Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Контрольная работа - Новые материалы - файл 1.doc


Контрольная работа - Новые материалы
скачать (684 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc684kb.18.11.2011 15:22скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ

Кафедра_________________________________


КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни: «Нові матеріали»


Виконав ст. групи ОМТ – 09 – 1сз Кулініч М.В.


Перевірив д.т.н., проф. Середа Б.П.


Запоріжжя

2009 р.

Зміст


  1. Стан виробництва і споживання цинку у світі 3

  2. Конструкційні машинобудівні і будівельні сталі 5

  3. Матеріали для носіїв магнітного запису 9

  4. Використання кераміки в машинобудуванні 14

  5. Прядіння волокон 18

  6. Вуглецеві волокна 23

  7. Тугоплавкі метали і область їх використання 28

  8. Матеріали для твердотілих лазерів 35



Стан виробництва і споживання цинку у світі


Цинк обладает рядом качественных характеристик, что способствует его широкому распространению во многих отраслях промышленности. Ежегодно цинковая индустрия вкладывает в мировую экономику вклад порядка 40 млрд. долларов. На предприятиях цинковой отрасли работают более 230 тыс. работников. Причем, только в Америке и Европе более 250 и 350 заводов соответственно с общей численностью занятых более 150 тысяч.

На протяжении последних лет потребление и производство цинка во всем мире растет высокими темпами. Как отмечают наблюдатели помимо постоянно возрастающей доли производства традиционных сплавов и компонентов на основе цинка его все чаще применяют при производстве специальных, с уникальными свойствами и назначением композиционных материалов. На долю использования цинка в химической промышленности и при производстве композитов приходится порядка 9%. Однако большая часть металла, как правило, потребляется сталелитейной промышленностью, которая использует металл при производстве сталей с покрытиями. Например, в странах Европы, включая Россию, на долю использования цинка в стальной индустрии приходится более 47% произведенного металла. Гальванизированная сталь обычно используется при производстве кузовов автомобилей и при производстве листов и лент, работающих в сложных агрессивных средах.

Помимо использования цинка при производстве гальванизированной стали, его также применяют при производстве бронз и цинковых сплавов. Латуни также как и стали нашли свое применение в различных отраслях промышленности и на их производство приходится порядка 19% от полученного цинка. Для производства цинковых сплавов (как на основе никеля и алюминия, так и с использованием различных прецизионных металлов) приходится около 14%.

Потребление цинка в мире в последние 5 лет постоянно увеличивалось. Особенно быстрыми (до 5-10% в год) темпами росло потребление цинка в странах Азии и Европы. А в Америке, особенно Северной, пик потребления цинка приходится на 1999 и 2000 гг., когда суммарное его потребление достигло 2 млн. тонн. Затем, из-за разразившегося в Америке финансового кризиса и повсеместного снижения потребления, использование цинка сократилось. В настоящее время потребление цинка в Америке продолжает находится на уровне 1,9-2,0 млн. тонн в год.

По разведанным запасам цинка Россия занимает первое место в мире (рис. 1), по добыче - двенадцатое. Запасы цинка учтены в 138 месторождениях, из которых 36 разрабатываются. Основу МСБ цинка составляют 8 наиболее крупных месторождений: Озерное, Корбалихинское (Алтайский край), Узельгинское (Челябинская область), Гайское (Оренбургская область), Николаевское, Учалинское, Подольское, Юбилейное (Республика Башкортостан). Среднее содержание цинка - 3,9-4,7 %, что значительно ниже, чем в странах-лидерах по добыче цинкового сырья. В Австралии, например, содержание цинка в рудах достигает 15,3 %.

Рентабельными для отработки являются чуть больше 60 % разведанных запасов. Основной объем добычи (70-80 %) приходится на медно-колчеданные месторождения Урала и лишь 20-30 % - на собственно свинцово-цинковые. Внутренняя потребность России в цинке практически удовлетворяется за счет собственного сырья.





Рисунок 1 – Распределение мировых запасов цинка.


^ Конструкційні машинобудівні і будівельні сталі


Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. К конструкционным сталям относятся и стали со специальными свойствами – износостойкие, пружинные, коррозионно-стойкие,жаростойкие, жаропрочные и др.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

^ Стали обыкновенного качества. Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок


Марка стали Ст0 Ст1 Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6

С, % 0,23 0,06-0,12 0,09-0,15 0,14-0,22 0,18-0,27 0,28-0,37 0,28-0,49

Mn,% – 0,25-0,5 0,25-0,5 0,3-0,65 0,4-0,7 0,5-0,8 0,5-0,8


Буквы Ст в марке стали обозначают сталь, цифры – условный номер марки.

В зависимости от условий и степени раскисления различают стали:

  • Спокойные (сп)

  • Полуспокойные (пс)

  • Кипящие (кп)

В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15-0,3 % Si и 0,01 % О2; в полуспокойных 0,05-0,15 % Si и 0,002 % О2; в кипящих – не более 0,05 % Si и 0,02% О2. спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затвердения в них содержится повышенное содержание FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление что металл кипит.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовоя доля серы должна быть не более 0,05 %, фосфора – не более 0,04 % и азота – не более 0,008 %.

Стали отливают в крупные слитки, вследствие чегов них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности и снижается пластичность. Наиболее распространенная сталь Ст3пс имеет предел прочности равный 380-490 Мпа, текучесть равна 210-250 Мпа, пластичность равна 25-22 %, а сталь Ст5сп имеет предел прочности равный 500-640 Мпа, текучесть равна 240-280 Мпа, пластичность равна 20-17 %.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатанный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин.

Кипящие стали, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30-40 ° С выше, чем спокойные. Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные стали.

С повышенным содержанием в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правкеи гибке, - малой склонностью к деформационному старению.

Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированое назначение и поступают по особым техническим условиям.

Механические свойства стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены, а порог хладноломкости понижен закалной в воде с прокатного нагрева. Закалку проводят сразу по выходе сортового проката (различные профили, прутки, листы и трубы и др.) из клети прокатного стана. Охлаждение осуществляют в специальных устройствах с форсунками - спрейерами, в которых вода подается под высоким давлением, что обеспечивает интенсивное охлаждение. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита (высокой критической скоростыо закалки), поэтому после закалки мартенсит не образуется.

Однако быстрое охлаждение вызывает сильное переохлаждение аустенита, что уменьшает количество свободного феррита и приводит к образованию тонкой ферритно-цементитной структуры (троостит, сорбит). После закалки следует отпуск, чаще самоотпуск за счет теплоты, сохранившейся при неполном охлаждении при закалке. После упрочнения сортового проката временное сопротивление возрастает в 1,5-2,0 раза при сохранении высокой пластичности и понижении порога хладноломкости. Одновременно повышается и предел выносливости. Термическая обработка с прокатиого нагрева позволяет сэкономить 10-50 % металла для изготовления конструкций, дает экономию энергетических ресурсов и позволяет в ряде случаев заменить легированные стали термически упрочненными углеродистыми сталями.

^ Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050-74), выплавляют с соблюдением более строгих условий в отиошении состава шихты и ведения плавки и разливни. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: содержание S ≤ 0,04 %, P ≤ 0,035-0,04 %, а также меньшее количество неметаллическихвключений.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20,…, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

^ Низкоуглеродистые стали (содержание углерода < 0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностьюи высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатанную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий.

Стали 15, 15кп, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованом состоянии.

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

^ Среднеуглеродистые стали (0,3-0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легкообрабатываются доэфтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10-12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г).

^ Стали с высоким содержанием углерода (0,6-0,85 % С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормолизации и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и ресоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т. д.


^ Матеріали для носіїв магнітного запису


Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.

Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al-, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных металлов.

Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обладают магнитными свойствами по параметрам Br и max на 10…20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спеченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3…6 раз превосходят литые.

Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы Нс, которые в 1,5…2 раза выше Нс бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной магнитной энергии мах сравнимы со сплавом ЮНДК 24.

Сплавы на основа редкоземельных металлов (РЗМ) и урана при определенных соотношениях обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы Нс (предельное теоретическое значение составляет 1032 кА/м) и рекордными значениями максимальной удельной магнитной энергии мах (предельное теоретическое значение достигает 112 кДж/м3.

Среди сплавов на основе редкоземельных наибольшее значение имеют интерметаллические соединения типа RCo5, где R – редкоземельный металл. В марке соединения буква К означает кобальт, С – самарий, П – празеодим.

Сплавы на основе редкоземельных металлов получают холодным прессованием порошка сплава RCo5 до высокой степени плотности, спеканием брикетов из порошков в присутствии жидкой фазы и литьем многокомпонентных сплавов, в которых кобальт замещен медью и железом.

Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.

Получают металлопластические магниты, кок и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, необходимых для полимеризации связующего вещества.

Бариевые магниты обладают следующими свойствами:

Значения остаточной магнитной индукции Br в 2…4 раза меньше, чем у литых магнитов;

Большая коэрцитивная сила Нс, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;

Плотность d примерно в 1,5 раза меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;

Удельное электрическое сопротивление  (104…107 Ом*м) в миллионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, поэтому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей;

Не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплава ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов относят:

плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);

большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВr в 10 раз больше, чем ТКВr литых магнитов);

эффект необратимой потери магнитных свойств после охлаждения магнита до температуры -60С и ниже (после охлаждения и последующего нагревания до начальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

В отличии от технологии изготовления магнитомягких ферритов после сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнитном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравнению с намагничивающим током направление.

Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применяют также сухое прессование.

Промышленность выпускаем бариевые изотропные БИ и бариевые анизотропные БА магниты.

Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами:

более высокая стабильность параметров, чем у бариевых;

температурный гистерезис, т.е. зависимость магнитных свойств от температуры, которая появляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до температуры выше 80С;

из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их крепят с помощью клея;

высокая стоимость.

Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнитной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300…350С в течении 1,5 часов и охлаждения в магнитном поле в течении 2 часов.

^ Магниты из микропорошков Mn-Bi поучают прессованием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцево-висмутовый сплав (23% Mn; 77% Bi) подвергают механическому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5…8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отделяют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц марганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной фазы при температуре примерно 300С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют магнитные свойства только до температуры не ниже 20С (при понижении свойства быстро ухудшаются и для их восстановления необходимо повторное намагничивание), что существенно ограничивает их применение.

^ Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов получения частиц нужного размера (0,01…0,1). Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозийную стойкость железосодержащих магнитов.

^ Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют основой сплавы железо- никель- алюминий (Fe-Ni-Al) и железо- никель- кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к прецизионным, так как их количество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.

Магнитотвердые литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуре начала распада. В процессе твердения происходит высокотемпературный распад твердого раствора на -фазу и 2-фазу. -фаза близка по составу к чистому железу, которое обладает выраженными магнитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. 2-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель- алюминий Ni-Al, обладающему низкими магнитными свойствами.

В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы 2 с однодоменным сильномагнитным включениями фазы , которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибольшее распространенными являются сплавы железо- никель– алюминий, легированные медью Cu и кобальтом Со.

Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы железо- никель- алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.

Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.

Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью.

Высококобальтовые сплавы представляют собой сплавы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, содержащие кобальт более 15%.

Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлаждения сплава в магнитном поле с напряженностью 160…280 кА/м от высоких температур 1250…1300С до температуры приблизительно 500С. полученный сплав приобретает улучшенный магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропный.

Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обработка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20% а для сплавов, содержащих 20…25% кобальта, -на 80% и более.

Термомагнитная обработка повышает температуру начала дисперсного распада с 950С в сплаве без кобальта до 800С в сплаве, содержащем 24% кобальта.

В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850С.

Кристаллическую текстуру получают в процессе особых условий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с особой микротекстурой в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов .магнитная энергия повышается на 60…70%. Увеличивается коэрцитивная сила Нс, остаточная магнитная индукция Br и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала:





Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.

Недостатками высококобальтовых материалов являются высокая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механическую обработку.


^ Використання кераміки в машинобудуванні


Традиционные материалы, применяемые в машиностроении, представлены металлами. Однако при высоких температурах, когда изделие надо выполнить легким, исключить износ или, напротив, подвергнуть обработке резанием, а также в случаях особой технологии можно применять керамические материалы и материалы из высокомолекулярных органических соединений. К особо важным новейшим технологиям в машиностроении относится производство котлов и турбин для тепловых электростанций, двигателей для ракет, летательных аппаратов, автомобилей и прочих средствтранспорта, конструкционных материалов для корпусов самолетов. Общая характеристика этих материалов приведена в таблице 1.

В паровой турбине котел нагревается теплотой, образующейся за счет сжигания топлива, и вращение турбины осуществляется с помощью пара, образовавшегося за счет этой теплоты. Для труб паронагревателей, применяемых, например, в котлах, осей турбин необходимы жаростойкость, стойкость к давлению, коррозионная стойкость при температурах 500~7000° С. Поэтому для этих целей используют жаропрочную сталь.

Газовая турбина вращается благодаря непосредственному вводу горючих газов с высокой температурой. В связи с этим к лопаткам турбин предъявляют требования высокой прочности при т.емпературе 700~ 1100° С и особые требования к такой характеристике как прочность" в отношении ползучести. Кроме того, важна также и коррозионная стойкость по отношению к S02, содержащемуся в горючих газах.

Газовые турбины сначала создавались в качестве двигателей для самолетов, в настоящее время реактивные двигатели летательных аппаратов и ракетные двигатели работают практически в одинаковых условиях с газовыми турбинами. Для этих двух отраслей существуют общие важные проблемы. В качестве материалов используют сверхжаростойкие сплавы, композиционные материалы металлокерамику и керамику.

Основой сверхжаростойких сплавов служат Fe, Ni, Со, их называют соответственно сплавами на основе Fe, Ni, Со .

Для повышения прочности при одновременном увеличении жаростойкости осуществляют управление структурой с помощью дисперсионного твердения' и направленного затвердевания эвтектики. В первом случае при затвердевании из расплава выпадает мелкодисперсная вторая фаза. Она тормозит передвижение дислокаций и обеспечивает повышение прочности на разрыв .. Во втором случае после заполнения расплавом формы для отливки вторая фаза выпадает в виде волокон большой прочности. Благодаря охлаждению в заданном направлении и направленному затвердеванию в этом направлении растет прочность на растяжение.

Кроме того, в композиционных материалах, в которых керамика распределена внутри металла, используют упрочнение диспергированием порошка и упрочнение волокнами (металл, армированный волокнами, МАВ). При этом образуется структура, отличаюшаяся тем, что порошок или волокно диспергированы в металле. Такая структура аналогична структуре сплавов, полученных методами дисперсионного твердения или направленного затвердевания эвтектики.

Известно, что по мере повышения температуры сгорания растет КПД обмена энергией. Для двигателей и турбин с высоким КПД, работающих в условиях температур, превышающих 1300° С, прочную позицию заняли такие керамические материалы, как SiC, SiзN4, АI2Оз и т. д. Для выполнения основных деталей двигатилей - поршня и камеры сгорания до сих пор использовали металлы. Однако для повышения КПД превращения энергии сгорания в движущую силу при дальнейшем повышении температуры горючих газов ожидают появления керамических двигателей. Предполагают, что к числу первых кандидатов, претендующих на эту роль, относятся такие материалы как ZгО., SiзN4. Однако с точки зрения хрупкости и надежности двигателя можно думать лишь о частичном применении керамики. Решение вопроса о создании двигателя целиком из керамики связано с множеством проблем. Кроме того, изоляторы для запальных свечей должни отвечать жестким требованиям по электроизоляционным свойствам, жаропрочности, стойкости к ударам, коррозионной стойкости и др. Для их изготовления на практике применяют оксидную керамику.

Конструкционные материалы, используемые в транспортных средствах - ракетах, летательных аппаратах, автомобилях одновременно с высокой прочностыо должны обладать малой массой. До сих пор в этих отраслях главным образом использовали сталь мартенситного старения и другие металлы. Однако постепенно эти отрасли переходили на композиционные материалы, в которых углеродные и карбидные волокна были диспергированы в металлах и высокомолекулярных органических соединениях.

В качестве сверхпрочного материала применяют сталь мартенситного старения, обладающую высоким характеристиками, ГЦК мартенсит, образованный путем резкого охпажпения сплавов сисгемы Fe-Ni (Ni ~ 18-25 %), которые содержат крайне малое контролируемое количество углерода, обладает особыми свойствами высокой вязкостью, мягкостью и способностью подвергаться механической обработке. Прочность сплавов этой системы можно повысить введением Мо, Ti и других добавок, которые обусловливают ее дисперсионное твердение при старении. После обработки с образованием расплава при температуре, превышающей 8000 С, производят резкую закалку до нормальной температуры, сопровождающуюся мартенситным фазовым превращением. Далее осуществляют старение в течение нескольких часов при температуре около 5000 С (выдержка в нагретом состоянии), осуществляя таким образом дисперсионное твердение с выпадением фаз, представленных Ni, Мо и Niз ׂ. Кроме того, используют также нержавеющую сталь мартенситного старения, в которую добавляют Сг для повышения коррозионной стойкости.

Для подшипников, широко используемых в качестве деталей различного промышленного оборудования, и двигателей необходимы высокая механическая прочность, низкий коэффициент трения (малый износ), сродство к смазочным материалам, высокая теплопроводность, коррозионнаа стойкость, коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту термического расширения материала оси. В связи с этим обсуждаются вопросы применения вкладышей из сплавов, керамики и органических высокомолекулярных соединений. Кроме того, с учетом использования смазочных материалов, устойчивых при высокой температуре, малого износа оси и подшипника, химической устойчмвости получили применение твердые смазки.


Таблица 1


Технологическая область

Важнейшие элементы применяемые в технологии

Керамические материалы

Металлы,органические материалы и прочие соединения,применяемые в технологии

Необходимые свойства и отличительные особенности

Тепловое генерирование электрической энергии


Генераторы и электродвигатели

Двигатели


Транспортные средства

Трубы паронагревателя котлов


Оси,лопатки паровых турбин


Подвижные лопатки,неподвижные лопатки,камеры сгорания


Сердечники для катушек

Поршни камеры сгорания


Рамы корпусов ракет


Для самолетов


Для автомобилей



Форстеритовое покрытие


SiC,Si,N4,SiAlO4, стекло(Li2O,Al2O3, SiO2),сплав, армированные керамическими волокнами


Сплав, упрочненный диспергированным керамическим порошком


ZrO2 (покрытие) Si3N4


МАВ (металл+волокна TiC,SiC)

МАУВ(металл+углеродные волокна)

ПАУВ(углеродные волокна+эпоксидная смола)

МАВ

ПАУВ(углеродные волокна+пластмасса)

Мо,(Cr-Mo)-система.Сплавы.Системы с небольшим содержанием Cr.Жаропрочная сталь,аустенитная нержавеющая сталь

Жаропрочная сталь с низким содержанием Cr систем(Cr-Mo-V),(Cr-Ni-Mo),(Cr-Mo-V-W)

Сверхжаропрочные сплавы. Высокохромистая жаропрочная сталь с дисперсионным упрочнением

Сплавы дисперсионного упрачнения на основе (Fe-Ni)

Сплавы одностороннего затвердивания на основе Ni. Жаропрочный сплав на основе Со

Трансформаторная сталь

Жаропрочные сплавы


Сталь мартенситного старения


Ti-сплав, сталь мартенситного старения


Полиамидная, эпоксидная и другие пластмасы. Листовая высокопрочная углеродистая сталь

Жаропрочность,устойчивость к давлению,коррозионная стойкость(500-700° С)


Жаропрочность,стойкость к давлению,коррозионная стойкость


Возможность работы турбины непосредственно в горючих газахпри высокой температуре


Высокотемпературная прочность к ползучести


Коррозионная стойкость по отношению к SO2


Низкие потери при высокой частоте, низкая себестоймость

Высокотемпературная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость


Высокая удельная прочность

Высокая удельная жесткость


Для улучшения формуемости в качестве материала основы используют металлы и пластмассы


^ Прядіння волокон


Полимерные волокна получают в процессе, называемом прядением. Существуют три принципиально различных метода прядения: прядение из расплава, сухое и мокрое прядение. В процессе прядения из расплава полимер находится в расплавленном состоянии, а в других случаях – в виде растворов. Однако во всех этих случаях полимер, в расплавленном или растворенном состоянии, протекает через многоканальный мундштук, представляющий собой пластину с очень мелкими отверстиями для выхода волокон.





Рисунок 2 – Схематическое изображение процессов сухого прядения (а) и прядения из расплава (б)

1 – загрузочная воронка; 2 – полимерные чешуйки; 3 – нагретая решетка; 4 – горячий полимер; 5 – дозирующий насос; 6 – расплав; 7 – многоканальный мундштук; 8 – свежеспряденное волокно; 9 – катушка; 10 – раствор полимера; 11 – фильтр; 12 – дозирующий насос; 13 – многоканальный мундштук; 14 – свежеспряденное волокно; 15 – на катушку.

В своей простейшей форме процесс предения из расплава может быть представлен следующим образом. Первоначально полимерные чешуйки расплавляют на нагретой решетке, превращая полимер в вязкую подвижную жидкость. Иногда в процессе нагревания происходит образование комков вследствие протекания процессов сшивания или термической деструкции. Эти комки могут быть легко удалены из горячего полимерного расплава пропусканием через систему блок-фильтров. Кроме того, для предотвращения окислительной деструкции расплав следует защищать от кислорода воздуха. Это достигается в основном созданием вокруг расплава полимера инертной атмосферы азота, СО2 и водяного пара. Дозирующий насос подает расплав полимера с постоянной скоростью на многоканальный мундштук. Расплав полимера проходит через систему мелких отверстий мундштука и выходит оттуда в виде непрерывных и очень тонких мононитей. При контакте с холодным воздухом происходит мгновенное затвердивание волокон. Выходящих из мундштука. Процессы охлаждения и отверждения могут быть в занчительной мере ускорены при обдувке холодным воздухом.

Важная особенность, которую следует учитывать в процессе прядения из расплава, заключается в том, что диаметр мононити в занчительной степени зависити от скорости. С которой расплавленный полимер проходит через мундштук, и от скорости, с которой мононить вытягивают из мундштука и сматывают на катушки.

Большое количество таких традиционных полимеров, как ПВХ или полиакрилонитрил, перерабатывают в волокна в крупных масштабах в процессе сухого прядения. Суть этого процесса показана на рисунке 2. полимер растворяют в соответствующем растворителе с образованием высококонцентрированного раствора. Вязкость раствора регулируют увеличением температуры. Горячий вязкий раствор полимера продавливают через мундштук, получая таким образом тонкие непрерывные струйки. Волокно из этих струек образуется при простом испарении растворителя. Испарение растворителя может быть ускорено путем обдувания встречным потоком сухого азота. Волокна, образующиеся из раствора полимера, в конце наматывают на катушки. Скорость прядения волокон может достигать 1000 м/мин.




Рисунок 3 – схематическое изображение процесса мокрого прядения

1 – раствор полимера; 2 – фильтр; 3 – дозирующий насос; 4 – многоканальный мундштук; 5 – осадитель; 6 – свежеспряденное волокно; 7 – ванна для коагуляции и осаждения; 8 – ванна для промывки; 9 – сушка; 10 – на катушку


При мокром прядени, как и при сухом, используют сильно концентрированный полимерный раствор, высокую вязкость которых удается понизить повышением температуры прядения. Детально процесс мокрого прядения показан на рисунке 3. в процессе мокрого прядения происходит переработка вязкого раствора полимера втонкие струйки при пропускании через мундштук. Затем эти полимерные струйки попадают в коагуляционную ванну с осадителем, где и происходит высаживание полимера из раствора в виде тонких нитей, которые после промывки, сушки и прочего собирают на катушках. Иногда в процессе мокрого прядения вместо непрерывных нитей образуются комки, что происходит в результате обрыва вытекающей из мундштука струйки под действием сил поверхностного натяжения.этого удается избежать при увеличении вязкости полимерного раствора. Коагуляция, которая является лимитирующей стадией мокрого прядения, процесс довольно медленный, чем и объясняется низкая, по сравнению с другими, скоростью придения раствора, равная 50 м/мин.

В процессе прядения волокон из полимерного расплава или раствора макромолекулы в волокне не ориентированы и, следовательно, их степень кристалличности сравнительно низка, что нежелагельным образом отражается на физических свойствах волокна. Для улучшения физических свойств волокна подвергают операции, называемой одноосной вытяжкой, используя растягивающие аппараты определенного типа.

Основной особенностью аппарата является наличие системы двух роликов А и В (рисунок 4), вращаюшихся с различными скоростями. Ролик В вращается в 4-5 раз быстрее ролика А. Спряденную нить последовательно пропускают через ролик А, растягивающую шпильку 3 и ролик В. Поскольку ролик В вращается со скоростыо большей, чем ролик А, волокно вытягивается под нагрузкой, задаваемой шпилькой 3. Вытяжка волокна осуществляется в зоне 2. После прохождения через ролик В вытянутая полимерная нить наматывается на металлическую бобину. Несмотря на то что в процессе вытяжки происходит уменьшение диаметра нити, ее прочностные свойства в значительной степени улучшаются вследствие ориентации макромолекул, параллельно оси волокна.

Для улучшения полезных свойств волокон их часто подвергают дополнительной специальной обработке: очистке, смазке, проклейке, крашению и т.д.

Для очистки используют мыла и другие синтетические моющие средства. Очистка есть не что иное, как удаление грязи и других примесей с поверхности волокна. Смазка заключается в бработке волокон с целью защиты их от трения с




Рисунок 4 – Схематическое изображение аппарата для одноосного ориентирования

1 – невытянутая нить; 2 – зона вытяжки; 3 – растягивающая шпилька; 4 – вытянутое волокно

соседними волокнами и грубыми металлическими поверхностями в процессе переработки. В качестве смазывающих агентов в основном используют природные масла. Смазывание приводит также к уменьшению статического электричества, накапливающегося на волокнах.

Проклейкой называют процесс защитного покрытия волокон. В качестве проклеивающих материалов для большинства волокон используют поливиниловый спирт или желатину. Проклейка позволяет удерживать волокна в пределах компактного пучка и обеспечивает таким образом равномерное ткачество. Перед крашением ткани проклейку следует удалять промыванием в воде.

Для окрашивания волокна помещают в раствор красителя, молекулы которого проникают обычно лишь в аморфные области волокна.

Волокна на основе целлюлозы или белков быстро адсорбируют кислотные красители, которые легко связываются с амино- или гидроксильными группами полимеров. Процесс крашения .синтетических волокон, таких, как полиэфиры, полиамиды или акрилы, протекает намного медленнее. Скорость крашения в этом случае удается увеличивать повышением температуры. Крашение волокон на основе поливинилхлорида, полиэтилена и прочих практически невозможно без введения в них активных абсорбционных центров при сополимеризации и химическом окислении.


^ Вуглецеві волокна


Волокна, состоящие в основном из углерода. Углеродные волокна, полученные из органических волокон, подразделяют в зависимости от температуры обработки и содержания в них углерода на частично карбонизованые (менее 900° С, 85-90 %), карбонизованные (900-1500° С, 95-99 %) и графитированные (1500-3000° С, более 99%). Наибольшее значение имеют два последних типа углеродного волокна.

Помимо обычных органических волокон (химических и природных) для получения углеродных волокон могут быть использованы феноло-формальдегидные волокна, волокна из каменноугольных и нефтяных пеков, лигнина, то есть, из веществ с большим содержанием углерода.

Углеродные волокна могут иметь разнообразную текстильную форму, определяемую чаще всего формой исходного сырья (непрерывные или штапельне нити, жгуты, ленто, волок, ткани и др.). возможна также переработка углеродного волокна в ткане и неткане материалы с использованием обычного текстильного оборудования. Такая переработка имеет важное значение при создании комбинированных волокнистих армирующих наполнителей для пластмасс.

Волокна, предназначенные для переработки в углеродное волокно, должны удовлетворять следующие основне требования: не плавиться при термической обработке, давать високий выход коксового остатка, обеспечивать получение углеродного волокна с высоким физико-механическим свойством. Наибольшее практическое применение для получения углеродного волокна нашли вмскозное кордное волокно (ВК), полиакрилонитрильные волокна (ПАН-волокна) и нефтяной пек. Перспективы исследования по разроботке способов получения углеродных волокон из фенольных смол.

^ Технология получения углеродных волокон включает следующие 3 основные стадии: подготовка волокна, низкотемпературная оброботка (при температурах менее 1500° С), высокотемпературная обработка (1500-3000° С).

Характер подготовки зависит от вида сырья. В случае ВК производится удаление замасливателя в результате обработки волокна органическим растворителями или поверхностно-активными веществами. Для снижения потери массы и ускорения химических превращений полимера перед термообработкой в исходное ВК вводят антипирены, соли переходных металлов и др. ПАН-волокна подвергают предварительной термоокислительной обработке в среде воздуха (температура 220-300° С, продолжительностью до 24 часов); при этом происходит циклизация полиакрилонитрила с образованием фрагментов лестнечной структуры. Из нефтяного пека и фенольных смол вначале формуют волокна, которые для перевода в неплавкое состояние нагревают при повышенной температуре и окисляют кислородом воздуха.

Термическую обработку осуществляют в инертной среде (азот, аргон и др.) в строго контролируемых температурно-временных условиях. Наиболее сложная стадия процесса – низкотемпературная обработка, в ходе которой осуществляется карбонизация полимера. Процесс карбонизации включает большое число последовательных и параллельных реакций, протекающих по гомолитическим и гетеролитическим механизмам. При этом в результате термодеструкции полимеров образуются летучие и смолообразные продукты и углеродный остаток волокнистой формы. При правильно подобранных режимах корбонизации сохраняются морфологические особенности исходных волокон. Обычно карбонизацию осуществляют при медленном подъеме температуры. В случае ВК, например, продолжительность процесса состовляет 3-200 часов, в случае ПАН-волокна – 0,5-4 часа. Деструкция полимеров интенсивно протекает в сравнительно узкой области температур (ВК – 250-300° С). она сопроваждается потерей массы и усадкой волокон (рисунок 5). С увеличением температуры наблюдается ароматизация





Рисунок 5 – Зависимость потери массы (1) и усадки (2) гидратцеллюлозного волокна от температуры обработки

полимеров, образование конденсированных углеродных слоев, их рост и упорядочение.

Прочность и модуль упругости волокна на стадии термообработки, соответствующей интенсивной потере массы полимера, уменьшаются, а затем, с момента начала образования углеродного скелета, начинают возрастать (рисунок 6).





Рисунок 6 – Зависимость прочности при растяжении (1) и модуля упругости (2) от температуры обработки


Плотность волокна постепенно увеличивается. Химические волокна являются диэлектриками; во время карбонизации, особенно в интервале 350-1000° С, электрическое сопротивление резко снижается и волокно приобретает полупроводниковые свойства.

Высокотемпературная обработка осуществляется очень быстро, в течение нескольких минут. На этой стадии происходит дальнейшее увеличение размеров кристаллитов (рисунок 7), уменьшение межплоскостного растояния слоев, плотности и электропроводимости. Как правило. При этом улучшаются механические свойства и снижается удельная поверхность волокна.

Важная операция в производстве углеродных волокон – вытяжка. В результате вытяжки достигается ориентация плоскостей кристаллитов вдоль оси волокна, благодаря чему удается получить высокопрочные и высокомодульные волокна.





Рисунок 7 – Зависимость размеров кристаллитов полиакрилонитрильного волокна от температуры крафитации


Известны два типа структур углеродных волокон. Волокна, полученные из ВК и Пан-волокон, построены из фибрилл, которые существуют в исходных волокнах и сохраняются в измененной форме в углеродных волокнах. Такие волокна анизотропны. Углеродные волокна полученные из других видов сырья изотропны, в них отсутствуют фибриллы. Эту форму углерода называют стеклоуглеродом. Углеродные волокна содеожат большое количество закрытых микропор с размерами, не превышающими 20-25 А, объем которых может достигать 30 % объема волокна.поры высокопрочных волокон имеют цилиндрическую форму и ориентованы вдоль оси волокна.

Углеродные волокна обладают ценными физико-химическим свойствами. В отличие от массивных образцов углерода вследствие специфической формы и структуры им присущи также уникальные механические свойства. Углеродные волокна имеют исключительно высокую тепло- и химстойкость. При тепловом воздействии вплоть до 1600-2000° С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала. На основе углеродных волокон изготавливают армираванные пластики, которые отличаются высокой абляционной стойкостью и применяются в ракетостроении и космической технике в качестве теплозащитных материалов.

Углеродные волокна устойчивы к агрессивным химическим средам. Однако они окисляются при нагревании в присутствии кислорода; их предельная температура эксплуатации в воздушной среде состовляет 300-350° С. нанесение на углеродное волокно тонкого слоя карбидов, в часности SiC, или нитрита бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря химстойкости углеродные волокна применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовление защитных костюмов и др.


^ Тугоплавкі метали та області їх використання


К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700° С. Как правило, они химически устойчквы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или вакууме.

В плотном виде эти металлы чаще всего получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием порошков. В электронной технике получают распространение методы электровакуумной технологии производства чистых тугоплавких металлов: плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и др. Механнческая обработка этих материалов трудна и часто требует их подогрева. Основными тугоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений.

Все тугоплавкие металлы, за исключением платины, при нагревании на воздухе до высоких температур интенсивно 'окисляются с образованием летучих соединений. Поэтому их можно применять для изготовления лишь тех нагревательных элементов, которые работают в вакууме или защитной среде. Одной из разновидностей таких нагревателей являются испарители, применяемые в установках для вакуумного осаждения тонких пленок. Преимуществом тугоплавких металлов является ничтожно малое давление насыщенного пара, даже при высоких рабочи х температурах (рисунок 8). В выполнении этого условия состоит основное требование к материалу испарителя.

Вольфрам – очень тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления. В природе встречается только в виде соединений. Вследствие высокой температуры плавления получение вольфрама в виде компактного слитка сопряжено со значительными трудностями. Исходным сырьем для получения вольфрама служат его собственные минералы – вольфрамит (FeW04 + Mf1W04) и шеелит (CaW04). Конечным продуктом обогащения вольфрамовых руд является чистая трехокись WОз, из которой восстановлением водородом при нагревании до 9000 С получают металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка при давлении до 200 МПа отпрессовывают стержни, которые в дальнейшем подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода (во избежание окисления), ковке и волочению в проволоку диаметром до 0,01 мм, прокатке в листы и т. п.

Характерной особенностью вольфрама, отличающей его от других металлов, является высокая внутрикристаллическая прочность при очень слабом сцеплении между отдельными зернами. Поэтому спеченные изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим. объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей.





Рисунок 8 – Зависимость давления насыщенных паров некоторых тугоплавких металлов от температуры


Кроме того, при уменьшении толщины вольфрамовой проволоки сильно возрастает ее предел прочности при растяжении (от 500 - 600 МПа для кованых стержней диаметром 5 мм до 3000-4000 МПа для тонких нитей; последние имеют относительное удлинение при разрыве окло 4%).

При нагревании тянутого вольфрама до высоких температур начинается процесс рекристаллизации, т. е. укрупнение зерен. Волокнистая структура постепенно исчезает, а отдельные зерна увеличиваются в размерах до площади поперечного сечения проволоки. Такой рекристаллизованный вольфрам вследствие слабого межзеренного сцепления становится очень хрупким. Кроме того, при высоких температурах образовавшиеся крупные кристаллиты получают возможностъ скользитъ, «провисать» под действием собственной массы относительно друг друга. Поэтому проволоки и спирали, изготовленные из чистого вольфрама, при высоних температурах оказываются очень непрочными и неформоустойчивыми. Для улучшения свойств чистого вольфрама в него вводят различные присадки. Наиболее эффективной присадной замедляющей процесс рекристаллизации, является окись тория Тh2Оз, которая, образуя прослойки между зернамии вольфрама, затрудняет диффузию его атомов и вследствие этого препятствует росту кристаллов.

Для достижения большей формоустойчивости вводят добавки окислов кремния, алюминия, кальция. Указанные присадки вызывают кристаллизацию, главным образом в напраплении оси проволоки, образуя структуру со взаимно эацепляющимися по большой поверхности, т. е. расположенными «внахлест», удлиненными кристаллами. Такой вольфрам получил название непровисяющего. Он используется для изготовления нитей ламп накаливания. В этой области применения вольфрам не имеет конкурентов. Впервые применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было предложено русским изобретателем А. Н. Лодыгиным в 1890 г.

Вольфрам является одним из важнейших материалов электровакуумной техники. Из него изготавливают электроды, подогреватели, пружины, крючки в электронных лампах.

В электровакуумном производстве применяют вольфрам марок ВА (с кремне-алюминиевой присадкой) и ВТ (с присадкой окиси тория). Добавка окиси тория не только повышает механическую прочность вольфрама, но и улучшает эмиссионные своиства катодов за счет снижения работы выхода электронов.

Вольфрам обладает наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения среди всех чистых металлов. Это его свойство оказывается ценным при изготовлении термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами, которые тоже имеют низкий температурный коэффипиепт линейного расширения.

Молибден – металл, по. внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой молибдена является молибденит МоS2.

Микроструктура спеченного, кованного и тянутого молибдена сходна со структурой оналогично обработанных образцов вольфрама. Однако волокнистая структура тянутого молибдена выражена менее отчетливо.

Нерекристаллиаованный молибден по механическим свойствам близок к вольфраму, но в рекристаллиэованнам состоянии между ними имеется существенное различие, заключающееся в том, что рекристаллиаованный вольфрам при комнатной температуре всегда хрупок, в то время как огожженный мелкозернистый молибден характеризуется высокой пластичностью. Благодаря этому механическая обработка заготовок из молибдена при получении различных деталей не представляет особых затруднений.

Улучшения структуры и повышения механической прочности молибдена добиваются введением специальных присадок, таких, как окись кремния, окись тория и др.

При комнатной температуре молибден химически относительно инертный металл, но более активный, чем вольфрам. На воздухе начннает окисляться при ЗОООС с образованием низших окислов, а при температуре выше 600°С образуется трехокись МоОз, которая быстро испаряется при 7000С. Поэтому нагреваемые детали должны работать в вакууме или восстановительной среде.

Среди всех тугоплавких металлов молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением . Высокая прочнасть молибдена в сочетании с хорошей пластичностью делают его одним из лучших проводниковых материалов для изготовления деталей сложной конфигурации, работающих при высоких температурах. Из молибдена 'наготавливают сетки и электроды электронных ламп, рентгеновских трубок и различные вспомогательные детали электровакуумных приборов с напряженным тепловым режимом. Весьма важным является применевне молибдена для изготовления вакуумплотных термически согласованных вводов в баллоны из тугоплавкого стекла. Молибден используется также в качестве нагревательных элементов электрических печей. Такие элементы в защитной атмосфере могут устойчиво работать при температура х 1700°С, при которых еще слабо выражены процессы рекристаллизации в молибдене.

В электровакуумной технике наиболее, распространены марки молибдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с. присадкой окиси кремния). Последний обладает повышенной механической прочностыо при высоких.температурах.

Тантал – металл, получаемый из мало распространенной руды танталита Fе (Та03)2 методами порошковой металлургии подобно вольфраму и молибдену. Основное отличие его заключается лишь в том, что процесс спекания прессованиыхшгабнков осуществляют в вакуумных печах. Это вызвано тем, что тантал склонен к поглощению газов, в результате чего он становится хрупким. Механические операции ковки и протяжки в отличие от вольфрама н молибдена производят при комнатной температуре. Тантал·изготавливают в виде проволоки, прутков, листов, лент и фольги толщиной до 10 мкм. В производстве используют материал Т (тантал повышенной чистоты), ТЧ (тантал высокой чистоты) и сплавы тантала с ниобием, маркируемые ТН. Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Предел прочности его при растяжении может изменяться в зависимости от механической и термической обработокот 350 до 1250 МПа.

При нагревании на воздухе и при анодном окислении на поверхности тантала образуется плотная пленка окисла, которая не разлагается вплоть до температуры порядка 1500° C. В противоположность вольфраму и молибдену тантал не становится хрупким при нагревании В вакууме до весьма высоких температур.

Способность предварительно обезгаженпого тантала поглощать газы в диапазоне температур 600-12000 С в сочетании с тугоплавностью, хорошей пластичностыо и формоустойчивостью ставят этот металл в ряд важнейших материалов электровакуумной техники. Однако ввиду природной дефицитности и относительно высокой стоимости тантал используется преимущественно для ответственных изделий, работающих в напряженном тепловом режиме, или в тех случаях, когда к вакууму предъявляют жесткие требования. В частности, из тантала изготавливают аноды и сетки генераторных ламп, катоды прямого и косвенного накала и различные вспомогательные детали электровакуумных приборов. Тантал широко используется в вакуумной технологии в качестве испарителей при осаждении тонких пленок различных веществ.

Особое значение тантал имеет при производстве конденсаторов. Широкое применение получили электролитические и тонкопленочные конденсаторы, получаемые анодированием. Тантал являет собой пример металла, образующего однородные пленки окисла в водных растворах почти любого электролита. Благодаря повышенной диэлектрической проницаемости пятиокиси Ta2O5, такие конденсаторы обладают большой удельной емкостью.

Составной частью «танталовой технологии» является производство тонкопленочных резисторов из этого материала. Вследствие высокой тугоплавкости тантала для получения тонких пленок предпочтительными являются методы катодного или ионо-плазменного распыления в чистом аргоне, а не термическое испарение в вакууме. У металлических пленок тантала наблюдается существенное изменение удельного сопротивления под электрической нагрузкой в атмосферных условиях, что объясняют растворением в них азота и кислорода. По мере легирования тантала азотом стабильность пленок улучшается. Наилучшей временной стабильностыо обладают пленки нитрида Ta2N, которые наиболее широко применяют для изготовления резисторов.

Ниобий - металл, по свойствам близкий н танталу и находящийся, как правило, в тех же рудах, что и тантал . Получают eгo также методами порошковой металлургии. Металл, содержащий 99,4 % Nb. высокопластичен и выпускается в виде прутков, листов, ленты, фольги и проволоки.

Ниобий обладает высокой газопоглощающей способностью в интервале температур 400-9000 С. Поэтому в электровакуумных приборах конструктивные детали из ниобия одновременно выполняют функции нераспыляемого геттера. Среди тугоплавких металлов ниобий имеет наименьшую работу выхода электронов. Поэтому его применяют в качестве накаливаемых катодов в мощных генераторных лампах.

Среди всех элементарных веществ ниобий характеризуется самой высокой критической температурой перехода в состояние сверхпроводимости (9.2 К). Однако критические напряженности магнитного поля у ниобия недостаточны для его широкого применения.

Хром - весьма распространенный в земной коре элемент, обладающий высокой стойкостью к окислению , а потому используемый для защитных покрытий изделии, в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хромирование производят электролитически или с помощью насыщения хромом поверхностных слоев стальных изделий посредством диффузии из внешней среды.

Из тонких пленок хрома изготавливают резисторы и адгезионные подслои для контактных площадок и токопроводящих соединений в интегральных микросхемах, а также светонепроницаемые слои фотошаблонов. Электрические свойства хромовых пленок очень чувствительны к условиям нанесения из-за поглощения остаточных газов в процессе осаждения. Однако хром обладает хорошей адгезией к стеклянным, ситалловым и керамическим подложкам. Кроме того, хром хорошо совместим с любым проводящим материалом. Дополнительным преимуществом хрома является легкость сублимации при получении пленок. Обычно для этих целей используют вольфрамовый или молибденовый испаритель, Термообработка пленок хрома в вакууме вызывает понижение сопротивления вследствие эффектов отжига, отсутствующих у более тугоплавких пленок.

Хром входит в состав большого количества сплавов для нагревательных приборов, термопар, конструкционных нержавеющих, жаропрочных сталей и магнитных материалов.

Рений - один из редких очень тяжелых металлов, с температурой плавления, близкой к температуре плавления вольфрама. Получают рений методами порошковой металлургии. Он отличается редким, сочетанием свойств, удовлетворяющих большниству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Рений и его сплавы с вольфрамом применяют в производстве электроламп и электровакуумных приборов взамен вольфрама. Это обеспечивает более длительный трок службы в условиях динамических нагрузок. Рений и его сплавы вместе с вольфрамом позволяют создавать термопары для измерений температур до 2500-28000 С в вакууме, водороде или инертной среде.

В радиоэлектронике рений применяют для защиты от коррозии и износа деталей из меди; серебра, вольфрама, молибдена. Тонкие пленки рения, получаемые путем испарения электронным лучом в высоком вакууме, используются для создания прецизионных резисторов в интегральных схемах.

^ Сплавы тугоплавких металлов. Помимо чистых тугоплавких металлов в электровакуумной технике для арматуры приборов применяют сплавы вольфрама с молибденом, молибдена с рением, вольфрама с рением, а также танталовольфрамовые сплавы. Изменением содержания компонентов удается получать необходимые механические свойства и пластичность при требуемых электрических и термических свойствах изделия. Например, при сплавлении молибдена н вольфрама, образующих непрерывный ряд твердых растворов, несколько снижается тугоплавкость при сохранении твердости и увеличении удельного сопротивления. Сплав вольфрама с небольшими добавками рения характеризуется эначительно более высокой температурой рекристаллизации по сравнению с чистым вольфрамом.


^ Матеріали для твердотілих лазерів


Лазер представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А. Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электромагнитного поля. Первые приборы на основе вынужденного излучения были созданы в 50-х годах независимо и почти одновременно в СССР академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в США группой ученых во главе с Ч. Таунсом.

Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Активной средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера.

Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня, торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельностъ торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газоразрядных ламп.

Из радиотехники известно, что необходимым условием работы любого генератора является наличие положительной обратной связи, т. е. часть энергии колебаний должна поступать с выхода генератора на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) положительная обратная связь осуществляется резонатором, который обычно выполняют в виде двух плоскопараллельных зеркал. Одно из них полупрозрачно для вывода излучения из активного элемента. Отражающие поверхности резонатора иногда совмещают с торцами рабочего стержня.

Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генерации колебаний, многие физические свойства активной среды определяются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований:

1) неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

2) вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безизлучательных переходах;

3) матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность;

4) материал основы должен обладать высокой. нагревостойкостыо и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации;

5) матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки;

6) материал должен быть технологичен, т. е. доступен для массового производства цилиндрических стержней необходимых размеров. Увеличение размеров рабочего тела позволяет повысить мощность излучения лазера;

7) структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации.

Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения (окислы, гранаты, вольфраматы, молибдаты, ниобаты, алюминаты, цирконаты и др.), фториды различных металлов, а также оксидные и фторбериллатные стекла. Основу последних составляет BeF2.

Основные требования к активатору сводятся к следующему:

1. Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения и узкне сильные линии люминесценции. Чем шире полоса оптического поглощения, тем большая часть излучения накачки используется для возбуждения активных ионов. Однако чем меньше ширина линий люминесценции, тем выше характеристики лазерного излучения и тем меньше мощность требуемая для накачки. Желательно также, чтобы частота возбуждающего (т. е. поглощающего) излучения не очень сильно превышала частоту лазерного излучения. В противном случае значительная часть поглощаемой энергии будет расходоваться на нагрев кристаллической решетки.

2. Активатор должен создавать возбужденные метастабильные уровни (т. е. уровни с большим временем жизни), на которых можно накопить значительное количество электронов. При этом время жизни электронов на метастабильных уровнях должно определяться в основном излучательными оптическими переходами.

Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Именно на рубине в 1960 г. был создан первый твердотельный лазер. Рубинами называют кристаллы α-корунда (А12Оз), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина. В лазерной технике используют розовые. При содержании окиси хрома более 0,5 мас. % рубин приобретает красную окраску. Чистые кристаллы α-корунда оптически прозрачны в диапазоне 0,17-6,5 мкм.

Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет почти кубическую симметрию, несколько искаженную вдоль одной из пространственных диагоналей, в результате чего истинная симметрия кристалла - ромбоэдрическая. Ценными качествами рубина являются высокие механическая прочность и теплопроводность.

Ионы хрома создают в широкой запрещениой зоне корунда систему энергетических уровней (рис. 9), которые существенно отличаются от уровней энергии в свободных атомах хрома из-за воздействия электростатического внутрикристаллического поля.

Уровень ЭI на рис. 9 соответствует основному, т. е. невозбужденному состоянию хрома. Уровни, расположенные выше, характеризуют возбужденные состояния ионов активатора. Широкая полоса ЭЗ используется для поглощения излучения накачки. Переходы электронов между уровнями ЭI и Э2 ответственны за генерацию излучения в кристалле.

При возбуждении внешним светом электроны из основного состояния Эj переходят в полосу Э3, а затем за очень короткое время безизлучательным путем переходят на уровень Э2. Избыточная энергия идет на нагрев кристаллической




Рисунок 9 – Диаграмма энергетических уровней ионов хрома в рубине


решетки. Уровень Э2 является метастабильным, т. е. характеризует возбужденное .. состояние с достаточно большим временем жизни. Это приводит к накоплению электронов на уровне Э2 и созданию инверсной населенности, что необходимо для генерации вынужденного излучения.

Если возвращение электрона в основное состояние.происходит самопроизвольно, спонтанно, то различные активные. ионы излучают неодновременно и независимо. Поэтому излучаемые электромагнитные волны не согласованы по фазе. Случайный характер имеет не только момент испускания фотона, но и направление его распространения. В результате спонтанное излучение оказывается некогерентным и несфокусированным в пространстве.

Однако активный ион может перейти в основное состояние не спонтанно, а вынужденно, под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны соответствует частоте перехода. Образно говоря, такая резонансная волна «раскачивает» электрон на метастабильном уровне и ускоряе его переход в состояние сменьшей энергией. Вероятность вынужденного перехода пропорциональна интенсивности «вынуждающего» излучения. Особенность вынужденного испускания состоит' в том, что излучаемый при электронном переходе «новорожденный» фотон по своим параметрам абсолютно неотличим от вызвавших переход первичных фотонов.

Список літератури


1.Лахтин Ю.М. Леонтьев В. П. Матеріалознавство. М, Машинобудування, 1990, 528с

2.Матеріали для авіаційного приладобудування і конструкцій./Під ред. Белова А.Ф. М., Металургія, 1982, 400с

3.Масленникова Г.Н. і ін. Керамічні матеріали. М.: Стройиздат, 1991, 320с

4.Геварикер В.Р. і ін. Полімери. М.Наука, 1990, 396с

5.Енциклопедія полімерів./ Під ред. Кабанова В.А. і ін., т. 1-3, М., 1977

6.Пасинків В.В., Сорокін В.С. Матеріали електронної техніки. М, ВШ, 1986, 387с


Скачать файл (684 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru