Получение новых материалов спеканием нанопорошков под давлением
Получение объемных наноматериалов. Непригодность общепринятых моделей для объяснения процессов уплотнения при спекании обычных порошков для нанокристаллических систем. Возможность оценки свойств получаемых материалов в зависимости от режима спекания.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.11.2018 |
| Размер файла | 101,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва, Россия
Получение новых материалов спеканием нанопорошков под давлением
Ю.Н. Степанов
С.А. Тихомиров
Спекание нанопорошков без давления не позволяет получить материал с малым размером зерна без пор. Перспективным способом получения объемных наноматериалов является спекание нанопорошков под давлением. Общепринятые модели для объяснения процессов уплотнения при спекании обычных порошков не пригодны для нанокристаллических систем, из-за сильного уменьшения размера частиц. Поэтому, необходимо математически описать процесс спекания нанопорошков под давлением, что бы иметь возможность оценивать свойства получаемых материалов в зависимости от режима спекания.
Горячее изостатическое прессование было смоделировано Ashby и соавторами [1]. Ими предложены уравнения, описывающие механизмы переноса, которые дают вклад в уплотнение порошка. Различные механизмы переноса дают различный вклад в уплотнение. Уравнения, описывающие механизмы переноса видоизменяются в значительной степени для наносистем, так как включают некоторые факторы, связанные с уникальностью наночастиц собранных вместе. В работе [2] приведены уравнения скорости уплотнения нанопорошков при спекании под давлением.
Удобно представить процесс спекание состоящим из трех последовательных стадий. Стадия 0 - начальная стадия спекания отдельные частички порошка еще различимы. Стадия 1 - промежуточная: перешейки уже достаточно большие, поры - примерно цилиндрические и не изолированы. К моменту, когда достигнута последняя стадия -2, поры - изолированные и сферические. Вторая стадия начинается, когда относительная плотность спекаемого порошка достигает значения 0,9.
Стадия 0 рассматривается как отдельная, со своими собственными скоростными уравнениями уплотнения. Стадии 1 и 2 описываются похожим набором скоростных уравнений.
0 (начальная) стадия спекания длится около 5 минут и может быть рассчитана при помощи «флуктуационной модели» согласно которой, уплотнение нанопорошков на начальной стадии определяется флуктуационным плавлением наночастиц [3].
Оценка точности расчетов по уравнениям, предложенным в работе [2], была проведена на примере нанопорошка никеля. Для этого был произведен эксперимент по спеканию нанопорошка никеля под давлением, и проведен численный расчет этого эксперимента по оцениваемым уравнениям из [2].
Эксперимент
Рис.1. Схема температурно-временного режим спекания
Рис. 2. Зависимость роста плотности компакта от времени спекания под давлением 500МПа
Рис. 3. Зависимость размера зерна от времени спекания под давлением
Предкомпакты из нанопорошка Ni, были получены методом гидростатического прессования с относительной плотностью 62% от теоретической плотности. Образцы получали прессованием порошков однокомпонентной смеси, с исходным размером частиц 70 нм. С целью полного восстановления оксидов предкомпакты отжигали в потоке водорода при температуре 500oC в течение 1,5 часов. Горячее прессование при заданной температуре проводили при давлении 500 МПа в течение 10 минут. После охлаждения образца были произведены замеры плотности и среднего размера зерна в спеченном под давлением образце. Температурно-временной режим спекания схематически показан на рис. 1. Было установлено, что плотность образца равна 0,98, а средний размер зерна равен 1,5 мкм.
Расчеты показывают, что наибольший вклад на стадиях 1 и 2 дают ползучесть и зернограничная диффузия. Остальные механизмы уплотнения дают суммарный вклад в уплотнение нанопорошка менее 0,1%. Поэтому, можно при рассмотрении процесса спекания нанопорошка под давлением ограничиться учетом только двух механизмов уплотнения - зернограничной диффузией и ползучестью по Коблу. Вклад зернограничной диффузии по мере уплотнения нанопорошка возрастает и наиболее заметен на второй стадии спекания.
Вклады зернограничной диффузии и ползучести по Коблу в скорость уплотнения нанопорошков при спекании под давлением на стадиях 1 и 2 определяются уравнениями (1)-(4) [2]. В (1)-(4) используются следующие обозначения: ?P1 и ?P2 обозначают изменение давления действующего на частицу по сравнению с прикладываемым - Р, индекс соответствует стадии процесса спекания; с - плотность порошка; с0- начальная плотность спекаемого порошка; k - постоянная Больцмана; T- температура спекания; g- размер зерна; - атомный объем; r - радиус частиц; - толщина границ зерен; Db - коэффициент зернограничной диффузии; DV - коэффициент объемной диффузии.
Ползучесть Nabarro-Herring и Coble. Стадия 1:
(1)
Зернограничная диффузия под давлением. Стадия 1:
(2)
Ползучесть Nabarro-Herring и Coble. Стадия 2:
(3)
Зернограничная диффузия под давлением. Стадия 2:
(4)
Результаты численного расчета зависимости плотности спекаемого при температуре 773К нанопорошка никеля от времени при давлении 500МПа представлены на pис. 2. В результате численного расчет получено, что плотность порошка никеля после приложения давления 500 МПа равна 0,975 и близка к экспериментальному значению 0.98.
На рис. 3 представлена рассчитанная зависимость размера зерна от времени в течение 10 мин после приложения давления 500 МПа.
Установлено, что как на первой, так и на заключительной стадиях спекания основной вклад в уплотнение нанопорошкового компакта разной дисперсности при различных температурах дают ползучесть и зернограничная диффузия. Причем вклад зернограничной диффузии при спекании под давлением по мере уплотнения заметно возрастает и в конце второй стадии соизмерим и даже превосходит вклад ползучести.
Результаты численных расчетов соответствуют экспериментальным данным, что позволяет сделать вывод о правомерности использования предложенных в [2] уравнений для расчетов уплотнения спекаемых под давлением нанопорошков.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 08-03-00040-а.
Литература
наноматериал спекание порошок давление
1. A.S. Helle, K.E. Easterling, M.F. Ashby Hot-isostatic pressing diagrams: new developments// Acta metal. 1985. V. 33, N. 12. P. 2163-2174.
2. R. Suryanarayanan Iyer, S.M.L. Sastry. Consolydation of nanoparticles - development of a micromechanistic model. //Acta mater. 1999. V. 47, N. 10. P. 3079-3098.
3. Ю.Н. Степанов, С.А. Тихомиров Флуктуационное плавление и начальная стадия спекания нанопорошков//Металлы. 2007.№ 3. С. 14-19.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Методы производства композиционных ультрадисперсных порошков: способы формования, реализуемые при спекании механизмы. Получение и применение корундовой керамики, модифицированной допированным хромом, оксидом алюминия, а также ее технологические свойства.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 27.05.2013Анализ методов оценки упругопластических свойств материалов для верха обуви при растяжении. Обоснование выбора методов испытаний и исследуемых материалов. Разработка автоматизированного комплекса для оценки свойств при одноосном и двухосном растяжении.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 26.10.2011Прессование как одна из ключевых операций технологии получения изделий из металлических и других порошков. Аппроксимирующие кривые уплотнения порошков железа и меди. Метод горячего прессования. Методика определения кривых уплотнения порошковых материалов.
контрольная работа [750,4 K], добавлен 21.02.2010Порошковая металлургия. Основными элементами технологии порошковой металлургии. Методы изготовления порошковых материалов. Методы контроля свойств порошков. Химические, физические, технологические свойства. Основные закономерности прессования.
курсовая работа [442,7 K], добавлен 17.10.2008Физические принципы, используемые при получении материалов: сепарация, центрифугирование, флотация, газлифт. Порошковая металлургия. Получение и формование порошков. Агрегаты измельчения. Наноматериалы. Композиционные материалы.
реферат [292,6 K], добавлен 30.05.2007Совокупность методов изготовления порошков металлов и сплавов. Преимущества порошковой металлургии. Изготовление пористых материалов. Получение материалов высокой чистоты. Использование продукции порошковой металлургии в других отраслях промышленности.
презентация [495,7 K], добавлен 07.02.2011Исследование химического диспергирования алюминиевого сплава; влияние концентрации щелочи на структуру диспергированных порошков и физико-механические свойства керамических материалов. Разработка технологической схемы спекания; безопасность и экология.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 27.01.2013Понятия и классификация нанотехнологий, виды наноструктур. Характеристика способов наноконстуирования. Исследование свойств материалов, применение и ограничения в использовании наноматериалов. Модифицирование сплавов с нанокристаллической решеткой.
курсовая работа [9,1 M], добавлен 14.07.2012Получение керамики из промышленного глинозема с добавками ультрадисперсных порошков оксида алюминия и диоксида циркония методами холодного прессования и спекания в вакууме и терморазложения солей; исследование структуры и свойств корундовых керамик.
дипломная работа [934,2 K], добавлен 03.10.2011Классификация и применение процессов объемного деформирования материалов. Металлургические и машиностроительные процессы обработки металлов давлением. Методы нагрева металла при выполнении операций ОМД. Технология холодной штамповки металлов и сплавов.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 20.08.2015Возникновение и развитие нанотехнологии. Общая характеристика технологии консолидированных материалов (порошковых, пластической деформации, кристаллизации из аморфного состояния), технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.
реферат [3,1 M], добавлен 19.04.2010Разработка художественного образа кольца. Выбор материалов на основе анализа их структуры и оценки свойств. Описание технологий изготовления изделия при помощи обработки давлением и литья по выплавляемым моделям. Подбор рационального режима обработки.
курсовая работа [901,9 K], добавлен 11.07.2014Исследование уникальных свойств объемных наноструктурных материалов, обладающих необычной атомно-кристаллической решеткой, механические характеристики. Особенности моделей наноструктур, методы их получения, область применения; нанопроволоки и нановолокна.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 11.05.2011Экспериментальное изучение поведения материалов и определение их механических характеристик при растяжении и сжатии. Получение диаграмм растяжения и сжатия различных материалов до момента разрушения. Зависимость между сжатием образца и сжимающим усилием.
лабораторная работа [61,4 K], добавлен 01.12.2011Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010Исследование характеристик исходного сырья для производства спеченных периклазовых порошков, которые служат огнеупорной основой для периклазовых материалов. Описание свойств готовой продукции. Технологическая схема обжига. Используемое оборудование.
реферат [28,1 K], добавлен 30.01.2011Изучение свойств материалов, установления величины предельных напряжений. Условный предел текучести. Механические характеристики материалов. Испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб хрупких материалов статической нагрузкой. Измерение деформаций.
реферат [480,5 K], добавлен 16.10.2008Отбор образцов, проб и выборок для исследования свойств текстильных материалов, методы оценки неровности текстильных материалов. Однофакторный эксперимент. Определение линейного уравнения регрессии первого порядка. Исследование качества швейных изделий.
лабораторная работа [128,0 K], добавлен 03.05.2009Порошковая металлургия как отрасль техники, занимающаяся получением металлических порошков. Анализ схемы строения композиционных материалов. Знакомство с основными функциями и назначением алюминиевой пудры. Особенности физико-химических свойств алюминия.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 22.11.2014Последовательность создания модной коллекции одежды из различных материалов и фактур с использованием животных принтов и орнаментов. Требования к проектируемому изделию. Оценка эстетических свойств моделей, включённых в коллекцию. Выбор материалов.
реферат [24,5 K], добавлен 18.08.2011
