Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее. Том 2. Передовые технологии производства

 взгляд В БУДУЩЕЕ



Материалы
и покрытия в экстремальных условиях

 2
том

Передовые технологии производства



Под редакцией С.В. Резника




МОСКВА
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2002

УДК 629.76
ББК 34.432
    М27

   Рецензенты: член-корр. РАН О.М. Алифанов, академик РАН А.И. Леонтьев
   Редакционная коллегия: Ю.В. Полежаев, С.В. Резник, В.Г. Ситало, В.В. Скороход, А.Н. Тимофеев, В.И. Тимошенко, Г.А. Фролов

        Материалы и покрытия в экстремальных условиях.

М27 Взгляд в будущее: В 3 т. - Т.2. Передовые технологии производства / В.В. Скороход, Н.А. Никифоров, С.В. Резник и др., Под ред. С.В. Резника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 296 с.: ил.

       ISNB 5-7038-1991-1 (Т.2)
       ISNB 5-7038-1989-Х

       Книга является частью научного издания в трех томах, обобщающего результаты оригинальных научных исследований материалов, покрытий и конструкций для работы в экстремальных условиях. В данном томе наряду с освещением фундаментальных проблем машиностроительных технологий, раскрываются современное состояние и перспективы развития исследований на ряде важнейших научнотехнологических направлений, таких как производство изделий из композиционных материалов, стекла, керамики, металлов и сплавов.
       Книга будет полезна ученым и инженерам, а также студентам и аспирантам технических вузов.


УДК 629.76
ББК 34.432





ISNB 5-7038-1991-1 (Т.2)
ISNB 5-7038-1989-Х

© Коллектив авторов, 2002
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002

Посвящается светлой памяти наших учителей - создателей ракетной и космической техники

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   Крупные преобразования в жизни общества неотделимы от развития производственных технологий - освоения новых материалов, изделий и источников энергии. Каменные орудия труда и огонь, дали начало земледелию и скотоводству. Первые керамические и текстильные технологии позволили людям обустроить свой быт. Бронза, дерево и энергия ветра открыли путь к морским путешествиям и укрепили торговлю. Железо и водяной пар служили ведущим звеном промышленной революции 19-го века. От них прослеживается прямой путь к созданию двигателей внутреннего сгорания, выработке и использованию электрической энергии. Сплавы алюминия считают «крылатыми», так как без них не было бы авиации, больших жидкостных ракет и космических аппаратов. При этом скоростная авиация и ракетно-космическая техника стали реальностью только с появлением реактивных и ракетных двигателей, наиболее эффективно преобразующих химическую энергию в механическую работу. Углерод и его соединения, тугоплавкие металлы и керамика утвердились в качестве конструкционных материалов ядерной энергетики. Полупроводники, кристаллические материалы, интегральные схемы органически связаны с преобразованиями электромагнитной энергии в различных спектральных диапазонах. Они применяются в ЭВМ, радиотехнике, информационных системах, лазерах, приборах ночного видения.
   Не будет преувеличением сказать, что прогресс в самых разных областях техники определяет разработка композиционных материалов. Исследования ведутся по нескольким направлениям: полимерные, металлические, керамические, углерод-углеродные композиты. Получили развитие нанотехнологии и нанокомпозиты, биокомпозиты, «интеллектуальные» материалы, еще недавно бывшие мечтой. Потребность в композитных технологиях особенно велика, когда речь идет об орбитальных солнечных электростанциях, арктических, лунных и марсианских базах, перспективных воздушно-космических самолетах, контейнерах для хранения радиоактивных отходов.


3

    Данный том - часть трехтомного научного издания, обобщающего результаты оригинальных научных исследований материалов, покрытий и конструкций, предназначенных для работы в экстремальных условиях. Поднятые проблемы далеко выходят за рамки интересов одной научной организации и даже ведомства. Многие результаты исследований нашли отражение в курсах лекций, читаемых студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана, Днепропетровского государственного университета, Восточноукраинского технического университета, г. Луганск и других вузов.
    Во избежание недоразумений считаю необходимым отметить творческий вклад отдельных авторов при написании глав. В частности, § 1.1, 1.2 написаны А.В. Рагулей, В.В. Скороходом и И.В. Уваровой; § 1.3 - Ю.В. Полежаевым и С.В. Резником; § 2.1. - О.В. Татарниковым; § 2.2 - А.М. Потаповым и В.Г. Ситало; §2.4 - Л.Г. Вишневским, Т.В. Грудиной и Ю.Л. Пилиповским; § 3.1, 3.2, 3.4 - В.И. Демичевым и А.И. Мелешко; § 3.3 - В.А. Ко-вленко, И.В. Малковым, Г.А. Могильным, В.А. Рачем и В.Г. Ситало; § 3.5 - В.И. Демичевым,-А.И. Мелешко, М.И. Соколовским, Г.И. Шайдуровой и В.Б. Шатровым; §4.1. - Т.Н. Литвишко и В.Г. Ситало; §6.1 - 6.4. - Д.Ю. Калининым, С.В. Резником и А.В. Шуляковским; § 6.5. -Е.И. Суздальцевым.
    В период подготовки рукописи к печати произошли знаменательные события в жизни крупных научных центров, имеющих прямое отношение к решению проблем, которые обсуждаются в данном томе. Исполнилось 70 лет Всероссийскому институту авиационных материалов, 50-лет Институту проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, 50-лет Институту тепломассообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси. Заслуженную известность названным институтам принес высокий уровень исследований, имеющих важное практическое значение.
    Книга дает не только характеристику современного состояния технологических проблем, но способна сформировать у читателя представление о перспективных направлениях и методах исследования. Надеюсь, что она будет полезна многим специалистам, а также аспирантам и студентам.


                                  Профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана
С.В. Резник


4

                1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ПЕРЕДОВЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ





   Центральной проблемой современного материаловедения являются прогнозирование свойств материалов и управление технологическими процессами их получения. Ученые всего мира столетиями приобретали опыт наблюдений за природой растительного и животного мира, стремясь приблизиться в своих разработках новых материалов к уровню, достигнутому живой природой. Так еще в 1974 г. основатель Института проблем материаловедения НАН Украины И.Н. Францевич в своей лекции, прочитанной на 4-й Международной металлургической конференции в Чехословакии, провел сравнение характеристик некоторых композиционных материалов с объектами живой природы [1]. На рис. 1.1 представлена структура бамбука (а) и стекловолокна (б). В обоих случаях структуры можно рассматривать как матрицу, упрочненную волокном с более высокими характеристиками прочности.


Рис.1.1. Структура бамбука а и стекловолокна б

    Наиболее экстраординарным примером природного композиционного материала является радиолярия (рис. 1.2). Ее можно сравнить со структурой некоторых полимеров, например, с ламе-лярной морфологией в полиэтилене, полибутене или полистере-не [2]. Радиолярия, состоящая из плазмы, обладающей механическими характеристиками, близкими к твердому телу, и скелета 

5

волокна на основе кремниевой кислоты, кремния или аморфного кварца, отвечает оптимальным требованиям, связанным с большими нагрузками.


Рис.1.2. Скелетные формы радиолярии

   По прообразу радиолярии современные полимерные материалы готовят из смеси одной или более кристаллических составляющих и одной аморфной компоненты. При этом кристаллизующийся компонент растет в матрице, состоящей, главным образом, из аморфной фазы полимеров.
   Волокнистые материалы, содержащие кремний, по структуре приближаются к структуре такой растительности, как «Alstonia Spathulata» (рис. 1.3) [2].
   Исследуя природу волокнистой растительности, ученые обращали внимание на эффективные способы плетения композиционных материалов, упрочненных волокном, на связь прочности с толщиной нитей, с отношением их длины к толщине, которая в наиболее прочных конструкциях синтетических материалов, армированных стекловолокном, обычно составляет 200:1. Структура таких материалов подобна структуре стенки растительной


6

клетки (рис. 1.3). Волокнистые материалы могут иметь разные структуры в зависимости от способов их плетения, типа и конструкции, режимов приготовления материала, его пористости, химического состава, диаметра и количества волокон, ориентации волокон и использованных видов трикотажного плетения [3,4].


Рис.1.3. «Alstonia Spathulata» а и стекловолокно б

   Придание материалам заранее заданных свойств на заре развития науки о материалах было связано с искусством, лучшими образцами которого можно считать оружие («булат» - это сталь с четко изготовленной микроструктурой). Однако такие структуры с улучшенными характеристиками часто термодинамически мало устойчивы, так как при их получении иногда используются комбинации разных операций термообработки, диффузионного отжига, деформации и тому подобные операции. Преимущества, достигнутые благодаря потенциальной нестабильности полученных структур, со временем могут переходить в менее желательные структуры, особенно при использовании их при повышенных температурах.
   Общим при рассмотрении вопросов о стабильности микроструктуры является изучение всех факторов, отвечающих за уменьшение свободной энергии системы. Решение этой проблемы возможно только на основе определенной методологии, которая наполняется конкретным содержанием в каждом конкретном случае. Основываясь на понятии структуры материала, можно установить функциональные связи между химическим составом,

7

технологией и структурой с одной стороны, структурой и свойствами материала-с другой стороны. Эту логическую цепочку часто называют фундаментальной материаловедческой триадой. Технология в целом складывается из последовательности отдельных технологических процессов, каждый из которых существенно влияет на структуру всей системы в целом.
   В свою очередь технологические процессы по своей природе тесно связаны с целым рядом кинетических явлений, таких, как гетерофазные химические реакции, диффузия и самодиффузия, коагуляция и коалесценция, спекание, фазовые превращения, кристаллизация и рекристаллизация и др. Все эти явления составляют основу, как физико-химической кинетики, так и физического материаловедения.

        1.1. НАНОСТРУКТУРНЫЕ СИСТЕМЫ КАК ОСОБАЯ ГРУППА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

   Особое место в современном физическом материаловедении занимает наука и практика получения наноструктурных материалов с оптимальным комплексом физических, физико-химических и механических свойств. Прогнозирование всех этапов эволюции структуры различных материалов и, в частности, материалов, обладающих наноразмерами отдельных компонентов, либо всей системы в целом от порошка до консолидированного материала, возможно только на основании изучения закономерностей кинетики физико-химических процессов и ее связи со структурой.
   Наноструктурные системы представляют собой особую группу физико-химических систем, в которых можно наблюдать много интересных по природе и важных с практической точки зрения явлений. Они являются представителями широкого класса дисперсных систем, которые в физической химии рассматриваются как гетерогенные системы с очень развитой внутренней поверхностью раздела между фазами и состоят из нескольких (хотя бы двух) фаз. При этом одна из них должна иметь высокую дисперсность, а окружающая среда при этом называется дисперсионной. За агрегатным состоянием это может быть газ, жидкость или твердое тело. В зависимости от этого дисперсная система будет подвижной или твердой. В последнем случае, по определению П.О. Ребиндера [5], речь идет о дисперсных структурах, к которым относятся бесконечное количество природных и синтетиче

8

ских, как неорганических, так и органических объектов - минералов, горных пород, композиционных материалов, гетерофазных сплавов, органических тканей и даже целых микроорганизмов.
   Порошковые системы в общем случае разделяются на грубодисперсные и тонкодисперсные. Для первых характерный размер элементов структуры больше 1(Г⁶м. Для тонкодисперсных систем он меньше 10 ⁶ м, а для ультрадисперсных систем - меньше 10 ⁷ м. Дисперсные системы, в частности тонко- и ультрадис-персные изучаются в отдельном разделе физической химии -коллоидной химии. При этом коллоидная химия главную роль отводит системам с жидкой дисперсионной средой - эмульсиям, суспензиям, коллоидным растворам (золям) и продуктам их коагуляции (гелям). Значительно в меньшей степени рассматриваются в коллоидной химии системы жидкость - газ (туманы) и твердое тело - газ (дымы, аэрозоли) и совсем мало - твердые дисперсные структуры. Последним уделяется значительно больше внимания в физической литературе, при этом особое место занимают физические методы исследования структуры малых частиц, влиянию размерного фактора на фундаментальные характеристики кристаллического состояния, образование неравновесных фаз [6-8]. В классической физической химии твердые ультрадис-персные структуры, а именно - катализаторы и сорбенты, - являются главным объектом исследований при изучении гетерогенного катализа, адсорбции и хемосорбции. Другой класс дисперсных структур - структуры распада пересыщенных твердых растворов - изучаются в физическом материаловедении [9].
   Таким образом, твердые ультрадисперсные структуры относятся к наноструктурным системам, в которых характерные размеры структурных элементов отвечают диапазону 10”⁹ - 10“⁷м, то есть, 1-100 нм. Последние 10-15 лет в изучении наноструктурных систем наибольший интерес связан с материаловедческими проблемами. Оказалось, что наноструктурное состояние может обеспечить принципиально новый уровень свойств и конструкционных, и функциональных материалов. Поэтому проблема генезиса и эволюции наноструктурных неорганических систем стала центральной с точки зрения понимания природы и возможности управления технологическими процессами получения наноструктурных материалов.
   Для макроструктурной кинетики свойственно рассмотрение, главным образом, экзотермических реакций, например, высоко

9

температурного синтеза [10]. Процессы, вызывающие существенные изменения микроструктуры системы, следует рассматривать в рамках микроструктурной физико-химической кинетики, которой свойственно широкое использование методов физики твердого тела, микромеханики и геометрической статистики. При этом особенно важным становится фактор прицезионности измерения многих параметров, таких, как температура, давление, объем, удельная поверхность, концентрация компонентов и др. а также особое значение приобретает воспроизводимость получаемых результатов. Современный эксперимент в области «высоких» технологий находится на уровне самых современных физических и физико-химических исследований.
   Свою специфику в наноструктурных системах имеет функциональная связь «структура-свойства», так называемый размерный эффект, определяющий зависимость большинства, в том числе фундаментальных свойств твердого тела от линейных размеров структурных элементов. Он может иметь как положительное, так и отрицательное значения с точки зрения функционального назначения, поэтому очень важно уметь прогнозировать не только качественно, но и количественно. Размерный эффект важен и для количественного описания кинетических процессов.
   Переход от рассмотрения характеристик отдельных малых частиц до свойств их ансамбля требует статистического подхода к описанию структуры дисперсной системы в целом. Решение этой проблемы базируется на концепции иерархической структуры систем, лежащей в основе современного теоретического материаловедения. Для наноструктурных систем существенную роль играют параметры так называемой геометрической структуры, от которых зависит путь эволюции системы под действием различных факторов в технологических процессах.
   Понятие выделенного элемента структуры заслуживает дополнительного объяснения. В иерархии структурных уровней, которые характеризуют строение какой-либо физико-химической системы, можно выделить:
   -  атомно-молекулярный уровень (0,1-1 нм);
   -     макромолекулярный и кластерный уровень (к кластерам можно отнести и дефекты кристаллической решетки) (0,5 - 5 нм);
   -     микроскопический либо зерно-гетерофазный уровень (от 5 нм до 1000 мкм);
   -  макроскопический уровень (> 100 мкм).

10