Диссертация (1137329), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Различные типы структур многослойных композитов представлены на Рис. 1.1.14(а). с равномерно чередующимисяразнородными слоями(б ). из однородных слоев(в). со слоистымимакрокристаллами(г). с переменным химическимсоставом слоев по толщине изделия(д ). со слоями различной плотности(е). полученный направленнойкристаллизацией(ж). многослойная(многоэкранная) теплоизоляция(з). сотовая конструкцияРис. 1.1.Основные типы многослойных композитовСледует отметить, что во многих литературных источниках приводятся недостаточно полные и отрывочные сведения о слоистых композиционныхматериалах, как, например, в [14–19]. В данной главе предпринята попытка сбора и систематизации наиболее значимых результатов работ, как оте15чественных, так и зарубежных, достигнутых в данной области.
Кроме того,сформированы требования к характеристикам разрабатываемого материалапри заданных условиях его эксплуатации.1.1. Постановка задачиСформулируем алгоритм решения задачи проектирования композиционного материала с заданными физико-механическими свойствами.1. Постановка задачи: формирование требований к материалу, выраженных в форме набора значений характеристик, которым должен удовлетворятьразрабатываемый материал.2. Выбор системы составляющих компонентов и типа структуры композита на основе результатов сравнительного анализа данных об особенностяхфизико-химического взаимодействия различных фаз между собой при рабочих условиях эксплуатации и сведений о влиянии типа структуры на конечные свойства материала.3. Выбор наиболее подходящей (для решения поставленной задачи) физико-математической модели, способной с достаточной степенью достоверности и точности описывать поведение композиционного материала при заданных внешних условиях, а также прогнозировать изменение его теплофизических и термомеханических свойств.
Адаптация и корректировка (например,введение дополнительных поправок) выбранной модели под конкретные условия решаемой задачи. Разработка программной реализации модели, предоставляющей удобный и эффективный способ проведения вычислений с минимальными временными и ресурсными затратами с возможностью варьирования входных параметров модели в достаточно широком диапазоне.
Проведение численного моделирования физико-механических свойств материала приразличных значениях входных параметров.4. Определение оптимальных значений структурных параметров материала с использованием подходящих оптимизационных алгоритмов и резуль16татов численного моделирования.5. Выбор технологического способа получения материала и оптимизация параметров технологических циклов на основе экспериментальных, расчетных и литературных данных.
Аттестация структурных характеристик полученных опытных образцов материала.6. Сопоставление экспериментальных данных о конечных достигнутыхфизико-механических свойствах материала с прогнозируемыми характеристиками.Требования к характеристикам разрабатываемого материала сведены вТаблицу 1.Таблица 1.Требования к характеристикам разрабатываемого композитаРабочая температура , КПредел прочности при изгибе B , МПаПлотность , кг/м3Трещиностойкость 1C , МПа · м1/2Теплопроводность , Вт/(м · К)Стойкость к перепадам температуры Δ, К1 500не менее 150не более 4,8 · 103не менее 5не более 25не менее 4501.2.
Многослойные композиты металл-оксидРяду высокотемпературных аппаратов необходима эффективная теплоизоляция с коэффициентом теплопроводности на уровне 1 ÷ 5 Вт/(м · К), работоспособная при температуре до 2 000 ÷ 2 500 ℃ и выше в различных атмосферах: окислительной, восстановительной, а также в вакууме. К такимтеплоизоляционным материалам предъявляются требования высокой прочности, эрозионной стойкости и термостойкости в высокоскоростных газовыхпотоках, ограниченного массоуноса.Наиболее успешно перечисленным требованиям могли бы удовлетворятьматериалы на основе некоторых особотугоплавких оксидов, в первую очередь, на основе стабилизированного диоксида циркония, имеющего низкуютеплопроводность (менее 2 Вт/(м · К)) и высокую температуру плавления17(2 710 ℃).
Существенным недостатком диоксида циркония, а в равной степени и некоторых других тугоплавких оксидов, также обладающих низкойтеплопроводностью (HfO2 , Y2 O3 , Sc2 O3 , ThO2 ), являются низкие термостойкость и ударная вязкость.Для повышения термостойкости оксидных керамик используют ряд методов [20]. Среди них наиболее перспективным является армирование матрицы металлическими включениями — порошковыми, волокнистыми и др.Значительными преимуществами обладают композиционные материалысо слоистым армированием, обеспечивающим наибольшее увеличение термостойкости при введении соответствующим образом расположенной более пластичной металлической фазы.Известные огнеупорные композиты, состоящие из слоев, содержащих частицы разных исходных веществ и отличающихся по размеру частиц, плотности, линейной усадке, коэффициенту теплового линейного расширения (КТЛР),изготавливают в таких условиях, чтобы разница в линейной усадке междуслоями при обжиге не превышала 2 %, а разница КТЛР при рабочих температурах — 10 %.Отмечается, однако, что если структура композита состоит из слоев толщиной не более 50÷100 мкм, то в них могут быть реализованы условия релаксации, предотвращающие повреждение слоистого материала даже при значительной разнице в усадке и КТЛР вещества отдельных слоев.
Установленотакже, что это свойство в наибольшей степени реализуется в том случае, еслимежду слоями создают надежную контактную связь.Значительно более серьезной является проблема обеспечения при высокой температуре химико-физической совместимости тонких контактирующих металлических и оксидных слоев. При длительной эксплуатации металлоксидных слоистых композитов слои металла толщиной в десятки микрометров могут подвергнуться сильному окислению, а слои оксида — восстановлению, даже если макроскопически между этими веществами при данной тем18пературе химическое взаимодействие отсутствует.Сформулируем правила отбора, которыми следует руководствоватьсяпри выборе системы фаз.1.
По химической совместимости. Для композитов с оксидным наполнителем в качестве металлической фазы рекомендуется применять металлы,сродство которых к кислороду ниже, чем у металла оксида, либо использовать металлы, образующие оксиды, изоморфные основному оксидному компоненту композита (например, как в системе Al2 O3 −Cr).2. По термомеханической совместимости. Рекомендуется обеспечить близость значений КТЛР контактирующих фаз.3. По возможности образования прочной связи на границах фаз, которая может быть оценена по относительным величинам работы адгезии и когезии. Прочность образующихся на межфазных границах связей между атомами определяется типом взаимодействия.
При физическом взаимодействииэнергия связей оценивается единицами, а при химическом — десятками и сотнями кДж/моль. Поэтому по величине работы адгезии можно определить типсил, характеризующих связь между фазами. В некоторых случаях прочнаясвязь между слоями обеспечивается определенным химическим взаимодействием материалов слоев.Таким образом, основными проблемами, связанными с созданием слоистых композиционных материалов, равно как и других видов, являются:– предотвращение химического взаимодействия между контактирующими фазами при высоких температурах;– обеспечение хорошей адгезиальной связи между этими фазами.Минимальное химическое взаимодействие между фазами устанавливается в том случае, если они находятся в термодинамическом равновесии друг сдругом, обладают минимальной взаимной растворимостью при соответствующих температурах, не изменяют своего состава и кристаллического строенияв течение длительной выдержки при высоких температурах.19Достаточно полную информацию о взаимодействии компонентов композита можно получить на основе результатов термодинамического анализавзаимодействия в данной системе путем расчета изобарно-изотермическихпотенциалов возможных реакций.Известные литературные данные об особенностях взаимодействия фазв наиболее важных высокотемпературных системах металл-оксид сведены вТаблицу 2.Таблица 2.Особенности взаимодействия фаз в высокотемпературных системахметалл-оксидСистемаBeO−Cr, ℃1 000 ÷ 1 200Среда—BeO−Ni1 000 ÷ 1 8001 090 ÷ 1 5401 400 ÷ 1 800Нейтр.,вакуумВакуумНейтр.1 800То же1 700 ÷ 1 900Вакуум1 8001 700 ÷ 1 900Нейтр.Вакуум——1 090 ÷ 1 5401 6001 700 ÷ 2 200ВакуумТо жеВакуумCr2 O3 −Cr1 6601—Cr2 O3 −Mo1 8601—Cr2 O3 −W2 0001—BeO−NbBeO−MoBeO−Ta1Температура плавления эвтектикиХарактер взаимодействияВ смеси порошков взаимодействуютс восстановлением BeOНе взаимодействуютНе взаимодействуютВзаимодействуют слабо, происходитслипание образцовВзаимодействие идет по границам зерен оксида с образованием Nb2 O5Взаимодействуют с образованиемNbBe2Не взаимодействуютВзаимодействуют с образованием бериллида молибденаХимическое взаимодействие термодинамически не осуществимоНе взаимодействуютНачинают взаимодействоватьВзаимодействуют с образованием новой фазыИмеют одну эвтектическую точкупри 20 вес.
% Cr (Рис. 1.2, а)Образуют простую эвтектику при31 вес. % Mo.Химического взаимодействия нет,твердыерастворыотсутствуют(Рис. 1.2, б )Образуют простую эвтектику при21 вес. % W.Химического взаимодействия нет,твердыерастворыотсутствуют(Рис. 1.2, в)Лит.[21][21][21][21][22][21][23][24,25][24,25]20Таблица 2. (Продолжение)СистемаCr2 O3 −Ta, ℃1 300 ÷ 1 400Среда—MgO−Ti1 4001 600 ÷ 1 800—Нейтр.MgO−Ni1 400 ÷ 1 8001 800Нейтр.ГелийMgO−Zr1 8001 900 ÷ 2 000ГелийВакуум1 6001 4001 800ГелийНейтр.Нейтр.1 900 ÷ 2 000Вакуум1 600Вакуум1 8002 000Нейтр.Вакуум——> 1 600Вакуум2 000ВакуумMgO−NbMgO−MoMgO−TaMgO−WAl2 O3 −TiAl2 O3 −CrAl2 O3 −NiAl2 O3 −Nb1 600Нейтр.700 ÷ 1 700Вакуум1 200 ÷ 1 4001 400 ÷ 1 6001 8001 090 ÷ 1 6401 600 ÷ 1 800Нейтр.Нейтр.ГелийВакуумНейтр.2 080ВакуумХарактер взаимодействияОбразуется фаза CrTaO4 .
Химическое взаимодействие идет через стадию окисления тантала до −Ta2 O5 .Mo, Re и W быстро реагируют у поверхности расплава Cr2 O3 . Образуюткомпозиции эвтектического типаВзаимодействуют слабоПроисходит сильная коррозия окисла с образованием Mg2 TiO4Не взаимодействуетСильное взаимодействие, плавлениепереходного слояСильное взаимодействиеВзаимодействуют с образованием новой фазыНе взаимодействуютСлабо взаимодействуютВзаимодействуют с образованием пограницам зерен окисла Nb2 O3Взаимодействуют с образованием новой фазыОбразуется серебристый налет наMgOНе взаимодействуютОбразуется серебристый налет наMgO, взаимодействия твердых фазнетХимическое взаимодействие термодинамически не осуществимоВзаимодействуют с образованием новой фазыВзаимодействуют с частичным восстановлением MgO и слабым прилипанием образцовW быстро взаимодействует у поверхности расплава MgO, образуются композиции эвтектического типаВзаимодействуют слабо с образованием TiO2Взаимодействуют с образованиемтвердых растворовНе взаимодействуютНе взаимодействуютВзаимодействуют слабоНе взаимодействуютВзаимодействуют слабо с образованием Nb2 O5Активное химическое взамодействиеЛит.[24,26][21][21][21][21][21][21][27][22][21][21,27][26][21][21][21][21]21Таблица 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
