Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

161

Топливные элементы. Углеродные нанотрубки могут быть

использованы в изготовлении батареек. В углеродные нанотрубки

можно помещать атомы лития, водорода. Топливные элементы с

углеродными нанотрубками можно использовать, например, для

источников электрической энергии в будущих автомобилях.

Катализ. Для некоторых химических реакций углеродные

нанотрубки являются катализаторами. Например, многослойные

углеродные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами

рутения имеют каталитический эффект на реакцию гидрогенизации

коричневого альдегида. Восстановление окиси никеля до

металлического никеля происходит при более низких

температурах в углеродных нанотрубках.

§2. Композиты с наноразмерной слюдой[26]

Слоистая структура слюды. Результаты исследований

электрофизических параметров слюды толщиной 10 – 50 мкм,

применяемой в слюдопластовых материалах для

электротермической промышленности (слюда флогопит) и в

слюдинитовых бумагах для электрической изоляции

электрооборудования (слюда мусковит) показали, что одним из

направлений получения высококачественных слюдосодержащих

диэлектриков, может быть направление уменьшения размеров и

толщин элементарных слюдинок, не имеющих поверхностных

микродефектов, то есть расщепление слюды до наноразмерных

толщин.

Слюда является обычным породообразующим многих

изверженных и некоторых осадочных горных пород. Это один из

наиболее распространенных минералов земной коры. Наличие у

слюды исключительно ценных свойств – высокой электрической

прочности, термической и химической стойкости, механической

прочности и многих

других положительных качеств, -

представляет научный и практический интерес в ее исследовании и

практическом применении.

Основу слюды составляет плоский двойной

кремнийкислородный пакет, в котором имеет место

последовательность слоев.

Полимерную массу загружают в зазор между вальцами, и

одновременно загружают кристаллы слюды толщиной 30 – 50 мкм.

Расщепление слюды происходит за счет создания фрикционных сил

162

в вальцах и возникновения упругой волны в отщепляемой части и

последующего расслоения кристаллов по зародышевым трещинам.

Получение водо – полимерных слюдокомпозитов расширить

номенклатуру электроизоляционных материалов и создать

принципиально новый вид источников накопления электрических

зарядов (ИНЭЗ). Полученные этим способом наноразмерные

слюды имели характеристические числа 1 – 10.

Способ получения наноразмерного слюдокомпозита:

слюда – полимер. В запас химических

вальцов загружается

слюдобумага и полимер, например, фторкаучук. Слюдобумага

может быть выполнена либо из слюды флогопит (слюдопласт),

либо из слюды мусковит (слюдинит). Толщина элементарных

слюдинок составляет ~ (30 ÷ 50) микрометров. Полимер должен

быть пластифицирован и содержать добавки, необходимые для

придания ему хороших технологических свойств и улучшающих

его электрофизические параметры. Объемные веса слюды и

полимера

должны быть в соотношении 1 : 1.

Физические свойства пленки капсулы («черной» пленки – 5

монослоев): Капсулы с ультратонкой расщепленной слюдинкой

должны быть расположены послойно так, чтобы одна была

смещена относительно другой в соседнем слое на 1/2 - 1/3 размера

капсулы. Каждая слюдинка обволакивается лаком толщиной 8

нм, образуется капсула. Капсулы в слоях, между собой и их

крепление к

подложке осуществляется лаковым слоем толщиной ~

150 нм. Физические свойства одного и тог же полимера капсулы и

лака различны, так как различны их толщины.

Физико – электрические характеристики нанокристалла

слюды и слюдосодержащего эластичного электроизоляционного

материала с нанокристаллами слюды.

Кристалл слюды:

толщина, нм 8

электрическая прочность, кВ/мм 4,4•10

удельная электрическое сопротивление, Ом•м 4,9 • 10

механическая прочность на разрыв, кг/см

5,7•10

полимерный гибкий слюдокомпозит:

материала:

толщина, мм 0,12

электрическая прочность, кВ/мм 60

удельная электрическое сопротивление, Ом•м 1 • 10

механическая прочность на разрыв, кг/см

400

163

При температурах –6°С ÷ 0°С ИНЭЗ на основе наноразмерной

слюды будет иметь следующие параметры:

толщина кристалла слюды, мм 0,01

влажностькристаллов слюды, % 50-70

диэлектрическая проницаемость

ε, о.е 6·10

заряд, q , Кл 750

время разряда t, суток 170

напряжение V,В 100

ресурс работы, год срок жизни слюды

Предлагаемые накопители (конденсаторы импульсного

действия) технологичны, экологически чистые, безвредные для

обслуживающего персонала.

Глава 3. Функциональные материалы для средств

безопасност ГО и ЧС [11-29]

§1. Композиционные материалы для средств индивидуальной

и коллективной защиты

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) для

специалистов ГО и ЧС и опасных производств. Один из путей

повышения функциональных возможностей работы спасателей

заключается в совершенствовании их экипировки,

представляющей собой единый комплекс средств индивидуальной

защиты от пуль и осколков, открытого пламени, непогоды и

поражающих

факторов оружия массового поражения (ОМП), а

также в снаряжении и вооружении. При этом актуальность

проблемы рациональной экипировки в настоящее время

обусловлена стремлением приспособить ее, с одной стороны, к

боевым задачам, выполняемым личным составом в широком

диапазоне поражающих факторов и условий, с другой - к

физиологическим возможностям организма, антропометрическим

параметрам человека.

общей проблеме создания нового комплекса СИЗ одно из

центральных мест занимает решение вопроса комплексной защиты

и органов дыхания от разнообразных поражающих факторов совре-

менного оружия. Изменения во взглядах на формы ведения воо-

руженной борьбы обусловили необходимость предъявления к

164

противогазу более жестких требований, а именно: непрерывного

пребывания личного состава в противогазе до 24 ч, улучшение

удобства пользования оптическими приборами и вооружением,

увеличение обзорности и т. д.

Потребность в качественном изменении облика современного

противогаза вызвана следующими причинами:

- противогаз создает существенные неудобства в эксплуатации

за счет увеличения изнуряющего и сковывающего действия на 30 -

40 %;

- при использовании противогаза совместно с

вооружением и экипировкой военнослужащих даже достигнутые

показатели защитных свойств не удается реализовать на практике,

так как в случае перевода противогаза в "боевое" положение по

первым признакам применения химического оружия (ХО) личный

состав может получить поражения;

- появились поражающие факторы, от которых современные

противогазы не обеспечивают требуемый уровень защиты,

например от сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ);

- возникла необходимость обеспечения противогазом защиты

лица и глаз не только от ОМП, но и от обычного оружия (осколки,

пули и т. д.).

При анализе традиционных путей совершенствования

лицевых частей противогазов выявлены следующие проблемы:

- повышение времени защитного действия материалов

лицевых частей, изготовленных на основе натурального или

синтетического изопренового каучуков при воздействии на них

капельно-жидких токсичных химикатов (ТХ) без создания фи-

зического барьера между ТХ и лицевой частью весьма трудно

осуществимо;

- конструкции лицевых частей не обеспечивают

существенного снижения общего механического воздействия

(ОМВ) на мягкие ткани головы человека.

При массе фильтрующе-поглощающей системы (ФПС) 200 -

250 г и ширине полосы обтюрации 2 - 3 см стабильная

герметичность обеспечивается при уровне ОМВ 50 - 60 Н при

боковом расположении коробки. Указанные значения ОМВ

сокращают время непрерывного пребывания в противогазе до 8 - 12

ч, в то же время тактические требования по этому показателю для

противогаза составляют сутки.

165

Возможными путями решения проблемы комплексной

защиты и эргономики СИЗ органов дыхания (СИЗОД), являются:

исключение традиционной полосы обтюрации, использование

системы очистки и подачи воздуха в подмасочное пространство и

применение не впитывающих ТХ материалов лицевой части, т. е.

традиционную маску или шлем-маску должна заменить маска

жесткой конструкции.

Для обеспечения относительно комфортных

микроклиматических условий при повышенных температурах

воздуха и тяжелых физических нагрузках система подачи и очистки

воздуха позволяет вентилировать подмасочное пространство.

Усложнение отдельных элементов, таких как узел переключения

режимов защиты, обусловили снижение надежности конструкции.

Композиционные металлические материалы для средств

коллективной защиты (СКЗ). Никелевые жаропрочные

материалы могут использаваться в специальных строительных

сооружениях и в силовых энергетических установках. Однако в

каждом случае следует устанавливать оптимальное соотношение

стоимости материалов с эффективностью агрегатов в эксплуатации

(с учетом, прежде всего, их надежности и ресурса).

Для жаровых труб и других деталей создан новый

структурно-стабильный высокотехнологичный гомогенный

свариваемый сплав ВЖ145, ремонто - способный (детали

снимаются с узлов и подвариваются всеми видами сварки),

объемно-стабильный, хорошо поддающийся рихтовке и доводке

размеров, не чувствительный к острым надрезам.

Среднелегированные конструкционные стали. Прочность

среднелегированных конструкционных сталей определяется

содержанием углерода, а необходимая прокаливаемость, вязкость

разрушения и пластичность обеспечиваются легированием

хромом, марганцем, никелем, молибденом и другими элементами.

Такие стали, упрочняемые закалкой и низким отпуском, имеют

параметр прочности σ

= 1400÷2000 МПа. Наиболее широко

применяют марки 30ХГСН2А, 30ХГСН2МА, 25Х2ГНТРА,

30Х2ГСН2ВМ и 40ХН2СМА. При конструировании,

изготовлении и эксплуатации деталей из высокопрочных сталей

следует учитывать повышенную чувствительность этих сталей к

концентраторам напряжений, водородной хрупкости, коррозии

166

под напряжением, действию поверхностно-активных веществ и

к ряду других факторов.

Дальнейшее развитие теории легирования и

модифицирования, совершенствование технологии

металлургического производства позволило разработать новые

конструкционные стали повышенной надежности и прочности

(марок ВКС-8 и ВКС-9), обладающие хорошим комплексом

физико-механических свойств (табл. 23). Благодаря высоким

параметрам вязкости разрушения, сопротивления малоцикловой

усталости и коррозии под напряжением сталей ВКС-8 и ВКС-9, из

них можно изготовить высоконагруженные детали и сварные узлы,

обеспечив при этом надежность их эксплуатации и длительный

ресурс. В зависимости от назначения и условий эксплуатации

деталей наряду со среднелегированными сталями, требующими

защиты от коррозии, широко применяют коррозионно-

стойкие спариваемые стали.

Таблица 23.

Механические свойства среднелегированных конструкционных сталей.

Марка стали

пц

0,2

-1

ГПа

МПа МПа МПа МПа МПа

30ХГСМ2А

ВКС-8

ВКС-9

195

200

1600—1800

1800—2000

1950—2150

900 1150

1250

1500

1600

600

700

660

45 45

Высокопрочные стали являются одним из основных

материалов, применяемых в различных отраслях машиностроения

для изготовления силовых элементов конструкций, где требуется

сочетание высокой удельной прочности в заданных габаритных

размерах детали, надежности, способности работать в широком

интервале температур, высокого сопротивления повторным

нагрузкам при хорошей технологичности и низкой стоимости. Эти

материалы хорошо свариваются, штампуются, обрабатываются

резанием и имеют незначительную анизотропию свойств в

крупных полуфабрикатах.

Коррозионно-стойкие стали переходного класса. Благодаря

регламентированному, содержанию в структуре остаточного

аустенита коррозионно-стойкие стали переходного класса

обладают высокими характеристиками надежности. Стали этого

167

класса характеризуются также высоким сопротивлением общей

коррозии и коррозии под напряжением, хорошей свариваемостью

всеми видами сварки (причем сварные соединения не требуют

термообработки).

Сталь 07Х16Н6 является одной из наиболее

распространенных, выпускается в виде листов, лент, прутков,

поковок, сварочной проволоки. После закалки, обработки

холодом и отпуска в интервале температур 250—400°С сталь при

параметре прочности σ

= 1100÷1300 МПа имеет высокие

параметры вязкости разрушения и пластичности и применяется

для изготовления силовых деталей и сварных узлов, работающих

при низких температурах (до —253° С), в том числе деталей,

подвергаемых действию большой концентрации напряжении, а

также сварных емкостей, работающих под газовым давлением.

Сталь 13Х15Н4АМЗ с параметром прочности σ

=1400÷1600

МПа широко применяют для изготовления высоконагруженных

деталей и сварных узлов. Высокие параметры прочности

стали обеспечиваются повышенным содержанием углерода и

азота, а пластичности и вязкости — наличием в структуре 15—

20% равномерно распределенного остаточного аустенита.

Сталь поставляется в виде поковок, штамповок, прутков и

горячекатаных листов. Термическая обработка состоит из

закалки при температуре 1070° С, обработки холодом и отпуска

при 200 или 350° С. При параметре прочности σ

= 1600 МПа

после отпуска при температуре 200° С сталь 13Х15Н4АМЗ

обладает высокими параметрами вязкости разрушения,

пластичности, сопротивления к концентраторам напряжений, в

том числе к трещинам при длительно действующих нагрузках в

контакте с водой.

Сталь 13Х15Н4АМЗ показала себя надежным материалом

для высоконагруженных болтов, работающих как на срез, так и

на растяжение. Изготовление резьбы путем накатки в

упрочненном состоянии позволяет на порядок повысить

сопротивление болтов действию повторных нагрузок путем

создания сжимающих напряжений в резьбе. Для повышения

массовой эффективности применяемых деталей была разработана

наиболее высокопрочная из сталей переходного класса — сталь

18Х14Н4АМЗ с параметром прочности σ

= 1600÷1800 МПа. Такая

прочность обеспечивается повышением содержания углерода и

168

изменением фазового состава в сторону большего количества

мартенсита. При этом сталь 18Х14Н4АМЗ имеет достаточно

высокие параметры вязкости разрушении и сопротивления

коррозионному растрескиванию.

Сталь 18Х14Н4АМЗ предназначена для изготовления

силовых деталей и сварных узлов, работающих при

температурах от —70 до +200° С в любых климатических

условиях.

Коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стали.

Благодаря возможности применения сварки без последующей

термической обработки с обеспечением σ

ов

= 0,9σ

, способности к

упрочнению до высокой прочности путем старения без поводки,

конструктивной надежности, определяемой хорошей

коррозионной стойкостью и сравнительно малой

чувствительностью к концентрации напряжений, коррозионно-

стойкие мартенситно-стареющие стали являются весьма

перспективным материалом для изготовления силовых деталей и

сварных конструкций. Наиболее широко распространены две

марки: 08Х15Н5Д2Т и 05Х14Н6Д2МБТ с параметром

прочности σ

=1150÷1400 МПа.

Благодаря низкой температуре мартенситного превращения

эти стали обладают хорошей технологичностью. Так, закалка

деталей может совмещаться с процессом формообразования

(значительной деформации в области температур до 130° С).

При сварке самых сложных конструкций не требуется подогрева

или последующего отжига. Важнейшими достоинствами этих

сталей являются малые поводки н внутреннее напряжения при

сварке по сравнению с другими хорошо свариваемыми сталями,

в ТОМ числе и аустенитными.

Сталь 06Х14Н6Д2МБТ в отличие от стали 08Х15Н5Д2Т об-

ладает большей стойкостью сварных соединений к

коррозионному растрескиванию под напряжением, а также более

высокими параметрами вязкости разрушения при низких (—70

С)

температурах. Перестаривание стали 08Х15Н5Д2Т в интервале

температур 500—515°С при упрочнении листовых деталей,

незначительно снижая прочность, позволяет обеспечить высокую

стойкость к коррозионному растрескиванию сварных соединений в

изделиях, работающих в любых климатических условиях. Ниже

169

приведены механические свойства стали 08Х15Н5Д2Т (лист

толщиной 0,6—1,5 мм) и сварных соединений:

, % 10 - 20

в,

МПа (основной металл, подвергнутый перестариванию при

500—515° С в течение 2 ч ) 1150 -1400 σ

в,

МПа

(сварное соединение ) 1100 -1150

Для изготовления литых деталей из сталей мартенситного

класса применяют коррозионно-стойкую сталь 08Х14Н5ДМ2 с

регламентированным количеством остаточного аустенита.

Заданный фазовый состав стали (содержание аустенита 20—

35%, σ-феррита не более 2%) определяет сочетание высоких

прочностных и пластических свойств литого металла.

Ниже приведены механические свойства отливок из стали

03Х14Н5ДМ2, прошедших термообработку при режиме:

гомогенизация при 1100° С, закалка на воздухе при

температуре 970° С, старение при 460°С.

, МПа ....................................... 1250

0,2

, МПа ...................................... 900

, % ............................................ 12

ψ, % ............................................. 35

КСТ, Дж/м

................................. 40·10

Сталь 08Х14Н5ДМ2 обеспечивает высокую конструктивную

прочность благодаря хорошему сопротивлению повторно-

статическим нагрузкам, перекосу, а также низкой

чувствительности к надрезу. Она хорошо сваривается

различными видами сварки, в том числе и в термоупрочненном

состоянии.

Композиционные материалы на основе вяжущих. В

Древнем Риме не было слова «бетон». Оно появилось гораздо

позже, в 18-м веке во Франции. В римском лексиконе

употреблялось словосочетание «опус цементум», которым и стали

называть римский бетон. История бетона неразрывно связана с

историей цемента. В древнеримских государствах заметное

применение бетона началось примерно с конца 1У в. до н. э.

Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком

являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой

и высыхания приобретали некоторую прочность. Одним из первых

начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай.

170

Великая китайская стена, строительство которой было начато в 214

г. до н.э., сооружена в основном из бетона.

Долговечность римского бетона поразительна. Можно лишь

удивляться, глядя на отдельные древнеримские здания и

сооружения, простоявшие почти 2000 лет. В качестве клея, а

точнее, его основного компонента, римляне использовали

воздушную известь. За несколько тысячелетий до новой эры люди

научились получать готовую известь из известняка. Известняк

обжигали при температуре 900

С. Обжиг продолжался примерно

одну неделю. Римляне различали три вида извести: негашеную,

погашенную в тесто, которая употреблялась при отделочных

работах, и погашенную в порошок, идущую исключительно для

кладки стен. Для штукатурных работ известь затворяли

избыточным количеством воды задолго до употребления и

выдерживали в ямах до полного гашения. Образующее тесто

тщательно секли острыми металлическими секирами и

перемешивали до равномерного до равномерно жирной и «липкой»

консистенции.

Для изготовления кладочных растворов обожженную и

измельченную в небольшие куски воздушную известь гасили водой

так называемым сухим способом. Для этого известь погружали в

воду и затем рассыпали на воздухе или укладывали ее слоями,

которые затем опрыскивали водой и покрывали слоем песка для

сохранения выделяемого тепла, способствующего гашению. Эти

способы, применяемые порой и теперь, не обеспечивали полноты

гашения, так как основу составляли в порошке более крупные,

неразмешанные и непогасившиеся зерна извести. Качество извести

проверялось государственными контролерами при помощи

небольшой лопатки, которую погружали в и известковое тесто. К

поверхности лопатки известь должна прилипать равномерно.

Превращение известкового клея в бетон. При обжиге

добытого в карьере известняка на сильном огне из камня

последовательно будет выделяться вода и углекислый газ. Затем из

негашеной извести получают гашеную, поливая ее водой.

Полученный белый порошок называют «пушенкой». Далее

смешивают «пушенку» с водой. Получается тесто с техническим

названием гидроксида кальция. Чем больше добавлять в него воды,

тем более жидким становится известковое тесто. Если это тесто

плотно закрыть сверху грунтом, то оно не затвердеет десятки лет и