå 3 ÷àñîâ è â ðåçóëüòàòå ïîëó÷èëè ìàòåðèàë, êîòîðûé â ïàðàõ âîäû íàáóõàåò íà40-45%. Ðåçóëüòàòû îïðåäåëåíèÿ ñòàòè÷åñêîé åìêîñòè ìàòåðèàëà ïî ÍÑl ïîêàçàëè, ÷òî òåðìîîáðà-

Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü ýëåêòðîïðîâîäíîñòè 4 %-íûõ ðàñòâîðîâ ýêâèìàññîâîé ñìåñè Õ-ÏÂÑ (1,2) è ñîîòâåò-ñòâóþùèõ ðàñòâîðèòåëåé (3,4) áåç (1,3) è â ïðèñóòñòâèè (2,4) 20% ýòàíîëà îò êîíöåíòðàöèè ÓÊ

Electrical conductivity of 4% chitosan-poly(vinil alcohol) blend 1:1 solutions (1,2) and solvents (3,4) without (1,3) andwith (2,4) 20% ethanol. Versus acetic acid concentration

Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü âÿçêîñòè îò âðåìåíè õðàíåíèÿ 3 è 4% ðàñòâîðîâ ñìåñè Õ-ÏÂÑ ýêâèìàññîâîãî ñîñòàâà â30% ÓÊ ñ äîáàâêîé 20% ýòàíîëà

The viscosity of 3 and 4% solutions on storage time of chitosan-poly(vinil alcohol) blend 1:1 in 30 % acetic acid with20 % ethanol versus time of keeping at room temperature

49

¹ 22012


áîòêà íå ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ äîñòóïíîñòè àìèíîãðóïï, ñîäåðæàíèå êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò 2,2±0,2ììîëü/ã ìàòåðèàëà è ñîîòâåòñòâóåò ðàñ÷åòíîìó, ïîëó÷åííîìó ñ ó÷åòîì ñîäåðæàíèÿ õèòîçàíà è ñòå-ïåíè äåçàöåòèëèðîâàíèÿ ïîñëåäíåãî.

4. Âûâîäû

Ââåäåíèå â ðàñòâîðû õèòîçàíà ýêâèìàññîâîãî êîëè÷åñòâà ÏÂÑ ïðèâîäèò íå òîëüêî ê òðåáó-åìîìó ñíèæåíèþ âÿçêîñòè ðàñòâîðîâ, íî è ñòàáèëèçàöèè èõ âÿçêîñòíûõ ñâîéñòâ ïðè âûäåð-æèâàíèè, î÷åâèäíî, èç-çà ðàçíîíàïðàâëåííîãî äåéñòâèÿ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â ðàñòâî-ðàõ êàæäîãî èç ïîëèìåðîâ â îòäåëüíîñòè: ñòðóêòóðèðîâàíèÿ è çàãóùåíèÿ ÏÂÑ è äåñòðóêöèè èðàçæèæåíèÿ õèòîçàíà.

Èñïîëüçîâàíèå 3%-íîãî ðàñòâîðà ýêâèìàññîâîé ñìåñè õèòîçàíà ñ ÏÂÑ â 30%-îé óêñóñíîé êèñ-ëîòå, ñîäåðæàùèõ ýòàíîë â êîëè÷åñòâå 20%-îâ îò ìàññû ðàñòâîðà, îáåñïå÷èâàåò âîçìîæíîñòü ïðî-âåäåíèÿ ïðîöåññà ýëåêòðîôîðìîâàíèÿ è ïîëó÷åíèè óëüòðàòîíêèõ âîëîêîí ñ äèàìåòðîì ïîðÿäêà200 íì è ñòàòè÷åñêîé åìêîñòüþ ïî ÍÑl, ðàâíîé 2,2 ±0,2 ììîëü/ã ìàòåðèàëà.

Ïîêàçàíà ñëîæíîñòü îïòèìèçàöèè è ìíîãîôàêòîðíàÿ çàâèñèìîñòü ïðîöåññà ÝÔ, ñâÿçàííàÿ ñïîëèýëåêòðîëèòíîé ïðèðîäîé õèòîçàíà è íåîáõîäèìîñòüþ ñòðîãîãî êîíòðîëÿ íå òîëüêî ñâîéñòâôîðìîâî÷íîãî ðàñòâîðà, íî è ïàðàìåòðîâ îêðóæàþùåé ñðåäû.

Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. Geng X., Kwon O.-H., Jang J., Electrospinning of chitosan dissolved in concentrated acetic acid solution,

Biomaterials, 2005, V. 26, ¹ 27, P. 427-5432.2. Homayoni H., Ravandi S. A. H., Valizadeh M., Electrospinning of chitosan nanofibers: Processing

optimization, Carbohydr. Polym., 2009, V.77, P. 656-661.3. Ohkawa K., Cha D., Kim H., Nishida A., Yamamoto H., Electrospinning of chitosan, Macromol. Rapid

Communications, 2004, V. 25, P. 1600-1605.

Ðèñ. 6. Ìèêðîôîòîãðàôèÿ âîëîêîí, ïîëó÷åííûõ èç 3 %-íûõ ðàñòâîðîâ ýêâèìàññîâîé ñìåñè Õ-ÏÂÑ â 30 %-îéÓÊ ñ äîáàâêîé 20% ýòàíîëà. Âÿçêîñòü 0,6 Ïà⋅⋅⋅⋅⋅ñ, ýëåêòðîïðîâîäíîñòü 0,12 Ñì/ì, ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå~40 ìÍ/ì

The microphotograph of fibers formed from 3 % solutions of chitosan-poly (vinyl alcohol) blend 1:1 in 30 % acetic acidwith 20% ethanol. Viscosity 0,6 Pa⋅⋅⋅⋅⋅s, conductivity 0,12 Sm/m, surface tension ~ 40mN/m

50

¹ 22012


4. Äìèòðèåâ Þ.À., Òåõíîëîãèÿ ýëåêòðîôîðìîâàíèÿ âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå õèòî-çàíà, äèññåðòàöèÿ ê.ò.í. Ñàðàòîâ.: ÑÃÓ èì.Í.Ã. ×åðíûøåâñêîãî, 2011, 151ñ.

5. Jia Y.-T., Gong J., Gu X.-H., Kim H.-Y., Dong J., Shen X.-Y., Fabrication and characterization of poly(vinyl alcohol)/chitosan blend nanofibers produced by electrospinning method, Carbohydr. Polym., 2007, V.67, P. 403-409

6. Àôàíàñüåâ Â.Í., Åôðåìîâà Ë.Ñ., Âîëêîâà Ò.Â., Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà áèíàðíûõ ðà-ñòâîðèòåëåé. Âîäîñîäåðæàùèå ñèñòåìû. ×.1., Èâàíîâî: Èíñòèòóò õèìèè íåâîäíûõ ðàñòâîðîâÐÀÍ, 1988, 215 ñ.

7. Ãðåáåííèêîâ Ñ.Ô., Âíó÷êèí À.Â., Ñàøèíà Å.Ñ., Òåðìîäèíàìèêà ñìåøåíèÿ õèòîçàíà ñ ïîëè-âèíèëîâûì ñïèðòîì è ïîëèýòèëåíîêñèäîì, ÆÏÕ, 2010, Ò.83, ¹3, Ñ.1085-1091.

8. Ãàìçàçàäå À.È., Ñêëÿð À.Ì., Ïàâëîâà Ñ. À., Ðîãîæèí Ñ.Â., Î âÿçêîñòíûõ ñâîéñòâàõ ðàñòâîðîâõèòîçàíà, Âûñîêîìîë. ñîåä., 1981, Ò. 23, ¹3, Ñ. 594-597.

9. Ãåëëåð Á.Ý., Ãåëëåð À.À., ×èðòóëîâ Â.Ã., Ïðàêòè÷åñêîå ðóêîâîäñòâî ïî ôèçèêîõèìèè âîëîê-íîîáðàçóþùèõ ïîëèìåðîâ, Ì.: Õèìèÿ, 1996, 432ñ.

10. Íèêîëàåâ À.Ô., Îõðèìåíêî Ã.È., Âîäîðàñòâîðèìûå ïîëèìåðû, Ë: Õèìèÿ, 1979, 144 ñ.11. Ñîíèíà À.Í., Ìîðãóíîâ Ã.Ê, Âèõîðåâà Ã.À., Âëèÿíèå êîíöåíòðàöèè óêñóñíîé êèñëîòû íà

ðàñòâîðèìîñòü è ñâîéñòâà ðàñòâîðîâ õèòîçàíà, Òåç. äîêë. Ìåæä. Íàó÷íî-òåõíè÷. êîíô. «Ñîâðå-ìåííûå òåõíîëîãèè è îáîðóäîâàíèå òåêñòèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè» (Òåêñòèëü-2011), Ì.: ÔÃÁÎÓÂÏÎ ÌÃÒÓ èì. À.Í. Êîñûãèíà, 2011, Ñ. 119.

12. Óñïåíñêèé Ñ.À., Ïîëó÷åíèå õèòîçàíñîäåðæàùèõ íèòåé è èññëåäîâàíèå èõ ñâîéñòâ, Äèñ-ñåðòàöèÿ ê. õ. í. Ì.: ÌÃÒÓ èìåíè À. Í. Êîñûãèíà, 2011, 118 ñ.

13. Ôèëàòîâ Þ.Í., Ýëåêòðîôîðìîâàíèå âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ (ÝÔ ïðîöåññ). Ïîä ðåä.Â.Í. Êèðè÷åíêî, Ì.: «ÃÍÖ ÐÔ ÍÈÔÕÈ èì. Ë.ß. Êàðïîâà», 2001. 231 ñ.

14. Ñêëÿð À.Ì., Ãàìçàçàäå À.È., Ðîãîâèíà Ë.Ç., Òèòêîâ Ë.Â., Ïàâëîâà Ñ.À., Èññëåäîâàíèå ðåîëî-ãè÷åñêèõ ñâîéñòâ ðàçáàâëåííûõ è óìåðåííî - êîíöåíòðèðîâàííûõ ðàñòâîðîâ õèòîçàíà, Âûñîêî-ìîë. ñîåä., 1981, Ò.23, ¹6, Ñ.1396 1402.

15. Ìèðîíîâ À.Â., Âèõîðåâà Ã.À., Êèëüäååâà Í.Ð., Óñïåíñêèé Ñ.À., Ïðè÷èíû íåñòàáèëüíî-ñòè âÿçêîñòíûõ ñâîéñòâ óêñóñíîêèñëûõ ðàñòâîðîâ õèòîçàíà, Âûñîêîìîë. ñîåä., 2007, Ò. 49, ¹1,Ñ. 136 -138.

16. Ðîçåíáåðã Ì.Ý., Ïîëèìåðû íà îñíîâå âèíèëàöåòàòà, Ë: Õèìèÿ,1983, 176 ñ.17. Çîòêèí Ì.À., Âèõîðåâà Ã.À., Àãååâ Å.Ï., Ìàòóøêèíà Í.Í., Ãåðàñèìîâ Â. È., Îáîëîíêîâà Å.Ñ.,

Ðàçðàáîòêà áåçðåàãåíòíîãî ñïîñîáà ìîäèôèöèðîâàíèÿ õèòîçàíîâûõ ïëåíîê, Õèì. òåõíîë., 2004,¹ 9, Ñ. 15-19.

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõÑîíèíà Àíàñòàñèÿ Íèêîëàåâíà - àñïèðàíò êàôåäðû ÒÕÂèÍ, Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé

òåêñòèëüíûé óíèâåðñèòåò èì. À.Í. Êîñûãèíà, [email protected], 89096858110Ñèìàíåíêîâà Îëåñÿ Ìèõàéëîâíà - ñòóäåíò, Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåêñòèëüíûé óíè-

âåðñèòåò èì. À.Í. Êîñûãèíà, [email protected], 89092518814Âèõîðåâà Ãàëèíà Àëåêñàíäðîâíà - Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåêñòèëüíûé óíèâåðñèòåò

èì. À.Í. Êîñûãèíà, ïðîôåññîð êàôåäðû ÒÕÂèÍ, äîêòîð õèìè÷åñêèõ íàóê, [email protected],84959553324

Ãàëüáðàéõ Ëåîíèä Ñåìåíîâè÷ - Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåêñòèëüíûé óíèâåðñèòåò èì.À.Í. Êîñûãèíà, çàâåäóþùèé êàôåäðîé ÒÕÂèÍ, äîêòîð õèìè÷åñêèõ íàóê, [email protected].

51

¹ 22012


ÂËÈßÍÈÅ ÓÃËÅÐÎÄÍÛÕ ÍÀÍÎÒÐÓÁÎÊ È ÑÎËÅÉ ÌÅÒÀËËÎÂÂ ÍÀÍÎÔÎÐÌÅ ÍÀ ÑÒÐÓÊÒÓÐÓ ÝÏÎÊÑÈÄÍÎÉ ÌÀÒÐÈÖÛ

È ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÊÎÌÏÎÇÈÒÎÂ ÍÀ Å¨ ÎÑÍÎÂÅ(Ïîñòóïèëà 01.06.2012, ïðèíÿòà ê ïå÷àòè 03.06.2012)

À.Å.Óøàêîâ, Þ.Ã.Êëåíèí, Ò.Ã.Ñîðèíà, Ò.Â.Ïåíñêàÿ, Ê.Ã.Êðàâ÷åíêî

ÎÎÎ «ÍÒÈÖ ÀïÀÒýÊ-Äóáíà», ã. Äóáíà, Ìîñêîâñêàÿ îáë.

Èññëåäîâàíû ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå è ñòðóêòóðíûå õàðàêòåðèñòèêè êîìïîçèöèîííîãî ìàòåðèà-ëà è êëååâîé êîìïîçèöèè, ìîäèôèöèðîâàííûõ íàíîäîáàâêàìè.

Óñòàíîâëåíî, ÷òî ââåäåíèå óãëåðîäíûõ íàíîòðóáîê (ÓÍÒ) â êëååâóþ êîìïîçèöèþ ïðèâîäèò êèçìåëü÷åíèþ è óïëîòíåíèþ äèñïåðñíîé ôàçû ýïîêñèäíîé ìàòðèöû, ïîâûøåíèþ åå óäëèíåíèÿïðè ðàçðûâå íà 25 % è, êàê ñëåäñòâèå, ïîâûøåíèþ ïðî÷íîñòè êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ íà 16 % ïîñðàâíåíèþ ñ áàçîâîé ðåöåïòóðîé.

Ââåäåíèå ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå â êîìïîçèò íà îñíîâå ýïîêñèäíîé ìàòðèöû ñîïðîâîæ-äàåòñÿ ôîðìèðîâàíèåì íîâîé ñòðóêòóðíîé ôàçû è ïîâûøåíèåì èññëåäóåìûõ óïðóãî-ïðî÷íîñò-íûõ õàðàêòåðèñòèê: ïðî÷íîñòè ïðè ñæàòèè è ñäâèãå, à òàêæå òðåùèíîñòîéêîñòè ïðè ñæàòèè.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: ýïîêñèäíîå ñâÿçóþùåå, êëååâàÿ êîìïîçèöèÿ, íàíîäîáàâêè, óãëåðîäíûå íà-íîòðóáêè.

AN EFFECT OF CARBON NANOTUBES AND NANO-INCLUSIONSOF METAL SALTS ON THE STRUCTURE OF EPOXY MATRIX

AND PROPERTIES OF BASED COMPOSITES

À.Å.Ushakov, Y.G.Klenin, Ò.G.Sorina, Ò.V.Penskaya, Ê.G.Kravchenko

«STTC ApATeCh-Dubna», Dubna, Moscow Region.

Physical, mechanical and structural properties of a nanomodified composite material and adhesive compositionhave been studied.

The introduction of carbon nanotubes (CNT) into an adhesive composition results in size reduction andcompaction of the dispersed phase of the epoxy matrix, ultimate strain increases up to 25%. This yields anincrease in the strength of the adhesive joint by 16% as compared to the basic composition.

Introduction of metal salts as nanoinclusions into an epoxy matrix composite is accompanied by both formationof a new structural phase and enhancement elastic and strength properties under study: compression strength,shear strength and crack resistance under compression.

Keywords: epoxy resin, adhesive composition, nanoadditives, CNT.

1. Ââåäåíèå

Öåëüþ èññëåäîâàíèé, ðåçóëüòàòû êîòîðûõ ïðåäñòàâëåíû â íàñòîÿùåé ðàáîòå, ÿâëÿëàñü îöåíêàýôôåêòèâíîñòè âëèÿíèÿ íàíîäîáàâîê ðàçëè÷íîé õèìè÷åñêîé ïðèðîäû íà ïðîöåññû ôîðìèðîâà-íèÿ ñòðóêòóðû ýïîêñèäíûõ ìàòðèö è èçìåíÿåìîñòü ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êîìïîçè-

52

¹ 22012


öèîííûõ ìàòåðèàëîâ íà èõ îñíîâå. Ïðåäñòàâëÿëî èíòåðåñ âûÿâèòü îñîáåííîñòè ðåàëèçàöèèñâîéñòâ êîìïîíåíòîâ â íàíîôîðìå, îïðåäåëèòü âîçìîæíûå îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ è ïîëó÷èòüïðàêòè÷åñêèå ðåçóëüòàòû, íåäîñòèæèìûå ïðè èñïîëüçîâàíèè òðàäèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðèíè-ìàÿ âî âíèìàíèå ðàçìåðû íàíîîáúåêòîâ è èõ âûñîêóþ óäåëüíóþ ïîâåðõíîñòü, ñîïðÿæåííûå ñýòèì òåõíîëîãè÷åñêèå òðóäíîñòè ââåäåíèÿ â ñîñòàâ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, íåîáõîäèìîñòüñîçäàíèÿ íà ìåñòå èñïîëüçîâàíèÿ æåñòêèõ ìåð ïî òåõíèêå áåçîïàñíîñòè, â ðàìêàõ ïðîâåäåííîéðàáîòû ñîâìåñòíî ñ ïðîèçâîäèòåëÿìè ïðîäóêòîâ â íàíîôîðìå ðåøàëàñü çàäà÷à èñïîëüçîâàíèÿ êîí-öåíòðàòîâ ñìîë, íàïîëíåííûõ íàíîêîìïîíåíòàìè.

2. Îáúåêòû èññëåäîâàíèé

Îáúåêòàìè èññëåäîâàíèÿ ñëóæèëè: ñåðèéíî âûïóñêàåìîå ýïîêñèäíîå ñâÿçóþùåå «ÀïÀÒýÊÊÏÐ-150», ïðåäíàçíà÷åííîå äëÿ èçãîòîâëåíèÿ äîëãîæèâóùèõ ïðåïðåãîâ íà îñíîâå ñòåêëÿí-íûõ è óãëåðîäíûõ âîëîêîí, è ýïîêñèäíàÿ êëååâàÿ êîìïîçèöèÿ «Sikadur 330» [1] õîëîäíîãî ñïî-ñîáà îòâåðæäåíèÿ, èñïîëüçóåìàÿ äëÿ ñêëåéêè ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèé èç êîìïîçèöèîííûõ ìà-òåðèàëîâ. Â êà÷åñòâå íàíîêîìïîíåíòîâ äëÿ ìîäèôèêàöèè áûëè âûáðàíû ñîëè ìåòàëëîâ â íà-íîôîðìå è ìíîãîñëîéíûå (6-8 ñëîåâ) óãëåðîäíûå íàíîòðóáêè (ÓÍÒ) «Òàóíèò» [2], ìèêðîôî-òîãðàôèè êîòîðûõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 1 è ðèñ. 2.

Îñíîâàíèåì äëÿ âûáîðà ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå ïîñëóæèëà èõ äîñòóïíîñòü â íàñòîÿùååâðåìÿ äëÿ ïîñëåäóþùåãî ñåðèéíîãî èñïîëüçîâàíèÿ.

Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè è óäëèíåíèÿ îáðàçöîâ ýïîêñèäíîé ìàòðèöûïðè ðàñòÿæåíèè îò ñîäåðæàíèÿ â íèõ íàíîòðóáîê è ìèêðîñòðóêòóðà ïîëèìåðíîé ìàòðèöû äîè ïîñëå ââåäåíèÿ ÓÍÒ.

Ðèñ. 1 ×àñòèöû ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå

Particles of metal salts

53

¹ 22012


Â ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé óñòàíîâëåíî, ÷òî ââåäåíèåÓÍÒ â ìàòðèöó ñîïðîâîæäàåòñÿ èçìåëü÷åíèåì ñòðóêòóðû, ïîâûøåíèåì êîíöåíòðàöèè äèñ-ïåðñíîé ôàçû (ðèñ. 4), ÷òî ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ ïðî÷íîñòè è óäëèíåíèÿ ýïîêñèäíîé ìàò-ðèöû ïðè ðàñòÿæåíèè.

Äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé èñïîëüçîâàëèñü íàíîêîìïîíåíòû â âèäåïàñò íà îñíîâå ýïîêñèäèàíîâîé ñìîëû, â êîòîðûõ ñîäåðæàíèå íàíîòðóáîê ñîñòàâëÿëî îêîëî 5 %,à ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå 50 %. Â ïðîöåññå âûïîëíåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðàáîò ïîä-

Ðèñ. 2. Óãëåðîäíûå òðóáêè «Òàóíèò»

Carbon nanotubes «Taunit»

Ðèñ. 3. Êðèâûå äåôîðìèðîâàíèÿ ýïîêñèäíîé ìàòðèöû ñ ðàçëè÷íûì ñîäåðæàíèåì ÓÍÒ

Stress/strain curves of the epoxy matrix with various content of carbon nanotubes

54

¹ 22012


òâåðæäåíà öåëåñîîáðàçíîñòü è óäîáñòâî èñïîëüçîâàíèÿ êîíöåíòðàòîâ ñ íàíîäîáàâêàìè, âîçìîæ-íîñòü äîâåäåíèÿ èõ äî òðåáóåìîé ðàáî÷åé êîíöåíòðàöèè ðàçáàâëåíèåì áàçîâîé ñìîëîé ñ îäíîâðå-ìåííûì ìåõàíè÷åñêèì ïåðåìåøèâàíèåì è ïîëó÷åíèåì ïðè ýòîì óñòîé÷èâûõ ñóñïåíçèé ñ çàäàííûìñîäåðæàíèåì íàíîêîìïîíåíòîâ ïðè ñîáëþäåíèè ñòàíäàðòíûõ ìåð ïî òåõíèêå áåçîïàñíîñòè.

Îáðàçöû ñòåêëîïëàñòèêà íà îñíîâå òêàíè Ò10/14 èçãîòàâëèâàëèñü äâóõ òèïîâ. Ïåðâûé òèï îáðàç-öîâ ïîëó÷àëè âûêëàäêîé ïðåïðåãà, ïðîïèòàííîãî ñåðèéíûì ñâÿçóþùèìè «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150», ñïîñëåäóþùèì ôîðìîâàíèåì ïðè óäåëüíîì äàâëåíèè 6 àòì. è òåìïåðàòóðå 175 °Ñ - 2 ÷àñà. Âòîðîéòèï îáðàçöîâ ïîëó÷àëè ïîñëîéíîé âûêëàäêîé ïðåïðåãà, ïðîïèòàííîãî ñâÿçóþùèì «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150», ìîäèôèöèðîâàííûì ïóòåì ââåäåíèÿ ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå, ñ ïîñëåäóþùèì ôîðìîâà-íèåì ïî òåì æå ðåæèìàì, ÷òî è îáðàçöû ïåðâîãî òèïà. Èñïûòàíèÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõõàðàêòåðèñòèê ïðîâîäèëèñü íà ñòàíäàðòíûõ îáðàçöàõ, âûðåçàííûõ èç ïëèò â íàïðàâëåíèè îñíîâû,ñîãëàñíî ïðîöåäóðàì, ïî ÃÎÑÒ 4651 [3], ÎÑÒ 1 90199 [4] è ÐÒÌ 1.2.129-98 [5].

3. Ðåçóëüòàòû

Â ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé ïîäòâåðæäåíà ýôôåêòèâíîñòü ìîäèôèêàöèè ñâÿçóþ-ùåãî «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150» ñîëÿìè ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå, êîòîðàÿ ðåàëèçóåòñÿ â ïîâûøåíèè ôèçè-êî-ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñòåêëîïëàñòèêà íà åãî îñíîâå, â ÷àñòíîñòè: ïîâûøåíèÿ ïðåäåëàïðî÷íîñòè ïðè ñäâèãå τ

â íà 22,7 %, ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ïðè ñæàòèè σ

âñæ íà 17,2 % è òðåùèíîñòîé-

êîñòè Ê-1ñ

ïðè ñæàòèè íà 15,6 % (ðèñ. 5).Ââåäåíèå ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå îáåñïå÷èâàåò ôîðìèðîâàíèå íîâîé ñòðóêòóðíîé íàíî-

ôàçû â âèäå «ðîñòêîâ» öèëèíäðè÷åñêîé ôîðìû â ïîëèìåðíîé ìàòðèöå (ðèñ. 6) êîòîðîå, î÷åâèäíî,îïðåäåëèëî ïîâûøåíèå ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ÏÊÌ, çàâèñÿùèõ îò ñâîéñòâ ïîëèìåðíîéìàòðèöû: ïðî÷íîñòè ïðè ñäâèãå, ïðî÷íîñòè è òðåùèíîñòîéêîñòè ïðè ñæàòèè.

Â ðåçóëüòàòå ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ ïðî÷íîñòè êëååâûõ ñîåäèíåíèé óñòàíîâëåíïîëîæèòåëüíûé ýôôåêò ïðè ââåäåíèè ÓÍÒ â ýïîêñèäíóþ êëååâóþ êîìïîçèöèþ «Sikadur 330»(ðèñ. 8), êîòîðûé ðåàëèçîâàëñÿ â ïîâûøåíèè äåôîðìàöèè ðàçðóøåíèÿ êëååâîãî øâà íà 34 % ïðèèñïûòàíèè íà ðàâíîìåðíûé ñäâèã êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ îáðàçöîâ (ðèñ. 7). Ýòî â ñâîþ î÷åðåäüñïîñîáñòâîâàëî óâåëè÷åíèþ ïðî÷íîñòè êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ ïðè ðàñòÿæåíèè íà 16 %.

Ðèñ. 4. Ìèêðîñòðóêòóðà ýïîêñèäíîé ìàòðèöû

Microstructure of the epoxy matrix

55

¹ 22012


Ðèñ. 5. Ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ñæàòèè (à), ïðî÷íîñòè ïðè ñäâèãå (á) è òðåùèíîñòîéêîñòè ïðè ñæàòèè (â)ñòåêëîïëàñòèêà íà îñíîâå ñåðèéíîãî ñâÿçóþùåãî «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150» (ðåöåïòóðà 1) è ñâÿçóþùåãî «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150», ìîäèôèöèðîâàííîãî ñîëÿìè ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå (ðåöåïòóðà 2)

Ultimate compression strength (à), shear strength (b) and crack resistance under compression (c) of the GFRP based ona commercial resin «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150» (composition 1) and resin «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150» modified with metal salts inthe nanoform (composition 2)

56

¹ 22012


Ðèñ. 6 Ïîâåðõíîñòü ðàçðóøåíèÿ îáðàçöîâ èç ýïîêñèäíîãî ñâÿçóþùåãî «ÀïÀÒýÊ ÊÏÐ-150», ìîäèôèöèðîâàííîãîñîëÿìè ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå

Fracture surface of specimens made of epoxy resin «ÀïÀÒýÊ-ÊÏÐ-150» modified with nanopartucules of metal salts

Ðèñ. 7 Ñõåìà îáðàçöà êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ

A specimen of the adhesive joint

Ðèñ. 8. Ïîâåðõíîñòü êîãåçèîííîãî ðàçðóøåíèÿ êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ íà îñíîâå êëååâîé êîìïîçèöèè «Sikadur330», ìîäèôèöèðîâàííîé ÓÍÒ «Òàóíèò»

Fracture surface (cohesive) of the adhesive joint based on «Sikadur 330» adhesive composition modified with «Taunit»carbon nanotubes

57

¹ 22012


Ïðîäîëüíàÿ ïðî÷íîñòü áåñêîíå÷íîé íàõëåñòêè ïî Hart-Smith ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà êîðíþêâàäðàòíîìó èç ðàáîòû [6, 7]. Èñõîäÿ èç òîãî, ÷òî çíà÷åíèÿ ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ïðè ñäâèãå íàõîäÿò-ñÿ ïðàêòè÷åñêè íà îäíîì óðîâíå (36,2 è 35,8 ÌÏà), à àáñîëþòíûå äåôîðìàöèè ðàçðóøåíèÿ ó øâîâñ ÓÍÒ â 1,346 (171/127) áîëüøå, òî äîñòèãíóòûé ýôôåêò ïî ïîâûøåíèþ ïðîäîëüíîé ïðî÷íîñòèêëååâîãî øâà ñîñòàâëÿåò 1,16.

Îáðàçöû Õàðàêòåðèñòèêè Ðàçìåðíîñòü Ñðåäíÿÿ

âåëè÷èíà Èçìåíåíèå

Èñõîäíàÿ êëååâàÿ êîìïîçèöèÿ

Ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ðàâíîìåðíîì ñäâèãå

ÌÏà 35,8

+4,3 % Êëååâàÿ êîìïîçèöèÿ,

ìîäèôèöèðîâàííàÿ ÓÍÒ

Ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè

ðàâíîìåðíîì ñäâèãå ÌÏà 36,2

Èñõîäíàÿ êëååâàÿ

êîìïîçèöèÿ Äåôîðìàöèÿ ðàçðóøåíèÿ ìêì 127

+35,8 % Êëååâàÿ êîìïîçèöèÿ,

ìîäèôèöèðîâàííàÿ

ÓÍÒ

Äåôîðìàöèÿ ðàçðóøåíèÿ ìêì 171

ÒàáëèöàÐåçóëüòàòû èñïûòàíèé êëååâûõ ñîåäèíåíèé

4. Âûâîäû

1. Ïîêàçàíî, ÷òî ââåäåíèå è õîðîøåå ðàñïðåäåëåíèå ÓÍÒ â ìàòðèöå ïðèâîäèò ê èçìåëü÷åíèþè óïëîòíåíèþ äèñïåðñíîé ôàçû ýïîêñèäíîé ìàòðèöû è ïîâûøåíèþ óäëèíåíèÿ ïðè ðàçðûâå íà25 % ïî ñðàâíåíèþ ñ èñõîäíîé (ðèñ. 3).

2. Ââåäåíèå ñîëåé ìåòàëëîâ â íàíîôîðìå â ýïîêñèäíóþ ìàòðèöó ñîïðîâîæäàåòñÿ ôîðìèðîâà-íèåì íîâîé ñòðóêòóðíîé íàíîôàçû è ïîâûøåíèåì èññëåäóåìûõ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê, â÷àñòíîñòè ïîâûøåíèþ ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ïðè ñäâèãå íà 22,7 %, ïðåäåëà ïðî÷íîñòè ïðè ñæàòèèíà 17,4 % è òðåùèíîñòîéêîñòè ïðè ñæàòèè íà 17,1 %.

3. Ýôôåêò ïîâûøåíèÿ ïðåäåëüíîãî óäëèíåíèÿ ýïîêñèäíîé ìàòðèöû ïðè ââåäåíèè ÓÍÒ ðåàëèçî-âàí â ïîâûøåíèè äåôîðìàöèè ïðè ðàçðûâå êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ áîëåå, ÷åì íà 35%, ÷òî ñïîñîá-ñòâóåò ïîâûøåíèþ ïðî÷íîñòè êëååâîãî ñîåäèíåíèÿ íà 16 % ïî ñðàâíåíèþ ñ áàçîâîé ðåöåïòóðîé.

Áèáëèîãðàôè÷åñêèé ñïèñîê1. Òåõíè÷åñêîå îïèñàíèå ìàòåðèàëà Sikadur®-330. Ññûëêà â èíòåðíåòå: http://sika.ru/uploads/

Products/product_128/Sikadur-330.pdf.2. Ëåóñ Ç.Ã., Òêà÷åâ À.Ã., Áëîõèí À.Í., Êîëåñíèêîâà Í.À., Èñïîëüçîâàíèå óãëåðîäíûõ íàíîòðó-

áîê ñåðèè «Òàóíèò» â ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëàõ, 19-ÿ Ìåæäóíàðîäíàÿ íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ êîíôåðåíöèÿ. Êîíñòðóêöèè è òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ èçäåëèé èç íåìåòàëëè÷åñêèõìàòåðèàëîâ. Îáíèíñê, 2010, Ñ.52.

3. ÃÎÑÒ 4651 Ïëàñòìàññû. Ìåòîä èñïûòàíèÿ íà ñæàòèå.4. ÎÑÒ 1 90199 Ìàòåðèàëû ïîëèìåðíûå êîìïîçèöèîííûå. Ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ïðî÷íîñòè ïðè

ñäâèãå ïóòåì èñïûòàíèÿ íà èçãèá.

58

¹ 22012


5. ÐÒÌ 1.2.129-98 Ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ òðåùèíîñòîéêîñòè ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèîííûõ ìà-òåðèàëîâ ñ ó÷åòîì çîíû ðàñòðåñêèâàíèÿ (ÖÀÃÈ).

6. Hart-Smith L.J. in Adhesion Science and Engineering (Íàóêà î ñêëåèâàíèè è ìàøèíîñòðîåíèå) 1: The Mecanisms of Adhesion, Dillard D.A., Pocius A.V. eds., Elsevier, Amsterdam, 2002.

Hart-Smith L.J., Adhesive bonding of aircraft primary structures , SAE Techn. Pap. Ser., 1980, ¹ 801209, 15 p.

Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõÓøàêîâ À.Å.: ä-ð òåõí. íàóê, ïðîô., Ãåíåðàëüíûé äèðåêòîð ÎÎÎ «ÍÒÈÖ ÀïÀÒýÊ-Äóáíà», ã.

Äóáíà, Ìîñêîâñêàÿ îáë., [email protected], +7 (499) 261-70-76;Êëåíèí Þ.Ã.: Óïðàâëÿþùèé äèðåêòîð ÎÎÎ «ÍÒÈÖ ÀïÀÒýÊ-Äóáíà», ã. Äóáíà, Ìîñêîâñêàÿ

îáë., [email protected], +7 (495) 221-31-34;Ñîðèíà Ò.Ã.1 êàíä. òåõí. íàóê, Ãëàâíûé ñïåöèàëèñò, ÎÎÎ «ÍÒÈÖ ÀïÀÒýÊ-Äóáíà», ã. Äóáíà,

Ìîñêîâñêàÿ îáë., [email protected], +7 (916) 205-67-23;Ïåíñêàÿ Ò.Â.: Çàì. Ãåíåðàëüíîãî äèðåêòîðà ÎÎÎ «ÍÒÈÖ ÀïÀÒýÊ-Äóáíà», ã. Äóáíà, Ìîñêîâñ-

êàÿ îáë., [email protected], +7 (495) 221-31-34;Êðàâ÷åíêî Ê.Ã.: èíæåíåð-òåõíîëîã, ÎÎÎ «ÍÒÈÖ ÀïÀÒýÊ-Äóáíà», ã. Äóáíà, Ìîñêîâñêàÿ îáë.,

[email protected], +7 (495) 221-31-34.

1Êîíòàêòíîå ëèöî

59

¹ 22012


ÑÏÎÑÎÁ ÏÎËÓ×ÅÍÈß ÍÀÍÎÏÎÐÎØÊÎÂ ÑÎÅÄÈÍÅÍÈÉÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÎÊÑÈÄÎÂ ÒÈÒÀÍÀ, ÑÂÈÍÖÀ È ÖÈÐÊÎÍÈß

Ñîêîëîâà Í.Ï., Òèòîâ À.À., Ëàïøèíà È.Å., Âèëÿíñêèé À.Ì.

ÎÀÎ «Ãîñóäàðñòâåííûé íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è ïðîåêòíûé èíñòèòóò ðåäêîìåòàëëè÷åñêîéïðîìûøëåííîñòè «ÃÈÐÅÄÌÅÒ»

Èçîáðåòåíèå îòíîñèòñÿ ê õèìè÷åñêîé òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ íàíîïîðîøêîâ êîìïîçèöèîí-íûõ ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå îêñèäîâ ñâèíöà, òèòàíà è öèðêîíèÿ, èñïîëüçóåìûõ äëÿ ïîëó÷åíèÿêåðàìèêè ñî ñïåöèàëüíûìè ñâîéñòâàìè.

METHOD OF PRODUCING NANOPOWDERS OF COMPOUNDSBASED ON TITANIUM, LEAD AND ZIRCONIUM OXIDES

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: method can be used in chemical industry to produce nanopowders of composite materials

based on lead, titanium and zirconium oxides for making ceramics with special properties. A solution of oxalicacid and titanium dioxide in form of finely dispersed powder are added to an alcohol solution of the initial mixtureof salts of separate components to obtain a mixture of oxalates of the separate components which is then subjectedto thermal synthesis. The synthesis process is carried out in two steps at temperature of 320-370°C at the firststep, and not above 780°C at the second step, with heating rate of 5-12 degrees/minute with maintenance of thegiven temperature at each step and cooling the reaction mass after each step in the same reaction volume. Themethod allows for obtaining powder of compounds based on titanium, lead and zirconium oxides with a 100%perovskite structure and coarseness of 5.5-6.5nm.

EFFECT: reduced energy consumption of the process and simplification of the process flow diagram, excludingpreliminary grinding of initial separate oxides.

Òåõíè÷åñêèì ðåçóëüòàòîì èçîáðåòåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ïîëó÷åíèå íàíîäèñïåðñíûõ ïîðîøêîâ ñîåäèíåíèéíà îñíîâå îêñèäîâ òèòàíà, ñâèíöà, öèðêîíèÿ â èíòåðâàëå êðóïíîñòè 5,0-50íì ñî ñòðóêòóðîé ïåðîâñ-êèòà, óïðîùåíèå òåõíîëîãèè, ñîêðàùåíèå ïðîäîëæèòåëüíîñòè ïðîöåññà, ñîêðàùåíèå ýíåðãîçàòðàò.

Ñóùíîñòü ñïîñîáà çàêëþ÷àåòñÿ â íîâîé ñîâîêóïíîñòè îïåðàöèé, íîâûõ ïðè¸ìàõ ïîëó÷åíèÿèíäèâèäóàëüíûõ ñîåäèíåíèé êîìïîíåíòîâ, íîâûõ ïàðàìåòðàõ òåðìè÷åñêîãî ñèíòåçà ïîëó÷àåìûõïîðîøêîâ êîìïîçèöèîííûõ ñîåäèíåíèé.

Ñóùåñòâåííûì îòëè÷èòåëüíûì ïðèçíàêîì ÿâëÿåòñÿ íîâûé ïðè¸ì ïîëó÷åíèÿ îêñàëàòîâ èíäè-âèäóàëüíûõ êîìïîíåíòîâ, êîòîðûé ïðåäóñìàòðèâàåò îñàæäåíèå îêñàëàòîâ èç ðàñòâîðèìûõ ñîëåéèíäèâèäóàëüíûõ êîìïîíåíòîâ ïðè ââåäåíèè îäíîãî èç êîìïîíåíòîâ ïîëó÷àåìîé êîìïîçèöèè, àèìåííî äèîêñèäà òèòàíà, â âèäå ïîðîøêà êðóïíîñòüþ 5-12íì. Ðåàêöèÿ îáðàçîâàíèÿ îêñàëàòîâïðè ââåäåíèè òâ¸ðäîãî íàíîäèñïåðñíîãî äèîêñèäà òèòàíà ïðèâîäèò ê ïîëó÷åíèþ îñàäêà èíäèâè-äóàëüíûõ îêñàëàòîâ, ñòðóêòóðà êîòîðûõ ïðè ïîñëåäóþùåì òåðìè÷åñêîì ðàçëîæåíèè îáåñïå÷èâàåòñèíòåç êîìïîçèöèîííîãî ñîåäèíåíèÿ íà îñíîâå îêñèäîâ âñåõ âõîäÿùèõ â íåãî êîìïîíåíòîâ ñî100% ñòðóêòóðîé ïåðîâñêèòà â âèäå ïîðîøêà ñ óëüòðàäèñïåðñíûì ðàçìåðîì ÷àñòèö.

Îïðåäåëÿþùèìè ôàêòîðàìè ïîëó÷åíèÿ òàêîãî óëüòðàäèñïåðñíîãî ìàòåðèàëà, ïîìèìî íîâîãîïðè¸ìà ïîëó÷åíèÿ îêñàëàòîâ, ÿâëÿþòñÿ ïðîâåäåíèå òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè â äâå ñòàäèè ñ ïîâû-øåíèåì òåìïåðàòóðû íà êàæäîé ñòàäèè â çàÿâëåííîì èíòåðâàëå ñêîðîñòåé íàãðåâà.

60

¹ 22012


Êðîìå òîãî, äîïîëíèòåëüíûå ïðèçíàêè â âèäå îïðåäåë¸ííûõ òåìïåðàòóðíûõ ïàðàìåòðîâ íàêàæäîé ñòàäèè òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè, óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè íàãðåâà è âðåìÿ âûäåðæêè ñòàáèëè-çèðóþò ïîëó÷åíèå íàíîïîðîøêîâ òðåáóåìîé êðóïíîñòè 5,0-50íì ñî 100% ñòðóêòóðîé ïåðîâñêèòàâ çàâèñèìîñòè îò êîíêðåòíûõ ñîñòàâîâ êîìïîíåíòîâ.

Îáîñíîâàíèå ïàðàìåòðîâÏðîâåäåíèå òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè â äâå ñòàäèè â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð 320-780°Ñ è ïðè

ñêîðîñòè íàãðåâà 5,0-12 ãðàä/ìèí ôîðìèðóåò ñòðóêòóðó ïåðîâñêèòà â ïîëó÷åííîé êîìïîçèöèè èïîçâîëÿåò èñêëþ÷èòü îáðàçîâàíèå ÷àñòèö ïîðîøêà êðóïíîñòüþ áîëåå 50íì.

Ïðè ïðîâåäåíèè ïðîöåññà òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè íà ïåðâîé ñòàäèè ïðè òåìïåðàòóðå íèæå320 °Ñ è ñêîðîñòè íàãðåâà ìåíåå 5ãðàä/ìèí íå ãàðàíòèðóåòñÿ îáðàçîâàíèå ñòðóêòóðû ïåðîâñêèòà ñâûõîäîì ôàçû ïåðîâñêèòà 100%.

Ïðîâåäåíèå ïðîöåññà òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè íà ïåðâîé ñòàäèè ïðè òåìïåðàòóðå âûøå 370 °Ñíå ãàðàíòèðóåò îáðàçîâàíèå ñòðóêòóðû ïåðîâñêèòà ñ âûõîäîì ôàçû ïåðîâñêèòà 100%.

Ïðè ïðîâåäåíèè ïðîöåññà òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè ïðè òåìïåðàòóðå íà âòîðîé ñòàäèè âûøå780°Ñ è ïðè ñêîðîñòè íàãðåâà âûøå 12 ãðàä/ìèí âîçìîæíî óêðóïíåíèå ïîëó÷àåìîãî ïîðîøêà èîáðàçîâàíèå ÷àñòèö êðóïíîñòüþ áîëåå 50íì.

Âðåìÿ âûäåðæêè ðåàêöèîííîé ìàññû ïðè îñóùåñòâëåíèè òåðìîîáðàáîòêè òàêæå âëèÿåò íàñòðóêòóðó è äèñïåðñíîñòü ïîëó÷àåìîãî ïîðîøêà. Âðåìÿ âûäåðæêè íà ïåðâîé ñòàäèè ïðîöåññàíåñêîëüêî áîëüøå, ÷åì íà âòîðîé ñòàäèè. Ýòî ñâÿçàíî ñ äîñòèæåíèåì íàèáîëåå áëàãîïðèÿò-íûõ óñëîâèé îáðàçîâàíèÿ ñòðóêòóðû ïåðîâñêèòà è òðåáóåìîé äèñïåðñíîñòè.

Ïðè óâåëè÷åíèè âðåìåíè âûäåðæêè íà ëþáîé èç ñòàäèé áîëåå çàÿâëåííîãî çíà÷åíèÿ âîçìîæíîóêðóïíåíèå ïîðîøêà, à óìåíüøåíèå âðåìåíè ìîæåò îòðèöàòåëüíî ñêàçàòüñÿ íà ñòðóêòóðå ìàòåðè-àëà è ïðèâåñòè ê ñíèæåíèþ âûõîäà ôàçû ïåðîâñêèòà.

Ðàçìåð ÷àñòèö ïîðîøêà äèîêñèäà òèòàíà (5-12íì), êîòîðûé ââîäÿò â èñõîäíûé ðàñòâîð, íàè-ëó÷øèì îáðàçîì âëèÿåò íà ñòðóêòóðó îñàäêà è ïîñëåäóþùåå ôîðìèðîâàíèå óëüòðàäèñïåðñíîãîïîðîøêà, ïîëó÷àåìîãî ïðè òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêå îñàäêà â çàÿâëåííîì ðåæèìå.

Èçîáðåòåíèå ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ñëåäóþùèé ïîëîæèòåëüíûé ýôôåêò.1. Ïîëó÷èòü ïîðîøêè ñîåäèíåíèé íà îñíîâå îêñèäîâ òèòàíà, ñâèíöà, öèðêîíèÿ ñî 100% ñòðóê-

òóðîé ïåðîâñêèòà è êðóïíîñòüþ 5,5-6,5íì.2. Ñíèçèòü ýíåðãî¸ìêîñòü ïðîöåññà.3. Óïðîñòèòü òåõíîëîãè÷åñêóþ ñõåìó ïðîöåññà, èñêëþ÷èâ îïåðàöèè ïðåäâàðèòåëüíîãî èçìåëü-

÷åíèÿ èñõîäíûõ èíäèâèäóàëüíûõ îêñèäîâ.

Ïàòåíò ÐÔ 2379259

ÑÏÎÑÎÁ ÏÎËÓ×ÅÍÈß ÎÑÀÆÄÅÍÍÛÕ ÍÀ ÍÎÑÈÒÅËÅ ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖÌÅÒÀËËÀ ÈËÈ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÀ

Êàðïîâ Ä.À., Ëèòóíîâñêèé Â.Í.

ÔÃÓÏ «Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò ýëåêòðîôèçè÷åñêîé àïïàðàòóðû èì. Ä.Â. Åôðåìîâà»

Èçîáðåòåíèå îòíîñèòñÿ ê îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèé, â ÷àñòíîñòè ê òåõíîëîãèÿì ïîëó÷å-íèÿ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ è èõ íàíåñåíèÿ íà ðàçëè÷íûå íîñèòåëè (ïîäëîæêè,ñóáñòðàòû).

61

¹ 22012


METHOD FOR PRODUCTION OF METAL OR SEMICONDUCTORNANOPARTICLES DEPOSITED ON CARRIER

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention is related to methods for production of nanoparticles and may be used in processes

of application of highly efficient catalytic nanocoatings. Method includes melting and dispersion of melt material,supply of produced liquid drops of this material in plasma, cooling of liquid nanoparticles formed in plasma tillthey harden, and depositing of produced hard nanoparticles onto carrier. At the same time values of plasmaparametres are selected based on the following ratios:

- where T e is electronic temperature of plasma, eV, ne is electronic density of plasma, m-3, ? is coefficient ofsurface tension of dispersed melt material, n/m, R and r - maximum and minimum values of liquid drops radius, m;L is specific size of plasma, m.

EFFECT: possibility to use independent ratios for selection of plasma parametres and accounting of dispersedmaterial properties, increased efficiency of nanoparticles production process.

Çàäà÷åé çàÿâëÿåìîãî èçîáðåòåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ íàíî÷àñòèö ïóò¸ì ýëåê-òðîäèñïåðãèðîâàíèÿ æèäêèõ ìàêðîêàïåëü â ïëàçìå, â êîòîðîì çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû ýëåêòðî-íîâ è èõ ïëîòíîñòè â âûøåóïîìÿíóòîé ïëàçìå îïðåäåëÿþòñÿ èç íåçàâèñèìûõ ñîîòíîøåíèé, ó÷è-òûâàþùèõ ñâîéñòâà äèñïåðãèðóåìîãî ìàòåðèàëà, âûïîëíåíèå êîòîðûõ îáåñïå÷èâàåò äîñòèæå-íèå êàïëÿìè çàðÿäà âûøå êðèòè÷åñêèõ çíà÷åíèé ðàçâèòèÿ Ðýëååâñêîé íåóñòîé÷èâîñòè, ïðèâîäÿ-ùåé ê êàñêàäíîìó äåëåíèþ è íàíîñòðóêòóðèðîâàíèþ æèäêèõ êàïåëü â âûøåóïîìÿíóòîé ïëàçìå, àòàêæå îáëàäàþùåãî áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè ïðîèçâîäèòåëüíîñòè è ðåñóðñà ðàáîòû ïðåäëîæåí-íîãî óñòðîéñòâà äëÿ ðåàëèçàöèè çàÿâëÿåìîãî ñïîñîáà.

Ñóùíîñòü èçîáðåòåíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â ñïîñîáå ïîëó÷åíèÿ îñàæä¸ííûõ íà íîñèòåëå íàíî÷àñòèö,âêëþ÷àþùåì ðàñïëàâëåíèå è äèñïåðãèðîâàíèå ðàñïëàâëåííîãî ìàòåðèàëà, ïîñòóïëåíèå æèäêèõêàïåëü ýòîãî ìàòåðèàëà â ïëàçìó, îõëàæäåíèå æèäêèõ íàíî÷àñòèö, ôîðìèðóåìûõ â óêàçàííîé ïëàç-

62

¹ 22012


ìå, äî èõ çàòâåðäåâàíèÿ è îñàæäåíèå òâ¸ðäûõ íàíî÷àñòèö íà íîñèòåëü. Â ýòîì ñïîñîáå çíà÷åíèÿýëåêòðîííîé òåìïåðàòóðû è ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè ïëàçìû âûáèðàþò èç íåçàâèñèìûõ ñîîòíî-øåíèé, ó÷èòûâàþùèõ ñâîéñòâà äèñïåðãèðóåìîãî ìàòåðèàëà.

Â ÷àñòíûõ ñëó÷àÿõ ðåàëèçàöèè ñïîñîáà äèñïåðãèðîâàíèå æèäêîãî ìàòåðèàëà, îõëàæäåíèå æèä-êèõ íàíî÷àñòèö äî èõ çàòâåðäåâàíèÿ ïðîèñõîäèò â ïëàçìå êàòîäíûõ ïÿòåí âàêóóìíîãî (ð10-1Ïà)ýëåêòðîäóãîâîãî ðàçðÿäà ïðè íàïðÿæåíèè íå ìåíåå 10Â è ðàçðÿäíîì òîêå ìåæäó êàòîäîì è àíî-äîì íå ìåíåå 10À, ïðè ýòîì òåìïåðàòóðó êàòîäíîãî ýëåêòðîäà ìîæíî óñòàíàâëèâàòü âûøå òåì-ïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ ìàòåðèàëà êàòîäà.

Óñòðîéñòâî ïëàçìåííîãî ýëåêòðîäèñïåðãèðîâàíèÿ âêëþ÷àåò âàêóóìíûé ýëåêòðîäóãîâîé èñòî÷-íèê ïëàçìû ñ êàòîäîì 1 è àíîäîì 2, ñîåäèí¸ííûìè ñ èñòî÷íèêîì ïîñòîÿííîãî (ëèáî èìïóëüñíî-ãî) íàïðÿæåíèÿ 3, ñîëåíîèä 4, ñïîñîáíûé ñîçäàâàòü ìàãíèòíîå ïîëå â çîíå êàòîäà, âàêóóìíóþêàìåðó 5 ñ îñòàòî÷íûì äàâëåíèåì ìåíåå 10-1Ïà, â êîòîðîé ðàçìåùåí íîñèòåëü 6 íà èçîëèðóþùåéïîäñòàâêå 7, íà êîòîðûé íàïðàâëÿåòñÿ ïîòîê òâ¸ðäûõ íàíî÷àñòèö 8.

Ñïîñîá îñóùåñòâëÿþò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïîñëå âàêóóìèðîâàíèÿ êàìåðû 5 ê êàòîäó 1 è àíîäó2 ýëåêòðîäóãîâîãî èñòî÷íèêà ïëàçìû ïîäêëþ÷àþò èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ 3 ñ âåëè÷è-íîé ïîñëåäíåãî íå ìåíåå 10Â (â çàâèñèìîñòè îò ìàòåðèàëà êàòîäà è îñòàòî÷íîãî äàâëåíèÿ â êàìå-ðå), ïðè ýòîì ðàçðÿäíûé òîê ìåæäó êàòîäîì 1 è àíîäîì 2 óñòàíàâëèâàþò íå ìåíåå 10À. Ðàñïëàâëå-íèå ìàòåðèàëà è åãî äèñïåðãèðîâàíèå â ìàêðîêàïëè ïðîèñõîäèò â êðàòåðå êàòîäíîãî ïÿòíà. Ïîëó-÷åííûå êàïëè ïîñòóïàþò â ïëîòíóþ ýðîçèîííóþ ïëàçìó êàòîäíîãî ïÿòíà ñ ïàðàìåòðàìè, óäîâëåò-âîðÿþùèìè ñîîòíîøåíèÿì (1)-(2). Â ðåçóëüòàòå âñå êàïëè ñ ðàçìåðàìè îò r äî R çàðÿæàþòñÿ âñëåä-ñòâèå ñòîëêíîâåíèé ñ ýëåêòðîíàìè êàê ìèíèìóì äî êðèòè÷åñêîé âåëè÷èíû íà÷àëà èõ êàñêàäíîãîäåëåíèÿ çà âðåìÿ èõ ïðîë¸òà â ïëàçìå êàòîäíîãî ïÿòíà. Ïîëó÷åííûå íàíî÷àñòèöû îõëàæäàþòñÿ äîçàòâåðäåâàíèÿ â áûñòðîðàñøèðÿþùåéñÿ ïëàçìå êàòîäíîãî ïÿòíà è â ïëàçìå ìåæýëåêòðîäíîãî ðàç-ðÿäà çà âðåìÿ îêîëî 10-7 ñ, ÷òî ïðèâîäèò ê àìîðôèçàöèè èõ ñòðóêòóðû.

63

¹ 22012


ÑËÎÈÑÒÛÉ ÊÎÌÏÎÇÈÖÈÎÍÍÛÉ ÌÀÒÅÐÈÀË

Æàáðåâ Â.À., Ãîðáà÷åâ Â.Í., Ëèñíÿíñêè Ì.Ý.

Èçîáðåòåíèå îòíîñèòñÿ ê îáëàñòè ìàøèíîñòðîåíèÿ è, â ÷àñòíîñòè, ê ñëîèñòûì êîìïîçèöè-îííûì ìàòåðèàëàì.

LAYER COMPOSITE MATERIAL

FIELD: construction.SUBSTANCE: layer composite material comprises sheets of aluminium alloy and intermediate layer of

thermosetting binder with reinforcing nanofiber filler arranged in between them. Besides reinforcing nanofiberfiller is arranged in the form of aluminium oxide fibres, which are coated with a film of amorphous carbon,and makes up to 30 volume % of intermediate layer.

EFFECT: development of new composite material, having increased bend strength and rigidity, and reducedweight characteristic.

Òåõíè÷åñêîé çàäà÷åé èçîáðåòåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå íîâîãî ñëîèñòîãî êîìïîçèöèîííîãî ìàòå-ðèàëà, îáëàäàþùåãî ïîâûøåííûìè ïðî÷íîñòüþ è æåñòêîñòüþ íà èçãèá, à òàêæå ïîíèæåííîéâåñîâîé õàðàêòåðèñòèêîé.

Ñëîèñòûé êîìïîçèöèîííûé ìàòåðèàë ñîäåðæèò ëèñòû àëþìèíèåâîãî ñïëàâà 1 è 2 è ðàñïîëî-æåííûé ìåæäó íèìè ïðîìåæóòî÷íûé ñëîé 3 òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî 4 ñ àðìèðóþùèì íà-ïîëíèòåëåì, âûïîëíåííûì â âèäå íàíîâîëîêîí îêñèäà àëþìèíèÿ 5, ïîêðûòûõ ïëåíêîé àìîðôíî-ãî óãëåðîäà, è ñîñòàâëÿþùèì äî 30 îá.% ïðîìåæóòî÷íîãî ñëîÿ 3.

Ðàçìåð íàíîâîëîêîí îêñèäà àëþìèíèÿ, ïîêðûòîãî ïëåíêîé àìîðôíîãî óãëåðîäà - 3-8ìêì.Òåðìîðåàêòèâíîå ñâÿçóþùåå ìîæåò áûòü âûïîëíåíî íà îñíîâå ñìåñè ýïîêñèäíûõ ñìîë ñ ìàñ-

ñîâîé äîëåé ýïîêñèäíûõ ãðóïï îò 2 äî 24, ìîäèôèöèðîâàííûõ êàó÷óêîì èëè òåðìîïëàñòè÷íûììàòåðèàëîì, îòâåðæäàåìûìè ïðè òåìïåðàòóðàõ îò 120 äî 180 °Ñ.

Äàëåå íàíî÷àñòèöû íàïðàâëÿþòñÿ íà íîñèòåëü 6 ñ ïîëîæèòåëüíûì ïîòåíöèàëîì ñ èñïîëüçî-âàíèåì èëè áåç èñïîëüçîâàíèÿ èçâåñòíûõ ìåòîäîâ ñåïàðàöèè èõ ïî ðàçìåðàì (ýëåêòðîñòàòè÷åñ-êèå èëè ýëåêòðîìàãíèòíûå ñåïàðàòîðû).

Âåëè÷èíà ðàçðÿäíîãî òîêà îïðåäåëÿåò ïðîèçâîäèòåëüíîñòü óñòðîéñòâà, êîòîðàÿ ìîæåò áûòüóâåëè÷åíà òàêæå ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû êàòîäà, â òîì ÷èñëå ðàâíîé è âûøå òåìïåðàòóðû ïëàâ-ëåíèÿ åãî ìàòåðèàëà. Ãåîìåòðèÿ êàòîäà ìîæåò áûòü ðàçëè÷íîé (ïëàíàðíàÿ, öèëèíäðè÷åñêàÿ, ïî-ëûé êàòîä, æèäêîìåòàëëè÷åñêèé êàòîä è ïð.). Â êà÷åñòâå ïðîâîäÿùåãî ìàòåðèàëà ìîæåò áûòü èñ-ïîëüçîâàí ìåòàëë èëè ïîëóïðîâîäíèê

Ó÷èòûâàÿ çíà÷èòåëüíîå óâåëè÷åíèå êîëè÷åñòâà êàïåëü ïîñëå ýëåêòðîäèñïåðãèðîâàíèÿ â ïëàç-ìå êàòîäíîãî ïÿòíà, èñïîëüçîâàíèå òàêîãî ñïîñîáà ñïîñîáíî îáåñïå÷èòü ïëîòíîñòü íàíî÷àñòèöíà íîñèòåëå ~1012ñì-2, òðåáóåìóþ äëÿ ñîçäàíèÿ âûñîêîýôôåêòèâíûõ óñòðîéñòâ íàíîýëåêòðîíèêè.Ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ïîëó÷åíèÿ íàíî÷àñòèö ëåãêî ìàñøòàáèðóåòñÿ âåëè÷èíîé ðàçðÿäíîãî òîêà,÷òî ïîçâîëÿåò âàðüèðîâàòü â øèðîêèõ ïðåäåëàõ ïëîùàäü îáðàáàòûâàåìîé ïîâåðõíîñòè íîñèòåëÿ.

Òàêèì îáðàçîì, ñïîñîá îáåñïå÷èâàåò ïîëó÷åíèå íàíîðàçìåðíûõ àìîðôíûõ ñôåðè÷åñêèõ ÷àñ-òèö ñ óçêîé äèñïåðñèåé ïðè âûñîêèõ ïðîèçâîäèòåëüíîñòè è ýôôåêòèâíîñòè.


64

¹ 22012


Ýëàñòè÷íàÿ êîìïîçèöèÿ òåðìîðå-àêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî ñ àðìèðóþùèìíàíîâîëîêîííûì íàïîëíèòåëåì íà-íîñèòñÿ íà êîíòàêòíûå ïîâåðõíîñòèëèñòîâ èç àëþìèíèåâîãî ñïëàâà òîë-ùèíîé 0,25-1,00ìì, êîòîðûå çàòåì ñî-åäèíÿþòñÿ â ïàêåò.

Îïûòíûé îáðàçåö èìåë ñòðóêòóðóè òîëùèíó ëèñòîâ àëþìèíèåâîãî ñïëàâà îäèíàêîâóþ ñ ïðîòîòèïîì.

Â êà÷åñòâå àëþìèíèåâîãî ñïëàâà âçÿò ìàòåðèàë, ñîäåðæàùèé âûñîêîìîäóëüíûé ñïëàâ ïîíè-æåííîé ïëîòíîñòè ñ ñîäåðæàíèåì ëèòèÿ áîëåå 1,5ìàñ.% ñ ìîäóëåì óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè íåìåíåå 7700ÌÏà, ñ ìîäóëåì óïðóãîñòè ïðè ñæàòèè íå ìåíåå 7900ÌÏà, ñ ïðåäåëîì ïðî÷íîñòè íåìåíåå 400ÌÏà è ñ ïëîòíîñòüþ íå áîëåå 2600êã/ì3.

Â êà÷åñòâå òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî â ìàòåðèàëå èñïîëüçóåòñÿ ñìåñü ýïîêñèäíûõ ñìîë,èìåþùèõ ðàçëè÷íóþ ìîëåêóëÿðíóþ ìàññó. Ñâÿçóþùåå ìîäèôèöèðîâàíî êàó÷óêîì èëè òåðìîïëàñ-òè÷íûì ìàòåðèàëîì, îòâåðæäàåìûìè ïðè òåìïåðàòóðàõ 120-180 °Ñ. Òàêîå ñâÿçóþùåå îáåñïå÷è-âàåò íàä¸æíóþ ñâÿçü ìåæäó ñëîÿìè êîìïîçèöèîííîãî ìàòåðèàëà.

Â ñîîòâåòñòâèè ñ èçîáðåòåíèåì âûñîêîìîäóëüíûå (ìîäóëü óïðóãîñòè 95-110ÃÏà), âûñîêîïðî÷íûå(ïðåäåë ïðî÷íîñòè 600-700ÌÏà) íàíîâîëîêíà îêñèäà àëþìèíèÿ, ïîêðûòûå ïë¸íêîé àìîðôíîãî óãëå-ðîäà, èìåþùèå ïîïåðå÷íûé ðàçìåð 3-8ìêì è çàíèìàþùèå 30îá.% òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî, âêà÷åñòâå àðìèðóþùåãî íàïîëíèòåëÿ âíîñÿò ñóùåñòâåííûé âêëàä â âûñîêèé óðîâåíü ïîêàçàòåëåé ïðî÷-íîñòè, æ¸ñòêîñòè íà èçãèá è äðóãèõ ïîêàçàòåëåé ïðåäëàãàåìîãî ñëîèñòîãî êîìïîçèöèîííîãî ìàòåðèà-ëà, ñîñòàâ è ñòðóêòóðà êîòîðîãî ïîçâîëèëè ïîäíÿòü ïîêàçàòåëè ïðî÷íîñòè ñâûøå 900 ÌÏà, æ¸ñòêîñòèíà èçãèá äî áîëåå 77,6 ÃÏà è ñíèçèòü ïëîòíîñòü äî âåëè÷èíû ìåíåå 2340êã/ì3.

Ïîëó÷åííûå îïûòíûì ïóò¸ì ïðèâåä¸ííûå ïîêàçàòåëè îïðåäåëÿþò ïðåèìóùåñòâî çàÿâëÿåìîãîèçîáðåòåíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïðîòîòèïîì.

Â óñëîâèÿõ îïûòíîãî ïðîèçâîäñòâà ôîðìèðóþòñÿ ëèñòû àëþìîïîëèìåðíîãî êîìïîçèöèîííîãîìàòåðèàëà ãàáàðèòàìè 650×650ìì: äâà òîíêèõ ëèñòà èç àëþìèíèåâî-ëèòèåâîãî ñïëàâà è îäèíñëîé òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî ñ àðìèðóþùèì íàïîëíèòåëåì èç íàíîâîëîêîí îêñèäà àëþìè-íèÿ, ïîêðûòûõ ïë¸íêîé àìîðôíîãî óãëåðîäà, çàíèìàþùåãî 30îá.% òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî,âûïîëíåííîãî íà îñíîâå ìîäèôèöèðîâàííûõ ýïîêñèäíûõ ñìîë.

Ïëàêèðîâàííûå ëèñòû òîëùèíîé 0,25-1,00ìì àëþìèíèåâîãî ñïëàâà ïðåäâàðèòåëüíî ïîäâåð-ãàþòñÿ îáåçæèðèâàíèþ, òðàâëåíèþ è àíîäíîìó îêèñëåíèþ è õðîìîâîé èëè ôîñôîðíîé êèñëîòà-ìè, çàòåì ëèñòû ïîêðûâàþòñÿ àäãåçèîííûì ãðóíòîì, ñîäåðæàùèì èíãèáèòîðû êîððîçèè.

Ôîðìîâàíèå êîìïîçèòà ïðîâîäèòñÿ ïðåññîâàíèåì èëè àâòîêëàâíûì ìåòîäîì ïðè ðàçëè÷íûõòåìïåðàòóðàõ.

Èç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ âèäíî ÷òî, ñîñòàâ è ñòðóêòóðà ïðåäëîæåííîãî ñëîèñòîãî êîìïîçè-öèîííîãî ìàòåðèàëà ïîçâîëèëè ïîâûñèòü ïðåäåë ïðî÷íîñòè, ìîäóëü óïðóãîñòè è ïîíèçèòü ïëîò-íîñòü àðìèðóþùåãî íàïîëíèòåëÿ òåðìîðåàêòèâíîãî ñâÿçóþùåãî, êîòîðûé âûïîëíåí â âèäå íàíî-âîëîêîí îêñèäà àëþìèíèÿ, ïîêðûòûõ ïë¸íêîé àìîðôíîãî óãëåðîäà, çàíèìàÿ äî 30 îá.% ñâÿçóþùå-ãî ïî ñðàâíåíèþ ñ òåìè æå ïîêàçàòåëÿìè ñòåêëÿííûìè íàíîâîëîêîí ïðîòîòèïà.

Òàêèì îáðàçîì, ïðåäëîæåííûé âûñîêîìîäóëüíûé, ë¸ãêèé, âûñîêîïðî÷íûé ñëîèñòûé êîìïîçè-öèîííûé ìàòåðèàë îáåñïå÷èâàåò ïîâûøåíèå ïðî÷íîñòè, æ¸ñòêîñòè íà èçãèá è ñíèæåíèå âåñîâîéõàðàêòåðèñòèêè.


Documents

˚îìïîçŁòß Ł íàíîæòðóŒòóðß (Composites and … „ 2 2012 ˚îìïîçŁòß Ł íàíîæòðóŒòóðß COMPOSITES and NANOSTRUCTURES ¨ÔÒÒ —À˝ «˚îìïîçŁòß