Mis sanoati bilimlari: Yuqori samarali mis asosidagi kompozit materiallarga kirish
Mis va mis qotishmalari yaxshi mexanik xususiyatlarga va mukammal jarayon ko'rsatkichlariga ega. Ularni quyish va plastik ishlov berish oson. Eng muhimi, mis va mis qotishmalari yaxshi korroziyaga chidamliligi, issiqlik o'tkazuvchanligi va elektr o'tkazuvchanligiga ega, shuning uchun ular elektron va elektr, mexanik ishlab chiqarish va boshqa sanoat sohalarida keng qo'llanilishi mumkin. Biroq, misning xona haroratining mustahkamligi, yuqori harorat ko'rsatkichlari va aşınma ko'rsatkichlari etarli emas, bu uning kengroq qo'llanilishini cheklaydi. Zamonaviy aerokosmik va elektron texnologiyalarning jadal rivojlanishi bilan misdan foydalanishga tobora ko'proq talablar qo'yilmoqda, ya'ni misning yaxshi elektr o'tkazuvchanligi, issiqlik o'tkazuvchanligi va boshqa jismoniy xususiyatlarini ta'minlash asosida misning yuqori bo'lishi talab qilinadi. kuch, ayniqsa yaxshi yuqori haroratli mexanik xususiyatlar va material past termal kengayish koeffitsienti va yaxshi ishqalanish va aşınma ko'rsatkichlariga ega bo'lishi kerak. Mamlakatimning Pekin-Shanxay yo‘nalishi bo‘yicha birinchi tezyurar temir yo‘lining umumiy sarmoyasi qariyb 20 milliard AQSH dollarini tashkil etadi. Qurilish 2008 yilda boshlangan. Aloqa simiga yillik talab qariyb 10,000 tonnani tashkil qiladi. Shubhasiz, aloqa simini tadqiq qilish va rivojlantirish, ya'ni yuqori quvvatli, yuqori o'tkazuvchanlik va yuqori aşınmaya bardoshli mis qotishma funktsional materiallarni tadqiq qilish va ishlab chiqish katta ichki va tashqi bozorga ega. Qarshilik payvandlash elektrodlari, tikuvli payvandlash roliklari va integral elektron qo'rg'oshin ramkalari ham yuqori quvvatli va yuqori o'tkazuvchanlik mis qotishmalarini talab qiladi. Mavjud mis va mis qotishmalarining yuqori mustahkamligi va yuqori o'tkazuvchanligini hisobga olish qiyin. Shu sababli, tegishli mustahkamlovchi fazali kompozitsion mustahkamlash usullarini joriy etish, matritsa va funktsional mustahkamlash fazasining sinergik ta'siriga to'liq ta'sir qilish orqali yuqori samarali mis (qotishma) asosidagi funktsional kompozit materiallarni tadqiq qilish va ishlab chiqish bugungi kunda dunyoda dolzarb mavzuga aylandi. .
Yuqori quvvatli va yuqori o'tkazuvchanlik mis qotishmasi odatda sof misdan (350-2000MPa) 2-10 marta va o'tkazuvchanligi 50 ga teng bo'lgan valentlik quvvati (Gb) mis qotishmasini nazarda tutadi. %~95% mis, ya'ni 50-95% IACS mis qotishmasi. Xalqaro miqyosda tan olingan ideal indeks db=600-800MPa va o'tkazuvchanlik IACSE 80% dan katta yoki unga teng. Yuqori quvvatli va yuqori o'tkazuvchanlik mis qotishmalarining asosiy qo'llanilishi elektron axborot sanoatida ultra keng ko'lamli integral elektron qo'rg'oshin ramkalari, milliy mudofaa va harbiy sanoat uchun elektron qarshi choralar, radarlar, yuqori quvvatli harbiy mikroto'lqinli quvurlar, yuqori impulsli magnit maydon o'tkazgichlari, yadroviy uskunalar va raketalar, yuqori tezlikdagi temir yo'l tranziti uchun havo simlari, 300-1250KVt yuqori quvvatli chastotali modulyatsiyalangan tezlikni tartibga soluvchi asenkron tortish dvigatellari panjaralari va oxirgi halqalari, avtomobil uchun qarshilik payvandlash elektrodlari boshlari sanoat, metallurgiya sanoati uchun uzluksiz quyish mashinasi kristalizatorlari, elektr vakuum qurilmalari va elektrotexnika uchun kalit kontaktli ko'priklar va boshqalar. Shuning uchun bu turdagi materiallar ko'plab yuqori texnologiyali sohalarda keng qo'llash istiqbollariga ega.
Yuqori samarali mis asosidagi kompozit materiallarga kirish - tasnif:
1. Zarrachalar bilan mustahkamlangan mis asosidagi kompozitsion materiallar
Armatura asosan kremniy karbid va alyuminiy oksidi, shuningdek, oz miqdorda titanium oksidi va titanium borid zarralari mavjud (zarrachalar hajmi odatda taxminan 10 mikron). Mo'ylovlar nafaqat yuqori mexanik xususiyatlarga ega, balki ma'lum bir nisbatga ega, shuning uchun ular zarrachalarga qaraganda metall matritsaga sezilarli darajada mustahkamlovchi ta'sir ko'rsatadi. Mo'ylovlar odatda kremniy karbid va alyuminiy borat mo'ylovlari ishlatiladi. Qotishma jarayoni mustahkamlangan oksid dispersiyasi va karbid dispersiyasi bilan mustahkamlangan mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlashi mumkin.
2. Elyaf bilan mustahkamlangan mis asosidagi kompozit materiallar
Mis yoki mis qotishmalari va metall bo'lmagan yoki metall tolalardan tayyorlangan kompozitlar nafaqat misning yuqori elektr o'tkazuvchanligini va issiqlik o'tkazuvchanligini saqlabgina qolmay, balki yuqori quvvat va yuqori harorat qarshiligiga ham ega. Bunday mis asosidagi kompozit materiallarni ishlab chiqarishda ham uzun tolalar, ham qisqa tolalar ishlatiladi. Uglerod tolasi-mis kompozit materiallar misning yaxshi issiqlik o'tkazuvchanligi va elektr o'tkazuvchanligi, shuningdek, o'z-o'zidan yog'lanishi, aşınmaya bardoshliligi va uglerod tolasining past issiqlik kengayish koeffitsienti xususiyatlariga ega, shuning uchun ular elektr kontaktli materiallar, cho'tkalar, cho'tkalar, cho'tkalar va boshqalarni toymasin. quvvatli yarimo'tkazgichlarni qo'llab-quvvatlovchi elektrodlar, integral sxemali issiqlik qabul qiluvchilar va boshqalar. Sanoat ishlab chiqarishda mis-uglerodli tolali kompozit materiallarning yana bir qo'llanilishi misoli - tramvaylarning elektr pantografidagi slayder va slayderli tramvaylar va elektrovozlarning zaif qismlari. Dastlab metall slayderlar ishlatilgan va hozirda uglerodli slayderlar qo'llanilmoqda, ammo ikkalasida ham kamchiliklar mavjud. Uglerod tolasi-mis kompozit materiallardan foydalangandan so'ng, kontakt qarshiligi pasayadi, haddan tashqari qizib ketishning oldini oladi va quvvat va ortiqcha yuk oqimi bir vaqtning o'zida yaxshilanadi va u mukammal moylash va aşınma qarshilikka ega.
3. Yuqori samarali mikro-kompozit mis qotishmasi
Yuqori samarali mikro-kompozit mis qotishma materiallari 1970-yillarda o'ta o'tkazuvchan materiallarni o'rganishda kashf etilgan. 1978 yilda Bark va boshqalar. Amerika Qo'shma Shtatlaridagi Garvard universitetidan birinchi marta yuqori samarali Cu-X qotishmasi, Cu-X ikkilik qotishmasi kontseptsiyasini taklif qildi, X o'tga chidamli metallar W, Mo, Nb, Ta va Cr, Fe, V va boshqa elementlarni o'z ichiga oladi. Soxtalash, chizish yoki prokatdan so'ng, X metalli mikro-kompozit materialni hosil qilish uchun sim yoki lenta shaklida deformatsiya yo'nalishi bo'yicha taqsimlanadi. Ushbu mikro-kompozit mis qotishma materiali ultra yuqori quvvat bilan tavsiflanadi (eng yuqori kuchlanish kuchi 2000MPa dan oshishi mumkin), elektr o'tkazuvchanligi 82% IACS ga yetishi mumkin, yaxshi issiqlikka chidamlilik, mikro-kompozit tuzilish va don yo'nalishi. Spotli payvandlash elektrodlari sifatida foydalanishdan tashqari, bu material parvona va issiqlik almashtirgich sifatida ham ishlatilishi mumkin. An'anaviy mis qotishma materiallari bilan solishtirganda, u ko'proq umumiy qotishma elementlarini o'z ichiga oladi, lekin qotishma elementlarning kamroq turlari. Cu-X qotishmasi o'zining juda yuqori quvvati, yuqori elektr o'tkazuvchanligi va yaxshi issiqlikka chidamliligi bilan odamlarning e'tiborini tortdi. Hozirgi vaqtda Ayova universiteti, Garvard universiteti Materiallar bo'limi, AMES laboratoriyasi, Michigan texnologiya instituti va Xitoyning Chjejiang universiteti bu borada juda ko'p tadqiqotlar olib bordi, ammo hali ham ko'plab nazariy va amaliy amaliy muammolarni hal qilish kerak. .
Yuqori quvvatli va yuqori o'tkazuvchanlikka ega mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlash usullari bilan tanishish:
1. Chang metallurgiya usuli
Kukun metallurgiyasi birinchi bo'lib zarrachalar bilan mustahkamlangan metall asosidagi kompozit materiallarni tayyorlash uchun ishlab chiqilgan, jumladan, changni aralashtirish, siqish, gazsizlantirish, sinterlash va boshqa jarayonlar. Chang metallurgiyasi - yuqori materiallardan foydalanishga ega bo'lgan tarmoqqa yaqin shakllantirish jarayoni bo'lib, u tashkiliy va tarkibiy qismlarni ajratishni bartaraf etishi mumkin va zarrachalar hajmi va zarrachalarni mustahkamlash bosqichining hajm ulushi katta diapazonda sozlanishi mumkin. Bu usul mis asosidagi kompozitlarda konstruktiv qismlar, ishqalanish materiallari va yuqori o'tkazuvchanlik materiallarini ishlab chiqarishning asosiy vositasidir. Mis va ko'pchilik keramika armatura zarralarining yomon namlanishi va zichlikdagi katta farq tufayli kompozit materiallarni suyuq usul bilan tayyorlashda armatura agregatsiyasini ishlab chiqarish oson, buning natijasida ikkinchi faza notekis taqsimlanadi. Kukun metallurgiyasi metall kukuni va armaturani kerakli nisbatda teng ravishda aralashtirishi mumkin, bu esa mustahkamlashni taqsimlash muammosini hal qiladi. Mis va mustahkamlovchi zarralar o'rtasidagi interfeys bog'lanish kuchini oshirish uchun, kimyoviy cho'kma va boshqa usullar odatda Cu va Ni kabi metall qoplamalar bilan mustahkamlovchi zarrachalar yuzasini qoplash uchun ishlatiladi, so'ngra zarrachalar mis kukuni bilan teng ravishda aralashtiriladi. chang metallurgiyadan foydalangan holda kompozit materiallar [11]. Metall qoplamalar bilan qoplanganidan keyin mustahkamlovchi zarrachalar matritsa metallida bir tekis taqsimlanganligi sababli, mustahkamlovchi materiallar orasidagi to'g'ridan-to'g'ri aloqa kamayadi va mustahkamlovchi ta'sir yanada samaraliroq bo'ladi. Shu bilan birga, turli metallar bilan qoplash orqali interfeys tuzilishini yaxshilash, interfeysni bog'lash kuchini oshirish va kompozit materialning keng qamrovli ishlashini yaxshilash mumkin.
2. Kompozit quyish usuli
To'qimalarining sanoat ommaviy ishlab chiqarish uchun afzal usuli hisoblanadi. Biroq, quyishdan keyin, odatda, bu kompozit material uchun yordamchi deformatsiya jarayoni mavjud. Sovuq deformatsiyalangan metallning qayta kristallanishi tufayli deformatsiyani kuchaytirish effekti bekor qilinadi. Ko'pgina metallarning qayta kristallanish harorati ularning erish nuqtasining atigi 40% ni tashkil etganligi sababli, quyish natijasida olingan materialning yuqori haroratga chidamliligi nisbatan yomon. Kompozit quyish jarayoni MC Flemings va boshqalar tomonidan taklif qilingan. Massachusets texnologiya instituti. Ushbu usul mustahkamlovchi bosqichni ajratish, oddiy ishlab chiqarish jarayoni uchun yaxshi yechimga ega va katta rivojlanish afzalliklariga ega bo'lgan kompozit materiallarning keng ko'lamli sanoat ishlab chiqarish tendentsiyasiga moslashadi. Shu bilan birga, eritmaning yuqori viskozitesi tufayli kompozit quyish gaz va inkluzyonlarni chiqarishga yordam bermaydi, shuning uchun tayyorlangan materialda ko'pincha teshiklar va qo'shimchalar mavjud; bundan tashqari, bu usul ham haroratni nazorat qilish qiyin.
3. Ichki oksidlanish usuli
Ichki oksidlanish usuli mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlash uchun eng ko'p qo'llaniladigan usullardan biridir. U bir tekis taqsimlangan nozik dispers zarralarni olishi va mustahkamlash bosqichlari sonini aniq nazorat qilishi mumkin. Ushbu jarayonning odatiy qo'llanilishi Cu-A1203 dispersiyasi bilan mustahkamlangan mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlashdir. Bu jarayonda mis-alyuminiy qotishma kukunini hosil qilish uchun misga oz miqdorda alyuminiy, misda qattiq erigan, ammo misga qaraganda oksidlarni hosil qilish tendentsiyasi ko'proq bo'lgan qotishma element qo'shiladi. Kislorod kukun yuzasidan ichkariga tarqaladi, shuning uchun qotishma atomizatsiyalangan kukun yuqori haroratda va kislorod atmosferasida ichki oksidlanishdan o'tadi va alyuminiy alyuminiy oksidiga aylanadi. Keyinchalik, oksidlangan mis vodorod atmosferasida kamayadi, lekin alyuminiy oksidi kamaytirilmaydi va mis va alyuminiy oksidi aralash kukun hosil qiladi va nihoyat ma'lum bir bosim ostida sinterlanadi. Ichki oksidlanish usuli bilan ishlab chiqarilgan Cu-A1203 ni shakllantirish va davolash texnologiyasida ba'zi muammolar mavjud. Kukunni sinterlash juda qiyin va jarayon murakkab va narxi yuqori. Ichki oksidlanish usulining kamchiliklari jarayonning murakkabligi, tayyorlash jarayoniga ta'sir qiluvchi ko'plab omillar mavjudligi, material sifatini nazorat qilish qiyin va ishlab chiqarish tannarxining yuqoriligi, bu jarayonni qo'llashni sezilarli darajada cheklaydi. .
4. Suyuq metallni in-situ usuli
Suyuq metallning in-situ reaktsiyasi usuli so'nggi yillarda ishlab chiqilgan mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlashning yangi texnologiyalaridan biridir. Li va boshqalar. birinchi muvaffaqiyatli TiB2 / Cu kompozit materiallar tayyorlangan. Ushbu usul ikki yoki undan ortiq qotishma suyuqliklarni to'liq aralashtiradi va aralashtiradi va kimyoviy reaktsiyalar orqali bir xil disperslangan nano-miqyosli armatura hosil qiladi. 5vol1% TiB2 o'z ichiga olgan Cu asosidagi kompozit materialning o'tkazuvchanligi 76% IACS edi. Chrysanthou va boshqalar. Cu-Ti eritmasiga mos ravishda uglerod qora, B203 yoki Vt uglerod qora qo'shildi va mis asosidagi kompozit materialni mustahkamlash uchun in-situ nozik va bir xil taqsimlangan TiC, TiB2 va WC zarralarini hosil qilish uchun reaksiyaga kirishdi. Ushbu jarayon bilan tayyorlangan kompozitsiyadagi mustahkamlash interfeys ifloslanishiga ega emasligi va matritsa bilan yaxshi interfeys muvofiqligiga ega bo'lganligi sababli, an'anaviy kompozit materiallarga qaraganda yuqori o'tkazuvchanlik va mexanik kuchga ega.
5. Tez qotish usuli
Qattiqlashuv jarayonida tez sovutish tezligi, katta boshlang'ich yadroli super sovutish va yuqori o'sish tezligi tufayli, tez qotib qolish usuli qattiq-suyuqlik interfeysining muvozanatdan chetga chiqishiga olib keladi, shuning uchun an'anaviy qotishmalardan farq qiladigan bir qator tashkiliy va strukturaviy xususiyatlarni taqdim etadi. Tez qotib qolish usuli mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlash uchun quyidagi xususiyatlarga ega:
(1) Misning qotishma elementining qattiq eruvchanligi sezilarli darajada oshadi;
(2) Donlar juda tozalangan;
(3) Kimyoviy komponentlarning mikrosegregatsiyasi sezilarli darajada kamayadi;
(4) Kristal nuqsonlarning zichligi sezilarli darajada oshadi;
(5) yangi metastabil faza tuzilishi shakllanadi;
(6) Qarish bilan davolashdan so'ng, mis matritsadagi ikkinchi fazaning tarkibi oshadi va tarqalish darajasi oshadi.
O'tkazuvchanlikning biroz pasayishi bilan qotishmaning mustahkamligi sezilarli darajada yaxshilanadi va qotishmaning aşınma va korroziyaga chidamliligi yaxshilanadi. Tez qotish texnologiyasi mis asosidagi yuqori quvvatli va yuqori o'tkazuvchanlikka ega kompozit materiallarni tayyorlash uchun yangi maydonni ochdi. Kelajakda yuqori quvvatli va yuqori o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan mis asosidagi kompozit materiallarni tez qotib qolishga tayyorlash bo'yicha tadqiqot yo'nalishi material tarkibini optimallashtirish, qotib qolish jarayoni va qarish jarayonini tahlil qilish orqali qotib qolish kinetik parametrlari va qarish jarayonini optimallashtirishdan iborat bo'ladi. mikro tuzilishi va ishlashi.
6. Mexanik qotishma usuli
Mexanik qotishma metall kukunlari yoki keramika zarralarini ma'lum nisbatda aralashtirish uchun yuqori energiyali shar tegirmonidan foydalanadi va ularni qayta-qayta maydalaydi. Kompozit kukun qayta-qayta deformatsiya, sovuq payvandlash, maydalash, qayta payvandlash va qayta maydalash jarayonlaridan o'tadi, bu esa donalarni nanometr darajasiga qadar tozalashi va katta sirt faolligiga ega [17]. Ko'p sonli buzilish nuqsonlarining kiritilishi tufayli o'zaro diffuziya qobiliyati kuchayadi va faollashtirish energiyasi kamayadi, bu esa qotishma jarayonini oddiy qattiq holat jarayonidan farq qiladi. Shuning uchun an'anaviy sharoitda sintez qilish qiyin bo'lgan ko'plab yangi materiallarni tayyorlash mumkin. Mis asosidagi kompozit materiallarni tayyorlash uchun mexanik qotishmalarning kamchiligi shundaki, nopoklik elementlari to'pni frezalash jarayonida osongina kiritiladi, bu esa materialning xususiyatlarini, ayniqsa o'tkazuvchanlikni pasaytiradi. Shu bilan birga, uzoq sharni frezalash vaqti tufayli ishlab chiqarish samaradorligi past.
