Публикация материалов

Темы исследований

Наш баннер

Мы будем благодарны, если Вы установите наш баннер!
Баннер сайта Обучонок
Код баннера:
<a href="https://obuchonok.ru/" target="_blank"> <img src="https://obuchonok.ru/banners/banob2.gif" width="88" height="31" alt="Обучонок. Исследовательские работы и проекты учащихся"></a>
Все баннеры...
медь
Тематика: 
Физика
Автор работы: 
Иванов Максим
Руководитель проекта: 
Армер Ирина Яковлевна
Учреждение: 
ГБОУ Лицей №150 г. Санкт-Петербурга
Класс: 
11

В индивидуальной ученической работе по физике на тему «Исследование структуры и свойств дисперсно-упрочненных композитных материалов на основе меди» рассматривается способ получения композитного материала Cu-Al2O3 с устойчивой кристаллической структурой Al2O3.

Подробнее о работе:


В рамках исследовательской работы по физике о дисперсно-упрочненных композитных материалах на основе меди изучаются теоретические сведения и дается определение композитных материалов с упрочняющими нитями, рассматривается композит материалов упрочнённый порошками оксидов нитридов и проч., исследуется спрейная сушка, как способ производства наночастиц.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Исследование структуры и свойств дисперсно-упрочненных композитных материалов на основе меди» учащийся школы для получения дисперсно-упрочнённого материала проводит спрейную сушку растворов солей, отжиг порошков при 400C, восстановление порошков водородом, исследует упрочняющую фазу. Полученные компактные образцы были изучены автором и описаны в практической части работы.

Оглавление

Введение
1. Композитные материалы с упрочняющими нитями.
2. Дисперсно-упрочнённый материал.
3. Композит металлов, упрочнённый порошками оксидов нитридов и т. д.
4. Спрейная сушка - способ производства наночастиц.
5. Использованное оборудование, химическая посуда и материалы.
5.2 Стадии синтеза.
5.2.1. Подготовительный процесс.
5.2.2. Спрейная сушка растворов солей.
5.2.3. Отжиг порошков при 400C.
5.2.4. Восстановление порошков водородом.
5.2.5. Исследование упрочняющей фазы.
5.2.6. Получение компактных образцов.
5.2.7. Исследование компактных образцов.
5.3 Применение композитных материалов.
Заключение
Список литературы

Введение


Цель проекта: получить к декабрю 2018 года композитный материал Cu-Al2O3 с устойчивой кристаллической структурой Al2O3

Задачи проекта:

  1. Подобрать литературный материал для написания реферативной части работы. Познакомиться с технологической частью получение композитного материала.
  2. Получить композитный материал Cu-Al2O3. Познакомиться с методами исследования свойств полученного материла. Исследовать структуры и свойства полученного материала на всех стадиях синтез
  3. Создать буклет, описывающий производство материалов, и содержащий рекомендации по использованию дисперсно-упрочнённых композитов в промышленности.

Вопросы проекта:

  1. Что такое дисперсно-упрочнённый композитный материал?
  2. Как получить дисперсно-упрочнённый материал, имея в наличии матрицу и фазу-упрочнитель?
  3. Как исследовать композит на всех стадиях синтеза?
  4. Какими свойствами обладает конечный продукт и чем он отличается от аналогов?

Необходимое оборудование: лабораторное оборудование, матрица и фаза-упрочнитель.

В современном мире все шире используются композитные материалы, их применение позволяет добиться высокой прочности материала при пониженной массе и стоимости. Одним из видов композитов является дисперсно-упрочненный материал. Упрочнение металлов осуществляется введением в них порошков оксидов, карбидов, нитридов, боридов. Высокая прочность достигается при размере частиц 0,01-0,1мкм. Получение композитов и стало целью моей работы.

Актуальность: Создание композитных материалов с введением тонкодисперсных частиц позволяет использовать их при высоких рабочих температурах и длительной эксплуатации, предотвращая их разрушение.

Продукт проекта: Буклет, описывающий стадии производства, использование в промышленности, плюсы и минусы дисперсно-упрочнённых композитных материалов

Композитные материалы с упрочняющими нитями

В современном мире все шире используются композитные материалы. Их применение позволяет добиться высокой прочности материала при пониженной массе и стоимости.

медь 1

Существуют несколько основных видов композитных материалов. Для создания одного из них в основной материал (матрицу, например, полимер) вводятся упрочняющие нити. Эти нити принимают на себя механическую нагрузку. Это увеличивает механическую прочность композита, лишь незначительно увеличивая его массу. Различные варианты взаимного расположения упрочняющих нитей представлены на рисунке 1.

Дисперсно-упрочнённый материал


Другой вид композитов называется дисперсно-упрочненными материалами. В этом случае в матрицу вводятся нано-частицы, но почти всю приложенную механическую нагрузку принимает на себя матрица. Роль второй фазы состоит в модификации, изменении механических свойств матрицы. Фаза-упрочнитель не взаимодействует с матрицей, а также имеет высокую температуру плавления и химическую стойкость.

Один из типичных случаев – материал, получаемый введением в полимерную матрицу порошка нано-трубок, фуллеренов или нано-порошков оксидов металлов. Присутствие нано-частиц увеличивает вязкость, прочность матрицы.

Композит металлов, упрочнённый порошками оксидов нитридов и т. д.

Другой распространенный случай – упрочнение металлов введением в них порошков оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al2O3, SiO2, BN, SiC и др.). Высокая прочность достигается при размере частиц упрочнителя 0,01…0,1 мкм. Объемное содержание не превышает 5…10 объемных процентов. Наиболее широко применяются дисперсно-упрочненные материалы на основе алюминия и никеля.

медь 3

Улучшение механических свойств металлов при введении упрочнителя объясняется механизмом их пластической деформации. Пластическая деформация кристаллических доменов в большой степени происходит в результате перемещения в них дефектов особого вида – так называемых дислокаций. Дислокации подразделяться на два основных вида: краевые и винтовые

медь 4

Основные виды дислокаций

Наиболее распространенными методами получения дисперсно-упрочненныхматериалов являются: метод механического смешивания и метод внутреннего окисления. Их основные достоинства и недостатки перечислены в таблице 1.

медь 7

медь 8

Схемы деформации скольжением краевой (а) и винтовой (б) дислокаций

Пластическая деформация может происходить за счет рождения и перемещения дислокаций по объему деформирующегося материала. Этот механизм поясняется рисунком 3. Присутствие нано-частиц второй фазы затрудняет перемещение дислокаций и таким образом увеличивает прочность материала.


Наиболее распространенными методами получения дисперсно-упрочненных материалов являются: метод механического смешивания и метод внутреннего окисления. Их основные достоинства и недостатки перечислены в таблице 1.

медь 9

Таблица 1. Достоинства и недостатки методов получения ДУКМ

Спрейная сушка - способ производства наночастиц

Производство композитных материалов требует большого количества нано-частиц. Один из способов их производства в промышленных количествах – это спрейная сушка.

Этот метод позволяет создавать нано-частицы регулируемого размера, структуры и формы при разумной стоимости. Способ включает в себя стадии растворения вещества-прекурсора в подходящем растворителе, распыление раствора, сушка капельной взвеси с удалением растворителя и сбор порошка получившихся нано-частиц. Эта технология поясняется рисунком 4. Полученные нано-частицы добавляются в расплав металла (матрицы).

медь 10

К методу спрейной сушки

В работе этот метод применялся для создания промежуточного продукта – нано-порошка нитрата меди с примесью (0.5-1%) нитрата алюминия. Приготовления исходного раствора и его распыление производилось на установке Spray Dry B-290(рис. 5).

Использованное оборудование, химическая посуда и материалы:

  • Колбы
  • Аппарат для спрейной сушки – Spray Dry B290
  • Муфельная печь
  • Химический стакан
  • Гидравлический пресс и формы для него
  • Химические вещества: Cu (NO3)2, Al (NO3)3, H2.


Стадии синтеза: Подготовительный процесс
Были приготовлены растворы солей Cu (NO3)2 и Al (NO3)3 путём растворения их порошкообразных форм в полярном растворителе – воде.

медь 11

Спрейная сушка растворов солей
Далее растворы солей надо просушить, используя аппарат для спрейной сушки Spray Dry B290 (его фото представлено на рисунке 5).

медь 12

Spray Dry B290 и схема его работы

медь 13

Порошок после Spray Dry c 0,5 масс. % Al 2 O3

Отжиг порошков при 400°C

Способ создания дисперсионно-упрочненного металла методом внутреннего окисления предусматривает формирование нано-частиц в его объеме в результате химической реакции, например, реакция распада нитрата меди и алюминия, проводимая при температуре 400°C.

Проводим обработку порошков Cu (NO3)2 и Al (NO3)3 в муфельной печи при t=+-400 градусов. В результате нагрева порошок нитрата меди распадается на оксид меди (II) и бурый газ, а нитрат алюминия распадается на оксид алюминия (III) и бурый газ.

2Cu (NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2

4Al (NO3)3 = 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2

медь 14

Рисунок Порошки оксидов меди и алюминия после отжига

Восстановление порошков водородом

Полученные порошки CuO и Al2O3 отправляются на восстановление в атмосфере H2 при температуре 600°C. В результате идет процесс восстановления порошка водородом при температуре 600°C. Для меди достаточно температуры, чтобы она восстановилась из своего оксида, а для алюминия нет (температура восстановления оксида алюминия водородом примерно равна 900 – 1000 градусов по Цельсию). В результате получается смесь меди с нано-частицами оксида алюминия.

медь 15

Порошок Сu -Al 2O3

Исследование упрочняющей фазы

Исследование упрочняющей фазы – оксида алюминия производилось на электронном микроскопе. При этом размер частиц упрочняющей фазы не превышал 10 – 100нм (Нанометр)

медь 16

СЕМ оксида алюминия

Гистограмма распределения размеров частиц оксида алюминия


Получение компактных образцов
Полученный после восстановления водородом композитный материал помещается в форму для прессования. Прессование осуществляется под давлением 100 – 600 МПа (Мега Паскаль) в гидравлическом ручном прессе.

медь 17

Гидравлический ручной пресс

Исследование компактных образцов

Были проведены исследования образцов на твердомере Бринелля, а также, путём пропускания через образцы электрического тока, была выяснена зависимость теплопроводности содержания упрочняющей фазы в образце

Применение композитных материалов:
Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности.

Вот список отраслей, где находят своё применение композиты:

  • Машиностроение
  • Авиационная и космическая промышленность
  • Судостроение
  • Важнейший материал, использующийся в мостостроении

Заключение

Методом термохимического синтеза получены дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе меди, упрочненные нано-размерным оксидом алюминия с содержанием 0,5 и 1 масс.%.

Получен композиционный материал высокой чистоты с гомогенным распределением упрочняющей фазы. Средний размер полученного порошка составляет 1,8 мкм, а оксида алюминия 40 нм.

Полученный дисперсно-упрочненный композиционный материал может быть применен для изготовления электродов контактной сварки.

Гипотеза, предложенная в начале, доказана опытным путём

Список литературы

  1. Черепанов, А. И. Теория и технология литейных композиционных материалов. [Электронный ресурс]: конспект лекций / А. И. Черепанов. – Электрон) – Красноярск : ИПК СФУ, 2008
  2. Л.Н. Тялина, А. М. Минаев, В.А. Пручкин. Новые композитные материалы: учебное пособие – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011 – 80 с
  3. Б.Е. Винтайкин. Физика твердого тела: электронный ресурс
  4. Д.С. Алейникова. Исследование структуры и свойств дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе меди. Диссертация бакалавра (науч. рук. проф. О.В. Толочко): СПбПУ 2017.
  5. Asep Bayu Dani Nandiyanto, Kikuo Okuyama. Progress in developing spray-drying methods for the production of controlled morphology particles: From the nanometer to sub micrometer size ranges // Advanced Powder Technology, vol. 22, pp. 1–19 (2011).


Если страница Вам понравилась, поделитесь ссылкой с друзьями:

Партнеры и статистика