Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

6.2 Сплавы с эффектом памяти

При  напряжениях  больших  предела  упругости  (s>s_упр)  после  снятия  нагрузки  металл  не  воспроизводит  первоначальные размеры  и  форму.  Сравнительно  недавно  открыты  сплавы,  обладающие  эффектом  “ памяти  формы ”. 

Эти  сплавы  после  пластической деформации  восстанавливают  свою  первоначальную  геометрическую  форму  в  результате  нагрева  (  эффект  “памяти  формы”)  или ственно  после  снятия  нагрузки  ( сверхупругость ).

    Механизмом,  определяющим  свойства  “памяти  формы”,  является  кристаллографическое  обратимое  термоупругое  мартенситное превращение – эффект  Курдюмова.  

Это  превращение  сопровождается  изменением  объема,  которое  носит  обратный  характер,  обеспечивая память.    В  сплавах  с  эффектом  “памяти  формы”  при  охлаждении   происходит  рост  термоупругих  кристаллов  мартенсита,  а  при  нагреве их уменьшение  или  исчезновение.  

Эффект  “памяти  формы”  наиболее  хорошо  проявляется  при  низких  температурах  и  в  узком  интервале температур,  иногда  порядка  нескольких  градусов ( кельвин ).

В  настоящее  время  известно  большое  число  двойных  и  более  сложных  сплавов  с  обратным  мартенситным  превращением,  обладающих в  разной  степени  свойствами  “памяти  формы”: Ni – Al, Ni – Co, Ni – Ti;   Ti – Nb;   Fe – Ni;      Cu – Al, Cu – Al – Ni   и  др.

Наиболее  широко  применяют  сплавы  на  основе  мононикелида  титана  NiTi,  получившие  название  нитинол.  Эффект   “памяти  формы” в  соединении  NiTi  может  повторяться  в  течение  многих  циклов.

    Свойства  мононикелида  титана: 

·         высокая  прочность:  s_т=300¸500 МПа;  s_в=770¸1100 МПа;

·         пластичность:  d=10¸15%;

·       коррозионная  и  кавитационная  стойкость  и  демпфирующая  способность (хорошо  поглощает  шум  и  вибрацию).

Применение  нитинола:  нитинол  применяют  как  магнитный высокодемпфирующий   материал  во  многих  ответственных  конструкциях.  Из  нитинола  изготовляют  антенны  спутников  Земли.  Антенна скручивается  в  маленький  бунт,  а  после  запуска  в  космос  восстанавливает  свою  первоначальную  форму  при  нагреве  до  температуры  выше 100° С.

6.3 Углерод-углеродные материалы

В композиционных углеграфитовых материалах на основе углеродной матрицы и углеродных волокон в качестве матрицы используют пироуглерод, коксовые остатки термореактивных смол, кам.-уг. или нефтяного пека, в качестве волокон-наполнителей – высокопрочные углеродные волокна - нити (непрерывные и рубленые), жгуты, ткани. Углерод-углеродный материал по сравнению с графитом характеризуются низкой плотностью (вследствие пористости материала), высокой прочностью и жесткостью, сохраняющимися неограниченно долго в инертных и восстановит, средах при температурах до 3000 ⁰C, а также пластическим характером разрушений.

Изделия из однонаправленно, перекрестно и хаотически армированных углерод-углеродных материалов получают карбонизацией соответствующих углепластиков при температуре около 1000 ⁰C или уплотнением пористой углеродной матрицы с помощью повторяющихся процессов пропитки волокон термореактивными смолами. Изделия из пространственно армированных материалов получают формированием углеродной матрицы в объеме предварительно изготовленного волокнистого каркаса путем карбонизации термопластичных пеков под давлением или осаждением на каркас углерода, образующегося при пиролизе газообразных углеводородов. Во всех случаях избегают деформирования исходного каркаса, который до сформирования углеродной матрицы не обладает конструкционной жесткостью. С учетом конкретных условий эксплуатации изделия на практике проводят сочетание различных технологических приемов с высокотемпературной обработкой в инертной среде или вакууме, что позволяет изменять структуру материала и регулировать объем пор. Предельная температура обработки всегда выше температуры эксплуатации получаемых изделий. Во избежание остаточных внутренних напряжений при конструировании и изготовлении деталей изделий используют термостойкую оснастку из графита; конструирование деталей и схем их армирования обычно проводят по высокотемпературной технологии.

Физико-механические и тепло-физические свойства углерод-углеродных материалов существенно зависят от температуры обработки и вида армирования. Для однонаправленно армированных углерод-углеродных материалов с общей пористостью ~ 12% предельные значения s _раст, s _изг, s _сдв, и s _сж могут достигать соотв. 600, 1200, 25 и 800 МПа. Коэффицент температуропроводности колеблется от 5,5.

5.3 Углеграфитовые материалы

Все виды углеграфитовых материалов производятся на основе углерода. Ассортимент изделий весьма многочислен, а каждый вид характеризуется оригинальными свойствами.

Основную роль в создании такой разновидности изделий играют прежде всего углеродистые вещества, встречающиеся в разнообразных формах, а также их сложная технологическая переработка.

Структура графита состоит из непрерывного ряда слоев параллельных оснований плоскости гексагонально связанных атомов углерода. Структура графита является типичным примером слоистой решетки. Каждая сетка (слой) толщиной в один атом представляет собой одну молекулу, простирающуюся через весь кристалл.

Две структуры характерны для графита: гексагональная и ромбоэдрическая. В обеих структурах основным элементом является плоская сетка. Располагая эти плоские сетки в той или иной закономерности, можно создать ту или иную структуру графита. Расстояние между слоями как в одной, так и в другой идеализированной структуре одинаково. Следовательно, обе структурные разновидности графита будут отличаться друг от друга только закономерностью последовательного расположения плоских сеток.

В одной и той же массе могут присутствовать обе структуры графита. Причем наиболее распространенной является гексагональная структура, которая содержится в любом графитовом веществе (более 80 %). При высокой температуре (более 200 0С) ромбоэдрическая модификация превращается в гексагональную, чем и объясняется, что искусственные графиты состоят почти полностью из гексагональной модификации.

Расположение плоских слоев в гексагональной структуре подчинено следующей закономерности: два соседних слоя смещены один по отношению к другому на 14,17 нм, но в противоположную сторону. Следовательно в слоях, расположенных через один слой, атомы углерода будут располагаться строго один под другим. Если один слой обозначить через "А", а другой через "В", то последовательность упаковки можно представить символом АВАВАВ.

Элементарной ячейкой гексагональной структуры графита является прямая призма, в основании которой лежит правильный ромб. Теоретическая плотность при данной модификации равна 2265 кг/м3.

Другая идеализированная структура графита, ромбоэдрическая, также состоит из плоских шестиугольных сеток и также каждый слой по отношению к другому сдвинут на 14,17 нм. Однако закономерность чередования слоев иная. Если в гексагональной структуре имеются слои "А" и "В" в двух различных положениях, то в ромбоэдрической структуре эти слои имеют три различных положения. По аналогии с предыдущим, ромбоэдрическую решетку можно представить упаковочным символом АВСАВС… или в каждом третьем атоме слое атомы углерода располагаются точно под первым. Обработка горячими сильными кислотами приводит к перестройке атомных слоев и подавлению ромбоэдрической структуры с образованием гексагональной.

Еще в недалеком прошлом в промышленности производились в основном для электротермических и электролитических процессов, а также мелкие изделия электротехнического назначения - электроугли разных типов. В последние годы в электродной и электроугольной промышленности освоен широкий ассортимент новых видов изделий из угля и графита и очень расширились области их применения, что потребовало четкой классификации изделий.

Все виды углеграфитовых материалов можно разделить на следующие семь классов: электродные изделия, огнеупорные изделия, химически стойкие изделия, электроугольные изделия, антифрикционные изделия, графитированные блоки и детали для атомной энергетики, электродные массы.