Методы создания высокотемпературных высокопористых материалов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы создания высокотемпературных высокопористых материалов

29.06.2021

Существует несколько способов придания материалам пеноструктуры. Так, для формирования структуры металлических пеноматериалов, а также при изготовлении огнеупорных керамических пористых материалов используют три метода:

1) введение и последующее удаление наполнителя;

2) добавление к суспензиям пенообразователей или отдельно приготовленной пены;

3) газообразование с использованием химических реакций.

Первый из этих методов заключается в добавлении в металлический порошок твердых веществ, суспензии или расплава органических, а также неорганических материалов (парафиновые шарики, сахар, различные соли), удаляемых после формования заготовки испарением, возгонкой, выжиганием, в результате чего в металлической матрице остаются многочисленные равномерно распределенные по ее объему поры,

По второму методу смешивают суспензию металлического порошка с пенообразователем или с отдельно приготовленной пеной, полученной механической обработкой водных растворов некоторых поверхностно-активных веществ.

Третий метод основан на вспенивании диспергированного в органической среде расплава или металлического порошка газом, выделяющимся при химических реакциях взаимодействия или разложения имеющихся компонентов системы, а также специально вводимых добавок. Образование пористой структуры при химическом порообразовании складывается из нескольких последовательных процессов, главными из которых можно считать химическое взаимодействие компонентов системы с образованием газовых пузырьков, их расширение, миграция в объеме и фиксация ячеистой структуры материала.

В соответствии с первым из указанных методов получен, например, пенобериллий. К порошку бериллия добавляют порошок цинка и после перемешивания смесь спекают при температуре 1100 °С. В процессе нагрева цинк испаряется, в результате чего получают пенобериллий с плотностью 0,5 г/см3. Аналогично этому получены пористые материалы из молибдена, вольфрама и карбида вольфрама.

Пенобериллий плотностью 0,07 г/см3 был получен также при использовании в качестве наполнителя полых сфер. Восковые шарики погружали в суспензию бериллия в водном растворе карбоксиметилцеллюлозы натрия. Затем шарики извлекали из раствора, отверждали и выплавляли воск. Окончательно воск удаляли растворением в ксилене или вакуумной дистилляцией. Полученные бериллиевые шарики засыпали в формы и спекали.

В работе пеноникель получали осаждением металла из газовой фазы на органическую подложку.

В качестве порообразователя часто используют NaCl. К существенным недостаткам этого процесса можно отнести частичное его удаление при обжиге, поэтому остаток порообразователя необходимо удалять кипячением в воде обожженных заготовок.

В качестве порообразователя используют также бикарбонат аммония. При спекании брикетов с наполнителем объемная усадка определяется уплотнением участков с мелкими естественными порами, величина макропористости остается неизменной. В структуре пористых тел, полученных с использованием крупного наполнителя, преобладает матричная смесь металла и пустоты, а в структуре тел, полученных с мелким наполнителем, — статистическая смесь.

В работе исследовано влияние наполнителей — хлоридов калия и аммония на процесс порообразования в рабочих слоях газопроницаемых электродов.

В качестве порообразователей часто используют и металлы, способные испаряться при относительно невысоких температурах. Так, пористые материалы на основе ниобия и тантала получают из сплавов ниобия, тантала или Ta + Nb с добавками Ti, V или Ti + V. Смеси порошков сплавов прокатывают, полученные изделия нагревают в вакууме, титан и ванадий вследствие высокой упругости паров испаряются, образуя поры.

В работе в качестве металлического порообразователя использован никель. Порошок основы смешивают с никелем, прессуют заготовки, которые подвергают последующему спеканию. Порообразователь удаляется после спекания экстракцией оксидом углерода при давлении 5—8 МПа и температуре 80-100 °С.

По второму способу, называемому пенометодом, изготавливают, например, пеноматериалы из железа и меди. В качестве пенообразователя используют соли сульфоновой кислоты и ряд других органических соединений. Эти вещества смешивают с водной суспензией порошков металлов и их оксидов. Полученную после интенсивного перемешивания пеномассу заливают в соответствующие формы и подвергают сушке. Высушенные заготовки спекают при температуре 900—1200 °C в атмосфере водорода. Пористость регулируют применением исходных порошков различной зернистости и изменением состава пеномассы.

В работе в качестве пенообразователя использовали органические соединения. Металлические порошки диспергируют в органической среде, смесь взбивают в пену, а затем подогревают с целью создания устойчивой структуры.

Для получения пористых металлических изделий часто применяют газообразные пенообразователи — кислород и азот. Расплавленный металл переносят в подогреваемый тигель, вводят газ или сплав, содержащий гидриды титана и циркония. В тигле создают небольшое разрежение, что способствует пенообразованию.

Значительную часть имеющихся литературных и патентных источников, в которых приведены способы получения пеноматериалов, можно отнести к третьему методу — методу газообразования с использованием химических реакций.

Фирмы «Bjarksten Research» и «General Electric» применяют для получения пенометаллов метод газообразования с применением органических соединений и газообразующих реагентов с металлическими порошками, последующим нагревом смеси и вспениванием за счет газов, получающихся при разложении газообразующего реагента. Фирма «Fomalum» использует этот метод для изготовления пеноматериалов на основе меди и никеля. Газообразующими веществами, используемыми для вспенивания этих металлов, являются гидриды циркония или титана.

Ф. Кларк описывает метод получения пенобериллия с использованием газообразования. Наряду с бериллием были обработаны органические порошки вольфрама, в результате чего получена пенистая спеченная масса с очень низкой плотностью. Г.В. Самсонов получал пористые материалы восстановлением оксида металла сажей (3Cr2О3 + 13С = 2Cr3C2 + 9СО).

Условия получения сложных карбидов с высокой пористостью исследованы в работе. Высокопористые материалы из ZrC-TiC и TiC-NbC получали непосредственно при совместном углеродном восстановлении оксидов TiO2, ZrO2, Nb2O5 и карбидизации образующихся при этом металлов. Показано, что этим способом можно получать изделия из твердых растворов TiC-ZrC с пористостью 58—64 %, а также из TiC-NbC с пористостью 70—78 %.

Указанные методы создания высокопористых материалов имеют ряд существенных недостатков. Метод введения и последующего удаления наполнителя трудоемок, изделия, изготавливаемые с помощью этого метода, имеют более высокую относительную плотность и меньшую прочность по сравнению с изделиями, получаемыми пенометодом. Пенометод требует длительного периода сушки заготовок, и, кроме того, существуют чрезвычайно большие трудности при получении пеномассы из материалов, плотность которых более 5,7 г/см3.

Наиболее перспективным методом порообразования в последнее время становится метод введения в материал заранее изготовленных пустотелых микросфер.

Полые тонкостенные микросферы находят все большее применение при разработке новых композиционных, теплозащитных и огнеупорных материалов, характеризующихся не только малой плотностью, но также рядом других важных для практики свойств: высокой удельной прочностью на сжатие, устойчивостью к деформации, хорошей теплоизолирующей способностью.

В литературе описаны композиционные материалы, в которых наполнителями служат натрийборсиликатные микросферы. Предложены составы композитов на связующих из смол и других соединений. Существенным фактором, ограничивающим применение стеклянных полых микросфер и композитов на их основе, является воздействие высоких температур.

Перспективны композиционные материалы на основе оксида алюминия, основная область их применения — высокотемпературная изоляция. Для этих целей используют композиционный материал, полученный смешением со связующим полых алюмомагнезиальных сфер с последующим формированием и обжигом образующейся массы при температурах 1400—1800 °С.

В работе было опробовано изготовление образцов на основе смеси пустотелых микросфер как наполнителя тонкомолотого технического глинозема и ортофосфорной кислоты. Образцы подвергали термической обработке при 500 °С. При плотности 0,99 г/см3 и открытой пористости 64 % они обладали прочностью на сжатие 5,8 МПа.

Керамика из стеклянных микросфер, связанных хромалюмофосфатным связующим (9,08 % Al2O3; 4,64 % Cr2O3; 37,04 % P2O5), исследована в работе. Выбор такой связки позволил при неизменности формы микросферы регулировать размер перемычки и механические свойства материала. При этом прочность на сжатие полученных материалов менялась от 2,5 до 5,5 МПа при плотности 0,25-0,4 г/см3.

Большими потенциальными возможностями обладают композиционные материалы, полученные прониткой пористого каркаса из микросфер жидкими материалами. Весьма перспективны материалы на основе углеродных микросфер. Композиционный материал из углеродных сфер и пирона с плотностью 0,35 г/см5, пористостью 51 % и прочностью на сжатие 1,4— 5,4 МПа используется как наполнитель для многослойных панелей, работающих в условиях деформации и повышенных температур. Большой интерес представляют синтактические пены, наполненные углеродными микросферами. Для высокотемпературной изоляции используют карбонизованные при 1000 °С материалы на основе углеродных микросфер фенольной или эпоксидной смолы (связующие) с плотностью 0,19—0,23 г/см3.

В качестве связующего используют пироуглерод и пенообразуюшие смолы.

Наиболее целесообразным методом изготовления таких материалов, учитывая необходимость смешивания и последующего связывания компонентов композиционного материала, является порошковая металлургия.

Вводимые для получения высокой пористости пустотелые микросферы не должны быть разрушены в процессе изготовления материала, что может быть обеспечено применением твердофазного спекания, т.е. спекания при температурах ниже температур плавления или размягчения компонентов. В связи с предполагаемым использованием в работе микросфер из материалов различной природы ниже рассмотрены условия их получения и свойства, а также некоторые вопросы, связанные со спеканием композиционных материалов и их применением.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: