WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 12 | 13 || 15 | 16 |   ...   | 19 |

На примере никелида титана рассмотрим возможность термической обратимости мартенситного превращения – основного механизма, обеспечивающего эффект «памяти» формы. Из-за низкого значения температур начала и конца мартенситного превращения, а также малой диффузионной подвижности атомов компонентов, обратное мартенситное превращение в данных сплавах реализуется при любых скоростях нагрева. На сплавах никелида титана, содержащих менее 50,5 % Ni, не происходит диффузионного распада И2-фазы и фазовый состав этих сплавов не чувствителен к термической обработке. Поэтому единственным способом управления характеристиками возврата формы, в данном случае, является изменение структурного состояния В2-фазы путем термомеханической обработки. Сочетание пластической деформации с термической обработкой позволяет получить необходимую для проявления эффекта памяти формы дислокационную структуру.

При высокой плотности дислокаций после холодной пластической деформации сильно расширяется интервал мартенситного превращения и понижаются значения температур начала и конца мартенситного превращения. При деформации более 35 % эффект памяти формы полностью подавляется. Влияние на эффект «памяти» формы предварительной обработки материала с целью создания внутренних ориентированных напряжений могут быть использованы в медицинской практике для изготовления имплантатов с «памятью» формы.

Например, в производстве спиралей используемых для лечения заболеваний, обусловленных сужением кровеносных сосудов.

6 Композиционные материалы После того как современная физика металлов позволила установить причины их пластичности, увеличение прочности, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Такое развитие науки вероятно, уже в вообразимом будущем приведет к созданию высокопрочных материалов, в несколько раз прочнее сегодняшних сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Комбинированные материалы могут быть усилены (упрочнены) либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами, так в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу вводят упрочнители - тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы (карбидов, бериллов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы.

При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих компонентов. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.

Прогрессирующее вытеснение стали новыми материалами связано с их уникальными свойствами, с физической природой тел. В кристаллических твердых телах, в том числе в стали и во всех других металлах, присутствуют линейные дефекты – дислокации, число которых достигает многие миллиарды на 1 см2 сечения. Они ослабляют металл и не дают возможности существенно повысить прочность стали, которая теоретически может достигать 10 кН/мм2. С повышением прочности стали и алюминиевых сплавов значительно вырастают трудности их производства и применения, усиливается чувствительность металла к концентраторам напряжений, коррозийным воздействиям, переменным и динамическим нагрузкам. Важно так же отметить, что другая важнейшая характеристика металла, определяющая работоспособность конструкции в условиях сжатия и изгиба – модуль упругости – имеет невысокие значения и практически мало поддается улучшению. Модуль упругости, отнесенный к удельному весу – удельный модуль – практически одинаков у всех металлических сплавов, за исключением бериллия, но этот металл редкий, дорогой и токсичный и не может быть использован для массовых изделий. На модуль упругости металлических сплавов практически не оказывают влияния различные виды термической обработки или способы деформирования. Реализовать такой проект удалось только применением композиционного материала – углепластика.

Появление и развитие композиционного материала явилось результатом многочисленных многолетних исследований ряда ученых, показавших, что по мере уменьшения диаметра волокон их прочность повышается. Так в очень тонких волокнах она достигает значений, близких к теоретической прочности, а в структуре при этом не наблюдается дефектов. Удельный модуль упругости наиболее высокомодульного углеродного волокна почти в 20 раз превосходит удельный модуль упругости стали. Для получения монолитного материала волокно соединяют в одно целое с матрицей.

По типу матриц композиционные материалы разделяются на 3 класса:

полимерные, металлические, керамические.

Самые распространенные – полимерные композиционные материалы, которые получают в автоклавах путем пропитки волокон смолами с последующей полимеризацией. Однако эти композиционные материалы не достаточно жаропрочны, поэтому при повышенных температурах используются металлические композиционные материалы, а при очень высоких - керамические. Металлические и керамические композиционные материалы получают в газостатах или под прессами при повышенных температурах и давлении.

Другой метод производства металлических композиционных материалов – пропитка волокон жидким металлом под давлением. Среди полимерных композиционных материалов самые распространенные – стеклопластики, в которых в качестве матрицы используют эпоксидные смолы. Данный материал не горит, при высоких температурах сохраняет прочность, не боится воды, не набухает, стоек к коррозии. В настоящее время стеклопластики находят широкое применение для разводящих нефте- и газопроводов, химических емкостей, цистерн, в автомобилестроении, судостроении, в электронике и электротехнике.

Основными направлениями применения полимеров и в общем композиционных материалов медицинского назначения, являются следующие области медицины: ортопедия, офтальмология, стоматология, хирургия, фармакология, иммунология, урология, отоларингология, онкология.

Классификация полимеров медицинского назначения:

- медико-технического направления;

- как имплантаты в восстановительной хирургии;

- полимеры, используемые для разделения и диффузии веществ;

- формы с не химическим введением БАВ;

- полимеры в иммунологии.

6.1 Углеродные композиты и катализ Углерод называют неисчерпаемым и вездесущим. Его соединения и их превращения - основа всех известных биологических процессов. Переход от эпохи бронзы к эпохе железа в начале I тыс. до н.э. был в первую очередь обусловлен получением древесного кокса - продукта пиролиза (превращения одного продукта в другой под влиянием высоких температур без доступа воздуха) древесины. Именно тогда повышение содержания углерода в коксе позволило поднять температуру в плавильных печах с 1000 0С (точка плавления меди) до 1500 0С (точка плавления железа). А в XVIII в. на смену древесному углю пришел каменный. Короче говоря, рассматривая развитие цивилизации, можно, наряду с традиционным делением ее на периоды камня, бронзы, железа, ввести химическую или энергетическую хронологию: переход эпохи дерева к эпохам древесного, затем каменного угля, а ныне - нефти и газа, также «замешанных» на углероде. С этой точки зрения конец нашего столетия обещает стать началом эпохи углерод – углеродных композитов, т.е. материалов, состоящих из двух и более видов углеродов.

Особое место среди них занимает активный углерод. Его можно представить как конструкцию, построенную из слоев атомов, образующих структуру, подобную графиту. Отличие от последнего обусловлено различной степенью внутри- и межслоевой разупорядоченности атомов. В результате активный углерод имеет пространство, объем, и размер пор которого определяются величиной первичных кристаллитов, характером их упаковки и взаимной ориентацией. Вот почему активный углерод еще называют «пористый углеродный материал» (ПУМ).

Из почти бесконечного многообразия исходных материалов, после соответствующих обработок способных превратиться в ПУМ с заданными свойствами, рассмотрим только полученный из газообразных углеродсодержащих соединений - природного газа, метана, а также газов крекинга и т.д. Эти превращения можно проводить путем термического или термокаталитического пиролиза. На первом процессе основано производство сажи (технического углерода), а также пироуглерода (РуС) - вещества, по упорядоченности атомов занимающего среднее положение между сажей и графитом. Во второй половине 80-х годов в Институте катализа им. Г.К.

Борескова СО РАН (г. Новосибирск) совместно с Конструкторскотехнологическим институтом технического углерода СО РАН (г. Омск) под руководством доктора химических наук Ю.И. Ермакова начали работы по созданию нового класса пористых материалов. Они были названы сибунитами (сибирский углеродный носитель). пиролизом пропан-бутановой смеси Пироуглерод получают (при 850 - 950 С) или других углеродсодержащих газов, согласно рисунка 9.

Затем его осаждают на предварительно сформованные гранулы сажи. Размер их первичных частиц может меняться в широком диапазоне - от нанометров до микрон, а количество РуС варьирует в пределах 0,01-10 г/1 г сажи.

Происходящее при этом уплотнение гранул сопровождается значительным ростом их прочности (например, они выдерживают давление в сотни кг/мм2 сечения). Причем выбирается такой режим уплотнения, при котором РуС осаждается в виде слоев наподобие слагающих кристаллы графита, ориентированных параллельно поверхности первичных частиц сажи (так называемый ламеллярный РуС). По сравнению с исходной сажей данный пироуглерод обладает более плотной и химически инертной структурой.

Далее проводится термоокислительная активация (газификация) полученных гранул в потоа - гранулы сажи;

ке паров воды при 700 - 850 С.

b - сажа с нанесенным пароуглеродом;

Вначале в пироуглеродном покрыс, d, e, f - стадии активации.

тии развивается система щелевидных пор шириной 1,5 - 2,0 нм. КоРисунок 9 - Схема формирования струкгда они достигают частиц сажи, туры сибунита начинается выгорание последней.

Это приводит к образованию сферических полостей, чей размер определяется дисперсностью исходной сажи.

При необходимости можно повторить операцию нанесения РуС или других компонентов, провести высокотемпературную обработку и т.д.

Данная технология позволяет получать новый класс композиционных ПУМ с широко варьирующими текстурными и структурными характеристиками. Скажем, величина удельной поверхности сибунитов (площадь поверхности, деленная на массу гранул) колеблется в диапазоне 0,1 - 900 м2/г. Аналогично можно направленно менять объем и распределение пор практически всех размеров. Так, объем макропор - размером 102 - 104 нм регулируется дисперсностью, условиями обработки и формовки исходной сажи; мезопор - величиной 2 · 102 нм - дисперсностью сажи, количеством нанесенного и затем удаленного РуС; размер микропор (до 2 нм) - условиями газификации, количеством нанесенного пироуглерода, дополнительным его нанесением после активации, условиями высокотемпературной обработки. Кстати, при традиционной технологии выработки ПУМ из каменного угля, древесины, торфа и других твердых углеродсодержащих материалов преимущественно растительного происхождения текстура конечного продукта существенно зависит от исходной.

Ранее серьезные проблемы возникали в связи с накоплением минеральных и других примесей, остающихся в составе ПУМ в виде золы. Да и механическая прочность получаемого материала была недостаточно высока. Технология сибунитов решает все эти задачи. Поэтому она запатентована в США и других странах. Полупромышленное производство сибунитов организовано в Конструкторско-технологическом институте технического углерода СО РАН, первые опытные партии его закуплены рядом отечественных предприятий и зарубежных фирм.

История другого - термокаталитического метода выработки углеродных композитов началась в конце XIX века, когда американцы Хьюгес и Чемберс обнаружили и в 1889 году запатентовали способ получения углеродных волокон при пиролизе смеси метана и водорода в железном тигле, а на рубеже 1920-1930-х годов Фишер и Гофман (Германия) впервые описали образование тех же волокон при разложении окиси углерода на железе. Оказалось, причина их появления - так называемая каталитическая коррозия. От нее разрушаются металлические дымоходы, химические реакторы, трубопроводы: при обработке органических соединений образовываются побочные продукты в виде каталитического волокнистого углерода (KBУ); он-то и действует столь негативно.

Много лет усилия специалистов были направлены на борьбу с этим явлением.

В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН занялись не только борьбой с ним, но и поиском условий и катализаторов, позволяющих получать максимальное количество углерода на единицу массы последних до момента их полной дезактивации, используя наиболее дешевые углеродсодержащие газы (например, метан). И работа увенчалась успехом.

Дезактивация – потеря способности катализатора разлагать углеродсодержащие газы на углерод и водород.

На сегодня к лучшим можно отнести никелевые и никелево-медные катализаторы, содержащие 75 - 90 % металла и позволяющие получать из метана при температуре примерно 500 0С до 300 г КВУ на 1 г исходного катализатора, в соответствии с рисунком 10. В результате газ трансформируется в ПУМ, содержащий всего до 0,3 % минеральных примесей (меньше, чем в природном графите), его состав определяется катализатором.

На сегодня к лучшим можно отнести никелевые и никелево-медные катализаторы, содержащие 75 – 90 % металла и позволяющие получать из метана при температуре примерно 500 0С до 300 г КВУ на 1 г исходного катализатора.

Pages:     | 1 |   ...   | 12 | 13 || 15 | 16 |   ...   | 19 |



© 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.