Физические процессы и технологии получения материалов (стр. 2 из 3)
2.1 Получение порошков.
Механическое измельчение металлов производят в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах. Другой, более совершенный метод получения порошков — распыление жидких металлов: его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса. Распространено получение порошков железа, меди, вольфрама, молибдена высокотемпературным восстановлением металла (обычно из окислов) углеродом или водородом. Находят применение гидрометаллургические методы восстановления растворов соединений этих металлов водородом. Для получения медных порошков наиболее часто используют электролиз водных растворов. Имеются и другие, менее распространённые методы приготовления порошков различных металлов, например электролиз расплавов и термическая диссоциация летучих соединений (карбонильный метод).
2.2 Формование порошков.
Основной метод формования металлических порошков — прессование в пресс-формах из закалённой стали под давлением 200—1000 Мн/м2(20—100 кгс/мм2) на быстроходных автоматических прессах (до 20 прессовок в 1 мин). Прессовки имеют форму, размеры и плотность, заданные с учётом изменения этих характеристик при спекании и последующих операциях. Возрастает значение таких новых методов холодного формования, как изостатическое прессование порошков под всесторонним давлением, прокатка и экструзия порошков.
Спекание проводят в защитной среде (водород; атмосфера, содержащая соединения углерода; вакуум; защитные засыпки) при температуре около 70—85% от абсолютной точки плавления, а для многокомпонентных сплавов — несколько выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Защитная среда должна обеспечивать восстановление окислов, не допускать образования нежелательных загрязнений продукции (копоти, карбидов, нитридов и т.д.), предотвращать выгорание отдельных компонентов (например, углерода в твёрдых сплавах), обеспечивать безопасность процесса спекания. Конструкция печей для спекания должна предусматривать проведение не только нагрева, но и охлаждения продукции в защитной среде. Цель спекания — получение готовых изделий с заданными плотностью, размерами и свойствами или полупродуктов с характеристиками, необходимыми для последующей обработки. Расширяется применение горячего прессования (спекания под давлением), в частности изостатического.
Порошковая металлургия имеет следующие достоинства, обусловившие её развитие.
1) Возможность получения таких материалов, которые трудно или невозможно получать др. методами. К ним относятся: некоторые тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал); сплавы и композиции на основе тугоплавких соединений (твёрдые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и др.): композиции и т. н. псевдосплавы металлов, не смешивающихся в расплавленном виде, в особенности при значительной разнице в температурах плавления (например, вольфрам — медь); композиции из металлов и неметаллов (медь — графит, железо — пластмасса, алюминий — окись алюминия и т.д.); пористые материалы (для подшипников, фильтров, уплотнений, теплообменников) и др.
2) Возможность получения некоторых материалов и изделий с более высокими технико-экономическими показателями. Порошковая металлургия позволяет экономить металл и значительно снижать себестоимость продукции (например, при изготовлении деталей литьём и обработкой резанием иногда до 60—80% металла теряется в литники, идёт в стружку и т.п.).
3) При использовании чистых исходных порошков можно получить спечённые материалы с меньшим содержанием примесей и с более точным соответствием заданному составу, чем у обычных литых сплавов.
4) При одинаковом составе и плотности у спечённых материалов в связи с особенностью их структуры в ряде случаев свойства выше, чем у плавленых, в частности меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), которая встречается у ряда литых металлов (например, бериллия) вследствие специфических условий затвердевания расплава. Большой недостаток некоторых литых сплавов (например, быстрорежущих сталей и некоторых жаропрочных сталей) — резкая неоднородность локального состава, вызванная ликвацией при затвердевании. Размеры и форму структурных элементов спечённых материалов легче регулировать, и главное, можно получать такие типы взаимного расположения и формы зёрен, которые недостижимы для плавленого металла. Благодаря этим структурным особенностям спечённые металлы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжений, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.
2.3 Распространенные агрегаты измельчения.
Шаровая барабанная мельница
Шаровая барабанная мельница имеет следующиедостоинства:
-простота конструкции и использования;
-хорошее смешивание материалов (коэффициент неоднородности порядка 3-5%);
Недостатки:
-длительность процессов;
-невысокий объемный коэффициент загрузки (40-45%);
-значительный намол аппаратурного металла.
 |  |  |
| При низких скоростях вращения шары катятся и измельчение вещества происходит за счет трения | При средних скоростях вращения шары и катятся и падают. Измельчение происходит и за счет удара и за счет истирания | При высоких скоростях шары прижимаются к стенке центробежными силами и истирания почти не происходит |
Схема работы дезинтегратора.Порошкообразные вещества поступают из загрузочного бункера с регулирующим шибером в пространство между вращающимися навстречу друг другу с высокими скоростями дисками (угловая скорость с использованием высокочастотных двигателей до 50000 об/мин и более). На этих роторах имеются специальные твердосплавные пальцы или лопасти, образующие относительно друг друга концентрические окружности разных диаметров. Каждая частица соударяется с указанными выступами, последовательно проходя все круги, перед выходом с последнего из них, имеющего максимальную линейную скорость, частицы испытывают наиболее высокоэнергетическое воздействие. Такой способ измельчения приводит не только к увеличению дисперсности системы, но и к дополнительной механохимической активации порошков, проявляющейся в их более интенсивном последующем спекании, либо ускоренном твердофазном синтезе.
Различные виды смесителей.
 |  |  |
| Биконический смеситель | V-образный смеситель | Смеситель "пьяная бочка" |
3. Наноматериалы
Применение наноматериалов
• Катализ, преобразование солнечной энергии (TiO2 )
• Сенсоры
• Нано-батареи и топливные ячейки
• Дисперсионное упрочнение/прочные материалы
• Магнитная томография (магнитные наночастицы - зонды), маркеры, мини-роботы, носители лекарств
• Магнитные жидкости
• Системы с перпендикулярной записью, электроника
• Фотоника
• Квантовые точки
• Молекулярные сита / клатраты
• Аэрогели
Сверхпрочные материалы. Связи между атомами углерода в графитовом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче ее! Одна из важнейших задач технологии в области новых углеродных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной прочности для нужд техники нового века. Это силовые элементы мостов и строений, несущие конструкции компактных летательных аппаратов, элементы турбин, силовые блоки двигателей с предельно малым удельным потреблением топлива и т.п. В настоящее время научились изготавливать трубки длиной в десятки микрон при диаметре порядка одного нанометра.
Высокопроводящие материалы. Известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном листу, мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные из нанотрубок, при комнатной температуре будут иметь электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели. Дело за технологией, позволяющей производить трубки достаточной длины и в достаточном количестве,