 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь" ИНН 9725035180 Erid: 2SDnjdphxRi
| |
В последние годы в центре внимания учёных-материаловедов находится переход от однослойных композитов с металлической матрицей к гибридным (HMMC - hybrid metal matrix composites), чтобы удовлетворить постоянно растущий промышленный спрос на недорогие и лёгкие материалы с комплексными механическими характеристиками. Такие дискретные комбинированные материалы, часто с многослойной арматурой, обладающей контрастными свойствами, относительно просты в изготовлении. Они обладают замечательным сочетанием свойств: высокая удельная прочность, приемлемая формуемость и вязкость, а также выдающаяся износостойкость, что делает их потенциальными кандидатами для широкого спектра применений в аэрокосмической, автомобильной и машиностроительной отраслях. Наиболее изученными гибридными композитами являются металлическая матрица, армированная твёрдой керамикой, и другой углеродсодержащий материал. Среди них наиболее перспективными являются композиты, армированные карбидом кремния (SiC) и многостенными углеродными нанотрубками (MWCNT - multi-walled carbon nanotubes).
Концепция композитных материалов существовала ещё в древние времена. Они, как правило, состоят из двух или более элементов, которые нерастворимы друг в друге и обладают различными физическими и химическими свойствами, что обеспечивает превосходные характеристики от совместного использования. Спектр их применения огромен в различных отраслях промышленности благодаря своим самым различным уникальным свойствам: высокая прочность, износостойкость, привлекательные тепловые или электрические характеристики, которые могут быть недостижимы только для отдельных материалов. Композиты, как натуральные, так и синтетические, состоят из двух (или более) компонентов - матрицы и армирующих элементов. Непрерывный или основной составной материал композитной системы обычно считается матричным материалом, в отличие от него прерывистые или дисперсионные элементы, обычно присутствующие в структуре в незначительных количествах, известны как упрочняющие или армирующие добавки. Составляющие фазы сосуществуют друг с другом и сохраняют свои свойства на микроскопическом и макроскопическом уровнях. Порой такие составные материалы превосходят монолитные металлы/сплавы по механическим, физическим, химическим и трибологическим свойствам. Гибридные композиты, являющиеся одним из передовых материалов современности, часто считаются лучше аналогов с одинарным покрытием по нескольким параметрам.
Гибридным считается усовершенствованный материал с двумя или более армированиями. В результате придания дополнительных свойств они обладают более высокими характеристиками, чем моноармированные, за счёт объединения особенностей составляющих их армирующих элементов. На практике гибридные композиты по существу желательны для того, чтобы иметь объединённые механические, металлургические и термические свойства составляющих фаз, для достижения лучших результатов.
Композиты широко классифицируются, учитывая их матричные материалы и типы армирования. Они подразделяются на достаточно большое количество категорий и подкатегорий, в зависимости от используемых в них матричных материалов и усилителей. Но если принимать материал матрицы за базовую основу, то всё это многообразие можно разделить на три основных группы: с металлической (MMC), полимерной (PMC) и керамической (CMC) матрицей. А вот подкатегорий по виду армирования существует гораздо больше: армированные частицами, волокнами, чешуйками, нитевидными кристаллами, ламинированные жёсткими или плёночными покрытиями и т. д.
А вот те или иные физические, химические, механические характеристики зависят уже от множества факторов: свойств матричного материала, фаз армирования, технологии изготовления и методологии последующей обработки. Поэтому выбор параметров процесса имеет решающее значение при обработке композитных материалов для передовых применений.
Металлическая основа приобрела большую привлекательность для промышленности по сравнению с двумя остальными основными типами из-за своих благоприятных свойств: удельный вес, стабильность при высоких температурах, улучшенная сопротивляемость коррозии, износостойкость и т. д. Высокопроизводительные MMC требуют выбора соответствующих матричных материалов, армирующих элементов, методов изготовления и последующей обработки. Матрица в таких комбинациях представляет собой металл (в списке самых применяемых находятся алюминий, магний, сталь, медь) или его сплав, в который встроены усиливающие элементы. Металлические основы предпочитают в промышленности из-за их превосходной литейной способности, свариваемости и обрабатываемости.
Армирование - это дополнительные (вторичные) элементы, включённые в матрицу для её усиления с целью общего улучшения свойств, благодаря их высокой твёрдости, хорошей термостойкости, лёгкости, плотности и превосходной прочности. Они имеют решающее значение для конечных свойств композитных материалов благодаря превосходным физическим, термическим и механическим свойствам частиц (например, карбида кремния или бора, оксида алюминия). Карбид кремния (SiC) часто используется в металлической матрице из-за его превосходных физических, химических и механических свойств, так как является самой твёрдой керамической частицей после алмаза и карбида бора. Включение частиц SiC в металлическую матрицу снижает коэффициент теплового расширения, так как микрочастицы усиливающего элемента повышают температуру плавления всего композита. Кроме того, они остаются инертными с элементами матрицы даже при повышенных температурах, тем самым исключая образование нежелательных фаз. Несмотря на то, что карбид бария прочнее, стоит отметить, что армирование карбидом кремния демонстрирует лучшие свойства износостойкости. Керамические частицы обеспечивают высокую твёрдость, прочность и отличную термическую стабильность, но нуждаются в дальнейшем улучшении трибологических свойств.
Интересны также материалы с самосмазывающимися свойствами, такие как графит, графен, многослойные углеродные нанотрубки и т. д., улучшающие стойкость к износу. Примечательно, что графит использовался в качестве укрепляющего элемента для металла в течение многих лет, но с открытием других углеродистых материалов их начали использовать чаще из-за их высочайшей прочности, большой электропроводности и хорошей смазываемости. У последних двух вообще исчерпывающий список характеристик, охватывающих физические (плотность, температура плавления, кристаллическая структура), растяжимые (модуль Юнга, прочность на разрыв и удлинение) и термические (теплопроводность, коэффициент теплового расширения) свойства.
Гибридные композиты в последнее время становятся потенциальными материалами, заменяющими одноэлементные. В самом распространённом варианте они обычно состоят из одного керамического армирования и одного (или более) из углеродистых элементов. Надо отметить, что помимо выбора матрицы и армирующих материалов, важно иметь надлежащий метод изготовления и последующей обработки. С выбором технологии изготовления связано множество факторов, определяющих область применения. Тем не менее, каждая технология изготовления имеет определённые ограничения, помимо своих преимуществ. Особенно в случае нанокомпозитов остаются проблемы с распределением армирования, пористостью, степенью прочности на границе матрица-армирование, смачиваемостью и проблемой кластеризации/агломерации наночастиц. А ещё высокая стоимость технологии изготовления по-прежнему является основным препятствием для расширения промышленного использования наноматериалов.
В автомобильной промышленности композиты широко применяются для изготовления нескольких автомобильных компонентов, таких как тормозные колодки, шасси, бамперы, листовые рессоры, рамы двигателя, двери, крылья и т. д. Их предпочитают из-за малого веса, высокой прочности, превосходной устойчивости к повреждениям, хорошей теплоизоляции и других благоприятных свойств в дополнение к низкой стоимости. Гибридные разновидности всё чаще используются в авиационной промышленности для изготовления таких компонентов, как вертикальные кили, стабилизаторы, фюзеляж, лопатки двигателя и т. д. Примечательно, что в таких растущих секторах, как электромобили, оборона, строительство, транспорт и т. д., также доминируют композитные материалы с металлической матрицей.
Традиционные армирующие частицы используются в огромных масштабах, но промышленность постоянно находится в поиске новых, таких как бориды (титана, циркония), нитриды (алюминия, кремния) и упорядоченные интерметаллиды (дисульфид молибдена, силицид магния, титано-алюминиевый и алюминиево-магниевый сплавы). Другими широко распространёнными армирующими материалами в композитах с металлической матрицей являются интерметаллические частицы диборидов переходных металлов (молибдена, циркония, титана, хрома и др.), а также триалюминидов. Помимо керамики, в этом отношении также могут использоваться органические и неорганические отходы. В то же время, микроструктурная эволюция с двойным присутствием армирующих добавок в металлической матрице, требует сосредоточенного внимания на изучении результирующего воздействия на свойства с учетом различных условий обработки.
Дисилицид молибдена может быть ещё одним вариантом для армирования в гибридных системах. Он обеспечивает повышенную твёрдость, предлагая хорошую прочность на разрыв при высоких температурах с пластичностью, сохраняющейся при высоких температурах (1315 °C), и превосходные трибологические свойства с функциональными применениями. Этот интерметаллический материал, пригоден для вторичной переработки и широко используется в высокотемпературных печах при производстве, например, нагревательных элементов, благодаря своей высокой температуре плавления (2030 °C). Кроме всего прочего он является идеальным материалом для коррозионных сред, поскольку образует пассивный слой диоксида кремния, тем самым защищая всю поверхность от окисления. В настоящее время композиты на основе дисцилида молибдена становятся предпочтительным выбором для изготовления компонентов космических спутников, транспортных средств, полупроводниковых компонентов и оптоэлектронных деталей, таких как квантовые светодиоды (QLED), органические светодиоды (OLED). Методы оптимизации процессов и материалов, вычисляемые постоянно мощными серверами на алгоритмах искусственного интеллекта (нейросети, машинное и глубокое обучение), могут быть использованы для получения композитов ещё более превосходного качества. Кроме того, передовые методы изготовления, такие как лазерное и порошковое аддитивное производство, могут быть применены в будущих попытках синтеза.  |
|
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ