WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 24 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» _ О.Л. Хасанов, Э.С. Двилис, З.Г. Бикбаева МЕТОДЫ КОМПАКТИРОВАНИЯ И КОНСОЛИДАЦИИ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Учебник Издательство Томского политехнического университета Томск 2008 1 ББК 30.3-3'3,1Я73 УДК 620.18(075.8) Х 24 Хасанов О.Л.

Х 24 Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий / О.Л. Хасанов, Э.С. Двилис, З.Г. Бикбаева – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 212 с.

В учебнике изложены основные методы компактирования и консолидации порошковых наноматериалов и получения из них изделий. Из большого разнообразия наноструктурных материалов в основном рассматриваются объёмные наноструктурные материалы и изготовленные на их основе керамики конструкционного и функционального назначений.

Подробно представлен метод и результаты практической реалиизации ультразвукового компактирования порошков, как одного из перспективных для изготовлнеия объёмных порошковых наноматериалов. В учебнике приведён анализ напряжённо-деформированного состояния и реологических свойств уплотняемого порошкового тела на основе однопараметрического уравнения прессования, которое имеет однозначную интерпретацию физического смысла входящих в него коэффициентов и позволяет определить большинство характеристик прессуемости. Учебник предназначен для студентов, инженеров направления «Материаловедение, наноматериалы и нанотехнологии».

УДК 620.18(075.8) Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты Доктор физико-математических наук, профессор ТУСУРа С.Г. Еханин.

Доктор технических наук, профессор ТУСУРа Г.В. Смирнов © Томский политехнический университет, 2008 © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, Содержание Введение..........................................................................................................Глава 1. Консолидированные наноструктурные материалы.................... 1.1. Особенности объемных наноструктурных материалов, роль границ зерен.............................................................................................. 1.2. Условия формирования наноструктуры материала...................... 1.3. Влияние интенсивной пластической деформации........................ 1.4 Агломераты наночастиц.................................................................... 1.5. Основные методы получения нанопорошков................................ 1.6. Микро- и макроструктура порошкового компакта....................... 1.7. Трение в порошковом компакте...................................................... 1.8. Градиенты плотности в порошковых компактах........................... 1.9. Конструкционные наноматериалы.................................................. 1.10. Функциональная керамика............................................................. Глава 2. Порошковые технологии компактирования материалов........... 2.1. Холодное статическое прессование в закрытых пресс-формах... 2.2. Горячее прессование......................................................................... 2.3. Изостатическое и квазиизостатическое прессование.................... 2.4. Формование литьём.......................................................................... 2.5. Динамические, высокоэнергетические и импульсные методы прессования.............................................................................................. 2.6. Ультразвуковое квазирезонансное прессование........................... 2.7. Технологии послойного и селективного формирования объёмных наноматериалов...................................................................... 2.8. Спекание в разряде плазмы (метод SPS)........................................ Глава 3. Характеристики компактирования порошков............................. 3.1. Оценка этапов и граничных условий процесса уплотнения порошков................................................................................................... 3.2. Распределение давления вдоль оси прессования........................... 3.3. Оптимизация уравнения прессования............................................ 3.5. Кривые уплотнения и упругие свойства порошкового тела...... 3.6. Зависимость параметров прессовки от её упругих свойств....... 3.7. Параметры межчастичных связей................................................. 3.8. Оптимизация внешнего воздействия............................................ Глава 4. Физические эффекты, связанные с ультразвуковым компактированием...................................................................................... 4.1. Распространение ультразвука в среде нанопорошков переменной плотности........................................................................... 4.2. Изменение акустических характеристик в компактируемом нанопорошке........................................................................................... 4.3. Механизмы воздействия мощного ультразвука на компактируемый нанопорошок............................................................ 4.4. Эффективность способов ориентации колебательного смещения относительно оси прессования........................................... 4.5. Влияние ультразвукового воздействия на качество прессовки. 4.6. Влияние УЗВ на параметры уплотнения и межчастичные связи......................................................................................................... 4.8. Порораспределение и зернистость спечённой керамики........... 4.9. Параметры кристаллической структуры и прочностные свойства конструкционной керамики.................................................. Заключение.................................................................................................. Список литературы..................................................................................... Список условных обозначений НП – нанопорошки;



НС – наноструктурные материалы;

НТ – нанотрубки;

РКУ – равноканальное угловое прессование;

ИПД – интенсивная пластическая деформация;

ХИП – холодное изостатическое прессование;

ГИП – горячее изостатическое прессование;

УЗВ – ультразвуковое воздействие;

УЗК – ультразвуковые колебания;

АСМ – атомно-силовая микроскопия;

LALLS – метод малоуглового рассеяния лазерного излучения;

STM – сканирующая туннельная микроскопия;

SEM – сканирующий электронный микроскоп;

FFM – латеральная мода атомно-силовой микроскопии;

ОКР – область когерентного рассеяния;

SPS – спекание в разряде плазмы;

ЦТС – титанат-цирконат свинца;

ВST – барий-стронций титанат;

HRTEM – электронный микроскоп с атомным разрешением;

Введение Термин «нанотехнологии» впервые появился в литературе в 1974 году в работе Н. Танигучи (Япония) [1]. В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм. Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых обусловлены упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.

Концепция наноструктуры твёрдого тела была предложена Глейтером Г. [2, 3] им же практически реализован способ получения компактных материалов с зёрнами (кристаллитами) нанометрового размера. Начиная с этого времени компактные и дисперсные материалы, состоящие из нанометровых частиц, стали называть нанокристаллическими [4].

В настоящее время применяются следующая классификация порошков: грубодисперсные (200–1000 мкм), среднедисперсные (10–200 мкм), тонкодисперсные (0,1–10 мкм) и ультрадисперсные или нанокристаллические (до 100 нм). Порошки с частицами нанометровых размеров выделяют в отдельный класс материалов в силу уникальности их строения и свойств и называют ультрадисперсными или нанопорошками [5].

Исторический приоритет в практическом изготовлении и использовании наноразмерных материалов принадлежит России. Ещё в 50-е годы на предприятиях были получены ультрадисперсные порошки металлов с размерами частиц около 100 нм, которые были применены при изготовлении высокопористых мембран для диффузного метода разделения изотопов урана [6]. К началу 90-х годов ХХ столетия отечественные исследования позволили разработать около 20 способов получения наноразмерных ультрадисперсных материалов, выявить основные особенности их структуры и свойств, найти возможности их практического использования в интересах различных отраслей экономики.

Обзоры современного состояния в области разработки наноматериалов встречаются во многих монографиях и статьях, среди которых назовём отечественные работы: Алфёров Ж. И. [7], Третьяков Ю. Д. [1], Шевченко В.Я. [8, 9], Гусев А.И. [4], Петрунин В.Ф. [6], Губин С.П. [10], Андриевский Р.А. [11], Валиев Р.З. [12], Суздалев И.П. [13] и другие.

Также можно рекомендовать ряд учебников и учебных пособий [4, 11,14–16]:

• Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы.М.:

Физматлит.–2001.–224с.;

• Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.:

Изд. Центр «Академия».–2005.– 192 с.;

• Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.:

Физматлит.2005.–416с.;

• Головин Ю.И. Введение в нанотехнику.–М.: Машиностроение.– 2007.–496 с.;

• Алымов М.И. Порошковая металлургия нанокристаллических материалов.–М.: Наука.–2007.–169с.;

иностранные издания [17–19]:

• M.E.Fayed, L.Otten Handbook of powder sience. Technology. CarmanHall.–New York.–1997.–898 p.;

• Handbook of Advanced ceramics. Vol.1,2. // Somiya S., Aldinger F., Claussen N. end al.–Academic Press.–2003.– 787 p.,495 p.;

• Buchanan Relva C. Ceramic Materials for Electronics.– New York.– 2004.–676 p.

Из большего разнообразия наноматериалов Глейтер Г. [2] предлагает выделить всего три класса наноматериалов:

• наночастицы;

• нанослои, плёнки, приповерхностные структуры;

• объёмные наноструктурные материалы.

На развитие научных исследований и разработок в области наноматериалов и нанотехнологий в настоящее время уделяется довольно большое внимание. Например, разработана Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2007–2012 годы». В рамках этой программы по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и наноматериалов» будут осуществляться научноисследовательские и опытно-конструкторские работы в области нанотехнологий и наноматериалов [20].





Имеются два пути использования ультрадисперсных материалов: в виде полученного в производстве порошка или в форме компактов – изделий. В виде порошков они находят применение как модификаторы литых сплавов, наполнители композитов, пластмасс, резины, нанесение различных покрытий, производство полировочных коллоидных паст и другие применения [5].

Для получения объёмных изделий из ультрадисперсных порошковых материалов в большинстве случаев требуется провести их компактирование. Наиболее освоены для этого технологии прессования в высоком вакууме, спекание под давлением, горячее изостатическое прессование и высокотемпературная газовая экструзия. В последние годы идут разработки новых технологий компактирования наноструктурных материалов. К их числу относят различные импульсные методы, включая ударно-волновое, например, путём взрыва, магнитно-импульсное и гидродинамическое прессование, прессование с наложением ультразвукового воздействия, электроимпульсное прессование и другие [5]. Однако при компактировании возникает много проблем. Одна из них – это сохранение однородной нанокристаллической структуры объёмного материала на протяжении всего технологического цикла его получения, то есть обеспечение равномерной плотности на стадии консолидациинанопорошков и предотвращение рекристаллизации и образования крупных пор на стадии высокотемпературной обработки. Это требует подавления при спекании массопереноса из-за термоупругого последействия, зональной обособленности (зон разной плотности), объёмной усадки (мест разной межзёренной плотности) и при прессовании преодоления большого межзёренного трения. При компактировании нанокристаллических порошков в конкретные изделия необходимо учитывать их специфические свойства: значительную удельную поверхность и избыточную поверхностную энергию [5].

Проблема компактирования и консолидации наноструктурных материалов рассмотрена в вышеперечисленных обзорах, учебниках и учебных пособиях. В настоящей книге упор сделан на проблемы и достижения в компактировании нанокристаллических материалов и изделий при прессовании с наложением ультразвукового воздействия.

В первой главе на основе новейших литературных источников дана характеристика особенностей наноструктурных материалов. Показано, что из нескольких типов наноматериалов, широко изучаемых в настоящее время, огромную роль играют консолидированные наноструктурные материалы – это конструкционные, функциональные нанокерамики и оптические прозрачные нанокерамики. Рассмотрены условия формирования наноструктуры материала состояния зёренной составляющей и межкристаллитных границ.

Во второй главе приведены описания наиболее часто применяемых методов компактирования объемных наноструктурных материалов.

Кратко изложена суть методов и проанализированы их достоинства и недостатки в особенности применительно к компактированию нанопорошков с применением ультразвукового воздействия; описаны разработанные в Томском политехническом университете специальные типы оснастки для сухого прессования наноструктурных порошков под воздействием мощного ультразвука.

Третья глава посвящена описанию методики определения параметров напряженно-деформированного состояния, упругих и реологических свойств порошкового тела в процессе его сухого одноосного компактирования с использованием безразмерной формы однопараметрического уравнения прессования. В этой главе проводится анализ рассматриваемых в литературе уравнений прессования нанопорошков и обосновано применение модифицированного однопараметрического уравнения прессования, в безразмерной форме предложенного авторами, облегчающего интерпретацию физического смысла входящих в него коэффициентов.

В четвертой главе показано, что применение нанопорошков в современной порошковой технологии поставило ряд специфических технологических проблем, а с другой стороны – предоставило возможности использованию размерного фактора (субмикронных размеров частиц) в процессах ультразвукового прессования нанопорошков, проанализировано влияние физических эффектов, обусловленных воздействием ультразвука на компакты. Среди этих эффектов – прирост плотности прессовок, достижение равноплотности по объёму изделий, разрушения агломератов изменение фазового состава, дефектной структуры и микроструктуры нанокерамики.

Учебник предназначен для студентов, аспирантов, занимающихся проблемами получения объёмных изделий из наноструктурных материалов.

Глава 1. Консолидированные наноструктурные материалы В настоящее время во всём мире ведутся интенсивные исследования и разработки производства наноструктурных материалов. Разветвлённая классификация наноматериалов дана в обзоре [7]:

• полупроводниковые наноструктуры (квантовые проволоки, квантовые точки, фотонные кристаллы и др.);

• магнитные наноструктуры;

• двумерные многослойные структуры из плёнок нанометровой толщины;

• молекулярные наноструктуры;

• фуллереноподобные материалы;

• конструкционные наноматериалы.

Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004), выделяют следующие типы наноматериалов [1]:

• нанопористые структуры;

• наночастицы;

• нанотрубки и нановолокна;

• нанодисперсии (коллоиды);

• наноструктурированные поверхности и плёнки;

• нанокристаллы и нанокластеры.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 24 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.