Композиционные материалы

Металлополимеры — компози­ционные материалы, содержащие частицы металла в полимерной мат­рице, получают несколькими мето­дами: термическим разложением металлсодержащих соединений в растворе-расплаве полимера, кон­денсацией паров металла на поли­мерную подложку, капсулированием наночастиц политетрафторэти­леном, электрохимическим осажде­нием металлических наночастиц в полимерах. На основе металлополимерных композитов уже произ­водятся коммерческие продукты, например электропроводящие ком­позиционные материалы для нагре­вательных панелей.

Введение в полимерную матрицу металлических частиц с размерами большими, чем расстояние между цепями, сшивками и кристалличес­кими блоками, приводит к наруше­нию структуры полимера и ухудшению свойств композита. С уменьше­нием размеров частиц металла и по­лимера меняются свойства как ис­ходных компонентов, так и компо­зиционного материала. Изменение доли границ раздела позволяет ме­нять свойства материала. Металли­ческие наночастицы наполнителя приводят к реорганизации надмоле­кулярной структуры полимерной матрицы.

Результаты исследования механи­ческих и трибологических свойств композиционных материалов на ос­нове ПТФЭ и простых (Al₂O₃, Cr₂O₃, ZrO₂) и сложных (шпинелей CoAl₂O₄ и MgAl₂O₄, и кордиерита 2MgO • 2Al₂O₃ • 5SiO₂) оксидных на-нопорошков приведены в табл. 5. Структура композиционного материала с добавкой оксида алю­миния сформирована из более со­вершенных, чем при добавке дру­гих оксидов, надмолекулярных сферолитов одинакового размера.

Таблица 5.

На поверхности трения плотность агломератов из наночастиц шпи­нелей в 3 раза выше плотности аг­ломератов из наночастиц кордие­рита. Более высокая плотность по­крытия агломератами поверхности трения приводит к большему со­противлению контактным дефор­мациям. Композиты на основе ПТФЭ, модифицированные оксидными нанопорошками, имеют большую износостойкость, нежели традиционные антифрикционные материалы, содержащие в качестве наполнителя кокс и дисульфид мо­либдена, но имеют практически оди­наковые с ними прочность и плас­тичность.

Например, композиционные ма­териалы на основе алюминиевых сплавов, упрочненные наночасти-цами высокомодульных тугоплав­ких веществ, характеризуются вы­сокими антифрикционными свой­ствами и износостойкостью.

Слоистые наноматериалы полу­чают различными методами физи­ческого осаждения из газовой фазы (PVD) и химического осаждения из газовой фазы (CVD), электроосаж­дения, методом многократной про­катки и другими методами. Полу­ченный методом CVD многослой­ный наноламинат Mo-W толщиной 50 мкм состоял из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм. Твер­дость и предел прочности этого ма­териала в 15 раз превышает анало­гичные характеристики сплава со­ответствующего состава. Мно­гократным повторением цикла «ва­куумная диффузионная сварка — прессование-прокатка» получены наноламинаты Fe-Ag и Fe-Cu с тол­щиной слоев 20 нм. Для получения наноструктурных покрытий используют различные ме­тоды: плазменное нанесение покры­тий, физическое осаждение из газо­вой фазы (PVD), магнетронное на­пыление, химическое осаждение из газовой фазы (CVD), электролитиче­ское осаждение и другие методы.

Исследования трибологических характеристик детонационных по­крытий из наноструктурированных (с размером зерна карбида вольфра­ма 17 нм) и крупнозернистых по­рошков твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом по­казали, что наноструктурированное покрытие имеет предельную на­грузку, при которой наблюдается катастрофическое разрушение по­верхности, на 20% выше, чем круп­нозернистое покрытие. Коэффици­ент трения наноструктурированно-го покрытия на 40—50% меньше, чем для крупнозернистого покры­тия.

Методом плазменного нанесения и лазерного оплавления получены износостойкие металлокерамические покрытия с ультрадисперсной упрочняющей фазой оксида алюми­ния для тяжелонагруженных узлов трибосопряжений. По критериям износостойкости, задиростойкости и антифрикционности разработан­ные покрытия значительно эффек­тивнее твердого электролитическо­го хромирования, а по экономичес­ким показателям в условиях серий­ного производства и по экологии процесса существенно лучше. Например, нанесение таких покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса роторно-плас-тинчатого насоса для перекачки травящего раствора в производстве печатных плат позволило в условиях серийного производства повысить ресурс работы насосов более чем в 20 раз.

ВЫВОДЫ

Наноматериалы конструкцион­ного назначения получают в основ­ном методами порошковой метал­лургии, кристаллизацией из аморф­ного состояния и интенсивной пла­стической деформацией. Особенно­сти структуры таких наноматериа-лов (размер зерен, значительная до­ля границ раздела и их состояние, пористость и другие дефекты струк­туры) определяются методами их получения и оказывают существен­ное влияние на их свойства. Конст­рукционные наноматериалы обла­дают высокими эксплуатационны­ми свойствами: прочностью при до­статочно высоком уровне пластично­сти; твердостью; износостойкостью; низкотемпературной и высокоскоро­стной сверхпластичностью; повы­шенным сопротивлением малоцик­ловой и многоцикловой усталости; высокодемпфирующими свойства­ми. Повышенная низкотемператур­ная пластичность интерметаллидов и керамики повышает возможность их обработки и получения новых конструкционных материалов.

Это, в свою очередь, позволяет создавать принципиально новые ус­тройства, конструкции и приборы с параметрами, недостижимыми при использовании традиционных мате­риалов. Например, повышение кон­струкционной прочности и износо­стойкости материалов при сохране­нии достаточной пластичности поз­волит: увеличить надежность и дол­говечность инструмента, деталей, машин и конструкций, уменьшить расход металла на изготовление ма­шин и конструкций, увеличить по­лезную грузоподъемность различ­ных видов транспорта, увеличить скорость движения машин, умень­шить расход топлива и загрязнение окружающей среды.

В машиностроении создание но­вых нанокристаллических материа­лов, покрытий и упрочняющих слоев приводит к оптимизации конструк­ций, повышению их надежности, энерго- и ресурсосбережению, улуч­шению трибологических, противо-износных и прочностных свойств из­делий. Создание наноматериалов с повышенными физико-механичес­кими свойствами имеет существен­ное значение при создании ряда новых изделий космической, элек­тротехнической и медицинской техники.

Запатентованы новые способы и ресурсосберегающие нанотехнологии, в том числе повышения долговечности на этапе эксплуатации, упрочнения твердых сплавов, нержавеющих, конструкционных и инструментальных марок стали, кузнечной сварки многослойных композиций и производства цельнокованого нержавеющего дамаска, квазиаморфного модифицирования карбидами и оксидами кремния. При этом ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой методологии для авиации и космоса, машиностроения, строительной, горнодобывающей, перерабатывающей, пищевой и др. отраслей промышленности повышается от 200 до 500%.

Технологии объемного наноструктурирования объединяет направляемая эволюция диссипативных субструктур, самоорганизующихся в направлении наиболее эффективного обмена энергией и веществом со средой обитания (СО) на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ), что определяет исключительно малые энергозатраты. Они реализуются на традиционном термическом оборудовании, имеющемся на любом машиностроительном заводе, а стоимость изделий и инструментов с использованием наших технологий на 20-25% ниже лучших зарубежных аналогов. Немаловажен и другой аспект - ресурсосбережение. Они могут использоваться в замкнутом цикле: производство - эксплуатация - воспроизводство.