Għarfien tal-industrija tar-ram: Introduzzjoni għal materjali komposti bbażati fuq ir-ram ta 'prestazzjoni għolja
Ram u ligi tar-ram għandhom proprjetajiet mekkaniċi tajbin u prestazzjoni eċċellenti tal-proċess. Huma faċli biex jitfgħu u proċess tal-plastik. Aktar importanti minn hekk, ir-ram u l-ligi tar-ram għandhom reżistenza tajba għall-korrużjoni, konduttività termali u konduttività elettrika, sabiex ikunu jistgħu jintużaw b'mod wiesa 'fl-elettronika u elettrika, manifattura mekkanika u oqsma industrijali oħra. Madankollu, is-saħħa tat-temperatura tal-kamra tar-ram, il-prestazzjoni tat-temperatura għolja u l-prestazzjoni tal-ilbies huma insuffiċjenti, u dan jillimita l-applikazzjoni usa 'tagħha. Bl-iżvilupp mgħaġġel tat-teknoloġija moderna aerospazjali u elettronika, aktar u ogħla rekwiżiti huma mressqa għall-użu tar-ram, jiġifieri, fuq il-bażi li tiġi żgurata l-konduttività elettrika tajba tar-ram, konduttività termali u proprjetajiet fiżiċi oħra, ir-ram huwa meħtieġ li jkollu għoli saħħa, speċjalment proprjetajiet mekkaniċi ta 'temperatura għolja tajba, u l-materjal huwa meħtieġ li jkollu koeffiċjent ta' espansjoni termali baxx u prestazzjoni tajba ta 'frizzjoni u xedd. L-investiment totali tal-ewwel linja ferrovjarja ta 'veloċità għolja ta' pajjiżi Beijing-Shanghai huwa ta 'madwar 20 biljun dollaru Amerikan. Il-kostruzzjoni bdiet fl-2008. Id-domanda annwali għall-wajer ta' kuntatt hija kważi 10,000 tunnellati. Ovvjament, ir-riċerka u l-iżvilupp tal-wajer ta 'kuntatt, jiġifieri, ir-riċerka u l-iżvilupp ta' materjali funzjonali ta 'liga tar-ram b'saħħa għolja, konduttività għolja u reżistenti għall-ilbies, għandha suq domestiku u barrani kbir. Elettrodi tal-iwweldjar tar-reżistenza, rombli tal-iwweldjar tal-ħjata, u frejms taċ-ċomb taċ-ċirkwiti integrati jeħtieġu wkoll ligi tar-ram ta 'saħħa għolja u ta' konduttività għolja. Huwa diffiċli li titqies is-saħħa għolja u l-konduttività għolja tar-ram eżistenti u ligi tar-ram. Għalhekk, bl-introduzzjoni ta 'metodi ta' tisħiħ komposti tal-fażi ta 'rinfurzar xierqa, li jagħtu rwol sħiħ lill-effett sinerġistiku tal-fażi ta' tisħiħ tal-matriċi u funzjonali, ir-riċerka u l-iżvilupp ta 'materjali komposti funzjonali bbażati fuq ir-ram (liga) ta' prestazzjoni għolja saru suġġett jaħraq fid-dinja llum .
L-hekk imsejħa liga tar-ram ta 'saħħa għolja u ta' konduttività għolja ġeneralment tirreferi għal liga tar-ram b'saħħa tat-tensjoni (Gb) ta '2-10 darbiet dik tar-ram pur (350-2000MPa) u konduttività ta' 50 %~95% tar-ram, jiġifieri, 50-95% liga tar-ram IACS. L-indiċi ideali rikonoxxut internazzjonalment huwa δb=600-800MPa, u l-konduttività hija Akbar minn jew ugwali għal 80% IACSE. L-oqsma ta 'applikazzjoni ewlenin ta' ligi tar-ram ta 'saħħa għolja u ta' konduttività għolja huma frejms taċ-ċomb taċ-ċirkwiti integrati fuq skala ultra-kbira fl-industrija tal-informazzjoni elettronika, kontromiżuri elettroniċi għad-difiża nazzjonali u l-industrija militari, radars, tubi microwave militari ta 'qawwa għolja, high- kondutturi tal-kamp manjetiku tal-polz, tagħmir nukleari u vetturi tal-varar, wajers overhead għal transitu ferrovjarju b'veloċità għolja, 300-1250Kw qawwa għolja modulata bi frekwenza modulata b'veloċità asinkronika li tirregola l-vireg tal-mutur u ċrieki tat-tarf, irjus tal-elettrodi tal-welding tar-reżistenza għall-karozzi industrija, kristallizzaturi tal-magni tal-ikkastjar kontinwu għall-industrija metallurġika, apparati elettriċi tal-vakwu u pontijiet ta 'kuntatt tal-iswiċċ għall-inġinerija elettrika, eċċ Għalhekk, dan it-tip ta' materjal għandu prospetti wesgħin ta 'applikazzjoni f'ħafna oqsma ta' teknoloġija għolja.
Introduzzjoni għall-klassifikazzjoni ta 'materjali komposti bbażati fuq ir-ram ta' prestazzjoni għolja:
1. Materjali komposti bbażati fuq ir-ram rinfurzati bil-partiċelli
It-tisħiħ huwa prinċipalment karbur tas-silikon u ossidu tal-aluminju, u hemm ukoll ammont żgħir ta 'ossidu tat-titanju u partiċelli tal-borur tat-titanju (id-daqs tal-partiċelli huwa ġeneralment madwar 10μm). Il-whiskers mhux biss għandhom proprjetajiet mekkaniċi superjuri nfushom, iżda għandhom ukoll ċertu proporzjon tal-aspett, għalhekk għandhom effett ta 'rinfurzar aktar sinifikanti fuq il-matriċi tal-metall milli partiċelli. Il-whiskers huma komunement użati karbur tas-silikon u whiskers tal-borat tal-aluminju. Il-proċess ta 'liga jista' jipprepara t-tixrid ta 'l-ossidu msaħħaħ u d-dispersjoni tal-karbur imsaħħa materjali komposti bbażati fuq ir-ram.
2. Materjali komposti bbażati fuq ir-ram rinfurzati bil-fibra
Komposti magħmula minn ram jew ligi tar-ram u fibri mhux metalliċi jew tal-metall mhux biss iżommu l-konduttività elettrika għolja u l-konduttività termali tar-ram, iżda għandhom ukoll saħħa għolja u reżistenza għat-temperatura għolja. Meta timmanifattura materjali komposti bħal dawn ibbażati fuq ir-ram, jintużaw kemm fibri twal kif ukoll fibri qosra. Materjali komposti tal-fibra tal-karbonju-ram għandhom il-karatteristiċi ta 'konduttività termali tajba u konduttività elettrika tar-ram, kif ukoll awto-lubrikazzjoni, reżistenza għall-ilbies, u koeffiċjent baxx ta' espansjoni termali tal-fibra tal-karbonju, sabiex jintużaw f'materjali ta 'kuntatt elettriku li jiżżerżqu, pniezel, elettrodi ta 'appoġġ tas-semikondutturi tal-enerġija, sinkijiet tas-sħana taċ-ċirkwit integrat, eċċ Eżempju ieħor ta' applikazzjoni ta 'materjali komposti tal-fibra tar-ram-karbonju fil-produzzjoni industrijali huwa s-slider fuq il-pantografu elettriku tat-trams, u l-partijiet vulnerabbli ta' trammijiet slider u lokomottivi elettriċi. Fl-ewwel intużaw sliders tal-metall, u fil-preżent jintużaw sliders tal-karbonju, iżda t-tnejn għandhom nuqqasijiet. Wara li tuża materjali komposti tal-fibra tal-karbonju-ram, ir-reżistenza tal-kuntatt titnaqqas, tiġi evitata sħana żejda, u s-saħħa u l-kurrent ta 'tagħbija żejda jittejbu fl-istess ħin, u għandha lubrikazzjoni eċċellenti u reżistenza għall-ilbies.
3. Liga tar-ram mikro-kompost ta 'prestazzjoni għolja
Materjali ta 'liga tar-ram mikro-komposti ta' prestazzjoni għolja ġew skoperti fis-snin sebgħin meta kienu qed jiġu studjati materjali superkonduttivi. Fl-1978, Bark et al. mill-Università ta 'Harvard fl-Istati Uniti l-ewwel ipproponiet il-kunċett ta' liga Cu-X ta 'prestazzjoni għolja, liga binarja Cu-X, X tinkludi metalli refrattarji W, Mo, Nb, Ta u Cr, Fe, V u elementi oħra. Wara l-forġa, tpinġija jew irrumblar, il-metall X jitqassam fid-direzzjoni tad-deformazzjoni fil-forma ta 'wajer jew żigarella biex jiffurmaw materjal mikro-kompost. Dan il-materjal ta 'liga tar-ram mikro-kompost huwa kkaratterizzat minn qawwa ultra-għolja (l-ogħla saħħa tat-tensjoni tista' tilħaq aktar minn 2000MPa), il-konduttività elettrika tista 'tilħaq 82% IACS, reżistenza tajba għas-sħana, struttura mikro-komposita u orjentazzjoni tal-qamħ. Minbarra li jintuża bħala elettrodi tal-iwweldjar fuq il-post, dan il-materjal jista 'jintuża wkoll bħala skrun u skambjatur tas-sħana. Meta mqabbel ma 'materjali tradizzjonali ta' liga tar-ram, fih aktar elementi totali ta 'liga, iżda inqas tipi ta' elementi ta 'liga. Liga Cu-X ġibdet l-attenzjoni tan-nies bis-saħħa ultra-għolja tagħha, konduttività elettrika għolja u reżistenza tajba għas-sħana. Fil-preżent, l-Università ta 'Iowa, id-Dipartiment tal-Materjali ta' l-Università ta 'Harvard, il-Laboratorju AMES, l-Istitut tat-Teknoloġija ta' Michigan, u l-Università ta 'Zhejiang fiċ-Ċina għamlu ħafna riċerka f'dan ir-rigward, iżda għad hemm ħafna problemi ta' applikazzjoni teoretiċi u prattiċi li jridu jiġu solvuti .
Introduzzjoni għal metodi ta 'preparazzjoni ta' materjali komposti bbażati fuq ir-ram ta 'saħħa għolja u ta' konduttività għolja:
1. Metodu tal-metallurġija tat-trab
Il-metallurġija tat-trab l-ewwel ġiet żviluppata għall-preparazzjoni ta 'materjali komposti bbażati fuq il-metall rinfurzati bil-partiċelli, ġeneralment inklużi taħlit ta' trab, kompatt, degassing, sinterizzazzjoni u proċessi oħra. Il-metallurġija tat-trab hija proċess ta 'formazzjoni kważi nett b'użu għoli ta' materjal, li jista 'jelimina s-segregazzjoni organizzattiva u tal-komponenti, u d-daqs tal-partiċelli u l-frazzjoni tal-volum tal-fażi ta' rinfurzar tal-partiċelli jistgħu jiġu aġġustati f'firxa kbira. Dan il-metodu huwa l-mezz ewlieni ta 'produzzjoni ta' partijiet strutturali, materjali ta 'frizzjoni, u materjali ta' konduttività għolja f'komposti bbażati fuq ir-ram. Minħabba t-tixrib fqir tar-ram u l-biċċa l-kbira tal-partiċelli ta 'rinfurzar taċ-ċeramika u d-differenza kbira fid-densità, huwa faċli li tipproduċi aggregazzjoni ta' rinfurzar meta tipprepara materjali komposti b'metodu likwidu, li jirriżulta f'distribuzzjoni irregolari tat-tieni fażi. Il-metallurġija tat-trab tista 'tħallat trab tal-metall u rinfurzar b'mod ugwali fil-proporzjon meħtieġ, issolvi l-problema tad-distribuzzjoni tat-tisħiħ. Sabiex tissaħħaħ is-saħħa tat-twaħħil tal-interface bejn ir-ram u l-partiċelli li jsaħħu, id-depożizzjoni kimika u metodi oħra ġeneralment jintużaw biex jiksu l-wiċċ tal-partiċelli li jsaħħu b'kisi tal-metall bħal Cu u Ni, u mbagħad il-partiċelli jitħalltu b'mod uniformi ma 'trab tar-ram biex jiksbu materjali komposti li jużaw metallurġija tat-trab [11]. Peress li l-partiċelli ta 'rinfurzar huma mqassma b'mod aktar uniformi fil-metall matriċi wara li jkunu miksija b'kisi tal-metall, il-kuntatt dirett bejn il-materjali ta' rinfurzar huwa mnaqqas, u l-effett ta 'rinfurzar huwa eżerċitat b'mod aktar effettiv. Fl-istess ħin, bil-kisi b'metalli differenti, l-istruttura tal-interface tista 'titjieb, is-saħħa tat-twaħħil tal-interface tista' tissaħħaħ, u l-prestazzjoni komprensiva tal-materjal kompost tista 'titjieb.
2. Metodu ta 'ikkastjar kompost
L-ikkastjar huwa l-metodu preferut għall-produzzjoni tal-massa industrijali. Madankollu, wara l-ikkastjar, ġeneralment ikun hemm proċess ta 'deformazzjoni awżiljarju għal dan il-materjal kompost. L-effett tat-tisħiħ tad-deformazzjoni se jiġi invalidat minħabba r-rikristallizzazzjoni tal-metall deformat fil-kesħa. Peress li t-temperatura tar-rikristallizzazzjoni tal-biċċa l-kbira tal-metalli hija biss madwar 40% tal-punt tat-tidwib tagħhom, ir-reżistenza għat-temperatura għolja tal-materjal miksub mill-ikkastjar hija relattivament fqira. Il-proċess tal-ikkastjar kompost ġie propost minn MC Flemings et al. tal-Istitut tat-Teknoloġija ta' Massachusetts. Dan il-metodu għandu soluzzjoni tajba għas-segregazzjoni tal-fażi ta 'rinfurzar, proċess ta' produzzjoni sempliċi, u jadatta għat-tendenza ta 'produzzjoni industrijali fuq skala kbira ta' materjali komposti, b'vantaġġi kbar ta 'żvilupp. Madankollu, minħabba l-viskożità għolja tat-tidwib, ikkastjar kompost ma jwassalx għall-iskariku ta 'gass u inklużjonijiet, għalhekk ħafna drabi jkun hemm pori u inklużjonijiet fil-materjal ippreparat; barra minn hekk, dan il-metodu huwa wkoll diffiċli biex tikkontrolla t-temperatura.
3. Metodu ta 'ossidazzjoni interna
Il-metodu ta 'ossidazzjoni interna huwa wieħed mill-metodi l-aktar komunement użati għall-preparazzjoni ta' materjali komposti bbażati fuq ir-ram. Jista 'jikseb partiċelli fini mxerrda mqassma b'mod uniformi u jista' jikkontrolla b'mod preċiż in-numru ta 'fażijiet ta' tisħiħ. L-applikazzjoni tipika ta 'dan il-proċess hija li tipprepara materjali komposti bbażati fuq ir-ram imsaħħa bit-tixrid Cu-A1203. F'dan il-proċess, ammont żgħir ta 'aluminju, element ta' liga li huwa solidu maħlul fir-ram iżda għandu tendenza akbar li jifforma ossidi minn ram, huwa miżjud mar-ram biex jagħmel trab tal-liga tar-ram-aluminju. L-ossiġnu huwa mxerred mill-wiċċ tat-trab għal ġewwa, sabiex it-trab atomizzat tal-liga jgħaddi minn ossidazzjoni interna f'temperatura għolja u atmosfera ta 'ossiġnu, u l-aluminju jiġi kkonvertit f'ossidu tal-aluminju. Imbagħad, ir-ram ossidizzat jitnaqqas f'atmosfera ta 'idroġenu, iżda l-ossidu tal-aluminju ma jistax jitnaqqas, u jsir trab imħallat tar-ram u l-ossidu tal-aluminju, u finalment sinterizzat taħt ċerta pressjoni. Hemm xi problemi fit-teknoloġija tal-iffurmar u t-tqaddid ta 'Cu-A1203 magħmula bil-metodu ta' ossidazzjoni interna. Huwa estremament diffiċli li t-trab sinterizzat, u l-proċess huwa kkumplikat u l-ispiża hija għolja. L-iżvantaġġi tal-metodu ta 'ossidazzjoni interna huma li l-proċess huwa kkumplikat, hemm ħafna fatturi li jaffettwaw il-proċess ta' preparazzjoni, il-kwalità tal-materjal hija diffiċli biex tikkontrolla u l-ispiża tal-produzzjoni hija għolja, li tillimita ħafna l-applikazzjoni ta 'dan il-proċess. .
4. Metodu in-situ tal-metall likwidu
Il-metodu ta 'reazzjoni in-situ tal-metall likwidu huwa waħda mit-teknoloġiji ġodda ta' preparazzjoni għal materjali komposti bbażati fuq ir-ram li ġiet żviluppata f'dawn l-aħħar snin. Lee et al. l-ewwel ippreparat b'suċċess materjali komposti TiB2/Cu. Dan il-metodu jħawwad u jħallat bis-sħiħ żewġ likwidi ta 'liga jew aktar u jipproduċi rinforzi nano-skala mxerrda b'mod uniformi permezz ta' reazzjonijiet kimiċi. Il-konduttività tal-materjal kompost ibbażat fuq Cu li fih 5vol1% TiB2 kienet 76% IACS. Chrysanthou et al. miżjud iswed tal-karbonju, B203 jew W iswed tal-karbonju mas-soluzzjoni Cu-Ti rispettivament, u rreaġixxa biex jiġġenera partiċelli fini u mqassma b'mod uniformi TiC, TiB2, u WC fil-post biex issaħħaħ il-materjal kompost ibbażat fuq ir-ram. Peress li t-tisħiħ fil-kompost ippreparat b'dan il-proċess m'għandux kontaminazzjoni tal-interface u għandu kompatibilità tajba tal-interface mal-matriċi, għandu konduttività u saħħa mekkanika ogħla minn materjali komposti tradizzjonali.
5. Metodu ta 'solidifikazzjoni rapida
Minħabba r-rata ta 'tkessiħ veloċi, supercooling ta' nukleazzjoni inizjali kbira u rata ta 'tkabbir għolja matul il-proċess ta' solidifikazzjoni, il-metodu ta 'solidifikazzjoni rapida jikkawża li l-interface solidu-likwidu jiddevja mill-ekwilibriju, u b'hekk jippreżenta serje ta' karatteristiċi organizzattivi u strutturali differenti minn ligi konvenzjonali. Il-metodu ta 'solidifikazzjoni rapida għandu l-karatteristiċi li ġejjin għall-preparazzjoni ta' materjali komposti bbażati fuq ir-ram:
(1) Is-solubilità solida tal-element tal-liga tar-ram tiżdied b'mod sinifikanti;
(2) Il-ħbub huma raffinati ħafna;
(3) Il-mikrosegregazzjoni tal-komponenti kimiċi titnaqqas b'mod sinifikanti;
(4) Id-densità tad-difetti tal-kristall tiżdied ħafna;
(5) Tiġi ffurmata struttura ġdida ta 'fażi metastabbli;
(6) Wara t-trattament tat-tixjiħ, il-kontenut tat-tieni fażi fil-matriċi tar-ram jiżdied u l-grad ta 'dispersjoni jiżdied.
Bi tnaqqis żgħir fil-konduttività, is-saħħa tal-liga titjieb b'mod sinifikanti, u r-reżistenza għall-ilbies u l-korrużjoni tal-liga titjieb. It-teknoloġija ta 'solidifikazzjoni rapida fetħet qasam ġdid għall-preparazzjoni ta' materjali komposti bbażati fuq ir-ram ta 'qawwa għolja u ta' konduttività għolja. Fil-futur, il-fokus tar-riċerka ta 'preparazzjoni ta' solidifikazzjoni rapida ta 'materjali komposti bbażati fuq ir-ram b'saħħa għolja u konduttività għolja se jkun li jottimizza l-kompożizzjoni tal-materjal, parametri kinetiċi ta' solidifikazzjoni u proċess ta 'tixjiħ permezz ta' analiżi tal-proċess ta 'solidifikazzjoni u proċess ta' tixjiħ, u jtejjeb il-mikrostruttura u l-prestazzjoni.
6. Metodu ta 'liga mekkanika
Il-liga mekkanika tuża mitħna tal-ballun b'enerġija għolja biex tħallat trab tal-metall jew partiċelli taċ-ċeramika f'ċertu proporzjon, u tħinhom ripetutament. It-trab kompost jgħaddi minn deformazzjoni ripetuta, iwweldjar kiesaħ, tgħaffiġ, iwweldjar mill-ġdid u proċessi ta 'tgħaffiġ mill-ġdid, li jistgħu jirfinaw il-ħbub sal-livell nanometru u jkollhom attività tal-wiċċ kbira [17]. Minħabba l-introduzzjoni ta 'numru kbir ta' difetti ta 'distorsjoni, il-kapaċità ta' diffużjoni reċiproka tissaħħaħ u l-enerġija ta 'attivazzjoni titnaqqas, u tagħmel il-proċess ta' liga differenti mill-proċess ordinarju ta 'stat solidu. Għalhekk, huwa possibbli li jiġu ppreparati ħafna materjali ġodda li huma diffiċli biex jiġu sintetizzati taħt kundizzjonijiet konvenzjonali. L-iżvantaġġ ta 'liga mekkanika biex tipprepara materjali komposti bbażati fuq ir-ram huwa li l-elementi ta' impurità huma introdotti faċilment matul il-proċess tat-tħin tal-ballun, li jnaqqas il-proprjetajiet tal-materjal, speċjalment il-konduttività. Fl-istess ħin, l-effiċjenza tal-produzzjoni hija baxxa minħabba l-ħin twil tat-tħin tal-ballun.
