Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

Ключникова Н.В.

Эффективное совмещение металлической и неметаллической составляющих разного состава в определенных количественных соотношениях создает возможность изменения в нужном направлении физико-механических и радиационнозащитных свойств готовых материалов. В качестве неметаллической составляющей используют крупные гранулы и мелкодисперсные фракции горных пород и минералов, отходы стекольной и керамической промышленности. Одним из главных вопросов химии и технологии металлокомпозитов является вопрос о характере связи и силе сцепления между компонентами. Сцепление между фазами в гетерогенных системах определяется соотношением их поверхностных энергий, величиной поверхностного натяжения между фазами и осуществляется как за счет сил Ван-дер-Ваальса между фазами, так и образования промежуточных соединений и твердых растворов. Для оценки возможного взаимодействия между фазами в металлокомпозитах принято рассматривать смачивание между компонентами, характеризуемое краевым углом смачивания. Хорошее смачивание тугоплавкими металлами металлоподобных карбидов и нитридов по сравнению со смачиванием ими огнеупорных оксидов объясняется металлической связью в решетке этих соединений, склонностью их к образованию растворов с металлами и обменным реакциям между ними.

Таким образом, рассматривая смачивание как основную предпосылку образования прочной структуры, все металлокомпозиты следует разделить на две основные группы:

1) металлокомпозиты, в которых неметаллическая фаза хорошо смачивается расплавленным металлом;

2) металлокомпозиты, в которых смачивание неметаллической фазы расплавленным металлом невелико.[1]

К первой группе относятся композиты металлоподобных тугоплавких соединений на металлической связке, т. е. большинство карбидов и силицидов, имеющих структуру фаз внедрения, а также боридов и силицидов. Для металлокомпозитов этого типа характерна плотная и прочная связь между металлом и металлоподобной фазой, благодаря ее хорошему смачиванию расплавленными металлами. Такие металлокомпозиты спекаются при температуре несколько превышающей температуру плавления металла-связки. Образующаяся при этом жидкая подвижная металличесая фаза полностью смачивает поверхность металлоподобного соединения, проникая в мельчайшие трещины и неровности поверхности его зерен и обеспечивая тем самым высокие прочностные свойства композита. При этом возможно образование некоторых промежуточных соединений и частичное растворение.

Вторая группа объединяет металлокомпозиты на онове оксидов. Последние плохо смачиваются расплавленными металлами, в результате достигнуть прочной связи между металлом и неметаллической составляющей, как правило, не удается. Поэтому при спекании металлокомпозитов составов оксид – металл при температуре, превосходящей температуру плавления металла–связки, происходит вытекание металла. Во избежание такого явления металлокомпозиты оксидного типа обжигают при температурах ниже температуры плавления металла, при которой металл находится в вязкотекучем, но еще твердом состоянии

Для улучшения смачиваемости между тугоплавкими металлами и высокоогнеупорными оксидами в процессе спекания металлокомпозитов оксиды должны иметь высокую удельную поверхность. Иногда в металлакерамическую композицию вводят оксиды, образующие с основным оксидом жидкую фазу. В металл вводят добавки его оксида, если последний может взаимодействовать с основным оксидом системы. Вводят легирующие добавки в основной металл, при этом легирующий металл должен иметь большое сродство к кислороду, что способствует смачиванию оксида образующимся сплавом.

Металлокомпозит на основе оксидов будет прочным и плотным тогда, когда металл и неметаллическая составляющая образуют промежуточный слой, связывающий обе фазы. Таким идеальным случаем является образование твердого раствора основного введенного оксида с оксидом металла–связки, например кермет состава корунд – хром.

Свойства металлокомпозитов в известной степени определяются рядом физико-химических процессов, протекающих при нагревании:

1) смачивание керамической фазы металлом;

2) химическое взаимодействие фаз;

3) взаимная растворимость фаз [1].

Свойства металлокомпозитов можно изменять, выбирая различные соотношения между металлическими и неметаллическими составляющими, что удается легко осуществить методами порошковой технологии.

Частицы металла, плавясь во время обжига металлокомпозита, действуют как связка, смачивая и соединяя зерна другого компонента или же вступая с ним в химическое соединение. В результате взаимодействия между ними получаются новые материалы, обладающие специфическими свойствами, не являющиеся просто суммой свойств металла и неметаллической составляющей. [2]

Состав металлокомпозитов пока еще в значительной степени подбирают эмпирическим путем, но все же имеются и некоторые теоретические предпосылки. Определяющим фактором в подборе материала связующего играет его способность смачивать неметаллическую составляющую. Смачивание может сопровождаться в металлокомпозите химической реакцией между компонентами (они же являются фазами) с образованием новой фазы в виде нового соединения или твердого раствора. Чем лучше происходит смачивание, тем выше качество получаемого металлокомпозита.

В области высоких температур получения композиционных материалов большинство компонентов являются термодинамически неравновесными, способными вступать между собой в различные реакции на границе раздела фаз. Физико-химические явления, происходящие на поверхности раздела компонентов довольно сложны и в настоящее время еще плохо изучены. В основном, идет накопление экспериментальных данных по взаимодействию между наиболее перспективными металлами (алюминиевыми, магниевыми, никелевыми, титановыми и некоторыми другими) и волокнами – борными, углеродными, стеклянными. Причем, следует отметить, что в настоящее время наблюдается некоторое затишье в изучении композиционных материалов, а пик этих исследований приходится на 70 – 80-е годы, когда было получено большинство данных и начаты некоторые теоретические разработки как у нас в стране, так и за рубежом.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Химическая технология керамики и огнеупоров. // Под ред. П. П. Будникова. – М.: Изд-во литературы по строительству, – 1972, – 552 с.
  2. Корелова А. И. Стекло, керамика и их будущее. – Ленинград: Высшая школа, – 1962, – 56 с