Характеристика перспективных материалов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРХИТЕКТУРЫ  И СТРОИТЕЛЬСТВА

КАФЕДРА ФИЗИКА 
 
 
 

Курсовая  работа

По дисциплине: Концепции современного естествознания.

Часть 1

Перспективные материалы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст-т группы МО-21

     Емелин Артем

                                                          Принял: к.т.н., доц.

Саранцева. С.С. 
 
 
 
 

Пенза, 2010

Содержание.

Введение

Глава 1. Перспективные  материалы для постоянных магнитов

Глава 2. Перспективные строительные материалы

Глава 3. Перспективные  материалы в микроэлектронике.

Заключение

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Ассортимент материалов различного назначения постоянно  расширяется. В последние десятилетия создана естественнонаучная база для разработки принципиально новых материалов с заданными свойствами. Так, в разработке сверхпрочных материалов достигнуты определенные успехи. Например, сталь, содержащая 18% никеля, 8% кобальта и 3–5% молибдена отличается высокой прочностью – отношение прочности к плотности для нее в несколько раз больше, чем для некоторых алюминиевых и титановых сплавов. Преимущественная область ее применения – авиационная и ракетная техника.

    Коррозиестойкий сплав (62–74% кобальта, 20– 30% хрома, 6–8% алюминия) не разрушается в атмосфере кислорода при температуре вплоть до 1050° С, а при более высокой температуре даже серная агрессивная среда не оказывает на него заметного воздействия.

    При химико-термической обработке металлических изделий, например, в атмосфере азота, существенно повышаются их прочность и износостойкость. Прочность атомарных связей при такой обработке становится в 100–1000 раз выше прочности лучших марок стали, а это означает, что химически необработанные сплавы обладают вполне определенным запасом прочности. Продолжается поиск новых высокопрочных алюминиевых сплавов. Плотность их сравнительно невелика и применяются они при относительно невысоких температурах – примерно до 320° С. Для высокотемпературных условий подходят титановые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью.

    Идет  дальнейшее развитие порошковой металлургии. Прессование металлических и  других порошков – один из перспективных  способов повышения прочности и  улучшения других свойств прессуемых материалов.

В последние  десятилетия большое внимание уделяется  разработке композиционных материалов (композитов), т. е. материалов, состоящих  из компонентов с различными свойствами. В таких материалах содержится основа, в которой распределены усиливающие элементы: волокна, частицы и т. п. Композиты могут включать стекло, металл, дерево, искусственные вещества, в том числе и пластмассы. Большое число возможных комбинаций компонентов позволяет получить разнообразные композиционные материалы.

    Идея  изготовления композитов известна давно. Еще в 600 г. до н. э. в Вавилоне была построена башня высотой 90 м из глиняных блоков, в которые была вмешана козья шерсть. Подобная идея заложена в основу получения современных бетона, древесных длит и других материалов. При оптимальном комбинировании веществ с разными свойствами существенно повышается прочность композиционного материала.

Целенаправленное  исследование свойств композиционных материалов началось в 60-е годы XX в., когда новые неорганические волокнистые  материалы из бора, карбида кремния, графита, оксида алюминия и т.п. начали сочетать с органическими или металлическими веществами. Некоторые волокнистые материалы имеют структуру нитевидных кристаллов, одна из разновидностей которых показана на 6.15. Композиционные материалы с волокнистой структурой обладают удивительной прочностью. Например, канат из борсодержащих волокон толщиной 3 см может выдержать полностью нагруженный четырехмоторный реактивный самолет. Графитовые волокна при 1500° С прочнее стальных при комнатной температуре. Волокнистые материалы из бора, графита и монокристаллического сапфира (А2О3) используются преимущественно в космической технике.

    При комбинировании поли- и монокристаллических  нитей с полимерными матрицами (полиэфирами, фенольными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают стали, но легче ее в 4–5 раз. Благодаря введению металлических матриц из никеля, кобальта, железа, алюминия, хрома и их сплавов повышаются прочность, эластичность и вязкость композитов. Например, алюминий, усиленный боридным волокном, при температуре 500° С имеет такую же прочность, как сталь при комнатной температуре. Композиционный материал из монокристаллических нитей с разнообразными матрицами имеет предел прочности на разрыв более 700 Н/мм2.

Материалом  будущего станет такой, который будет  не только сверхпрочным, но и стойким  при длительном воздействии агрессивной  среды.

    Исходя  из вышеизложенного, можно сделать  вывод о том, что разработка перспективных  материалов очень важна и эта  область очень актуальна в наше время. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Перспективные материалы для постоянных магнитов 

    Для начала хотелось бы рассмотреть историю развития и текущее состояние рынка магнитных материалов для постоянных магнитов. В двадцатом столетии первый технологический рывок в синтезе магнитных материалов, произошедший в 1921 г. был связан с производством кобальтохромовой стали. Последующие исследования сплавов никеля, алюминия, меди и платины привели в 1935 г. к появлению новых магнитных материалов - так называемых альнико (Al-Ni-Co - алюминий, никель, кобальт) и кунифе (Cu-Ni-Fe - медь, никель, железо), а также платинокобальтового сплава (1936 г.). Впоследствии свойства магнитов типа альнико были усовершенствованы и был получен материал с ориентированными доменами - альнико V, который широко используется и по сей день. Первые неметаллические магниты - ферриты - были синтезированы исследователями из корпорации Philips в 1950-х годах. Эти материалы имели в своем составе стронциевый или бариевый ферриты, а также оксид железа. Ферритовые магниты получили широкое распространение (приблизительные оценки показывают, что на ферриты сейчас приходится около 80 % мирового производства магнитных материалов).

    В 1970-х и 1980-х годах на основе редкоземельных элементов (самарий и неодим) были получены материалы, обладавшие улучшенными магнитными свойствами, так называемые редкоземельные магниты. Применение редкоземельных магнитов позволило сделать устройства, использующие постоянные магниты более миниатюрными и мощными.

    Рассмотрим  преимущества и недостатки указанных  видов магнитных материалов. К  основным преимуществам материалов альнико можно отнести высокую  механическую прочность, стабильность магнитных свойств в широкой  области температур, высокие значения намагниченности насыщения, однако магниты альнико обладают низким значением коэрцитивной силы. Ферритовые магнитные материалы отличаются высоким значением коэрцитивной силы, к недостаткам же их следует отнести механическую хрупкость, сложность в обработке, сильную зависимость магнитных свойств от температуры. Рассмотрим более подробно свойства редкоземельных магнитов, а также их достоинства и недостатки по сравнению с другими типами магнитных материалов.

    Редкоземельные  магниты, приготовленные на основе сплава Sm-Co, обладают хорошими магнитными характеристиками (высокие значения намагниченности насыщения, коэрцитивной силы), термической стабильностью, а также устойчивостью по отношению к процессам коррозии. Основной недостаток этого типа магнитов - высокая цена на Sm и Co, из-за которой широкое применение Sm-Co магнитов в настоящее время затруднено. Тем не менее, магнитные материалы на основе Sm-Co применяются в жестких дисках компьютеров и электрических моторах постоянного тока (в том случае, если стабильность свойств по температуре имеет большое значение, в частности в изделиях космической и оборонной промышленности). В настоящее время предпринимается попытка заменить Co на Fe. Ведутся работы по разработке постоянных магнитов на базе составов Sm2Fe17 с добавлением азота и углерода.

    Наиболее  перспективными в настоящее время  представляются спеченные магниты Nd-Fe-B. Отметим их основные преимущества. Во-первых, достигнутое значение энергетического  произведения BHMAX у магнитов Nd-Fe-B - наибольшее из всех известных материалов (до 50 МГсЭ и выше), однако это ещё не предел - из теоретических вычислений следует, что для этого материала максимально возможное значение (BH)max = 64 МГсЭ. Во-вторых, они характеризуются высокой температурой Кюри TC, составляющей около 160-170oC для марок с рабочей температурой 80oС. Однако, в настоящее время выпускаются марки Nd-Fe-B с рабочей температурой даже до 200oC, что открывает широкую перспективу их применения в электромоторах, использующих постоянные магниты. Одним из важнейших и по сути дела определяющих в экономическом плане достоинств Nd-Fe-B является его относительно низкая цена по сравнению с другими типами магнитных материалов.

    Обсудим последний фактор подробнее. Как  уже говорилось, появление магнитов Sm-Co было настоящим научным достижением в области постоянных магнитных материалов, но они все же не смогли выдержать конкуренции и уступили место ферритам и альнико из-за высокой стоимости. Как известно, чтобы промышленность начала выпускать новый продукт, он должен превосходить своих предшественников по целому ряду параметров, и цена - один из первых в этом ряду. В этом отношении спеченные Nd-Fe-B выгодно отличаются от магнитов из Sm-Co - они относительно недороги по сравнению с ферритами и альнико. В настоящее время во многих лабораториях мира осуществляется поиск новых, более дешевых методов изготовления спеченных магнитов Nd-Fe-B, так что цена на них постоянно снижается. На аналогичных соображениях основаны прогнозы аналитиков о росте продаж на мировом рынке спеченных магнитов Nd-Fe-B в текущем году на 4 % по сравнению с продажами в прошлом году на фоне снижения продаж ферритов и альнико на 1-2% по сравнению с прошлым годом.

    К недостаткам материала относятся  частичная потеря его магнитных  свойств при эксплуатации при  температурах выше 150-200оС (в зависимости от марки), несмотря на довольно высокую точку Кюри, а также его подверженность коррозии.  

    Теперь  рассмотрим методы получения спеченных магнитов Nd-Fe-B. В настоящее время ведется активный поиск наиболее эффективного состава для магнитного материала на основе сплава Nd-Fe-B и уже известно довольно много модификаций магнитов этого типа с добавлением Dy, Al и ряда других химических элементов. Основным методом получения порошка Nd-Fe-B является восстановительная диффузная химическая реакция. Реакция должна осуществляться в вакууме во избежание окисления сильноактивных металлов. Затем полученные слитки дробят ( как правило это многоступенчатый процесс) а измельченный порошок Nd-Fe-B прессуют в постоянном магнитном поле так чтобы ориентировать магнитные моменты зёрен в образце в одном направлении. После этого полученные образцы спекают до окончательного уплотнения. Для получения материала с повышенной анизотропией его необходимо подвергнуть дополнительной обработке. А именно, полученный по описанному выше способу образец (рис. 1 а) помещают в специальный пресс (рис. 1 б) и прессуют под нагревом (рис. 1 в), при этом высота образца уменьшается примерно на 50%. Механизм упорядочения при таком прессовании (и последующем быстром охлаждении) имеет кристаллографический характер, поэтому наличия внешнего поля не требуется. После такой обработки материал будет иметь большее значение намагниченности насыщения, что приведет к росту магнитной энергии (BH)max.

Одной из самых трудных стадий при изготовлении спеченных магнитов Nd-Fe-B является процесс изготовления порошка с частицами размером 5-10 мкм из вещества, полученного в результате химической реакции. Во время этой операции в материал могут попасть кислород и водород, которые очень хорошо поглощаются и приводят к заметному снижению магнитных и механических характеристик магнитов. Для предотвращения попадания в материал нежелательных веществ синтез и первичную обработку проводят в вакууме.

    В заключении хотелось бы рассмотреть  области применения постоянных магнитов. Тема применения постоянных магнитов настолько обширна, что ее подробное освещение выходит за рамки данной статьи. Приведем лишь несколько примеров использования магнитных материалов в быту и промышленности: магнитные рекламные объявления и магнитная символика;

телефонное  оборудование, СВЧ-лампы и фильтры; автомобильные детали, такие как системы зажигания, сенсоры, стартеры, дверные замки, системы открывания/закрывания окон, система управления дворниками на ветровых стеклах и т.д.; периферийные устройства для компьютеров, а также офисное оборудование включая факсимильные аппараты, принтеры и копировальное оборудование; промышленные моторы, приводы для роботов и систем контроля полетов в авиации; акустичесике системы, часы, весы, микроволновые печи; маломощные моторы и приводы в аудио- и видеокамерах и магнитофонах; ускорители частиц высоких энергий и лазеры со свободными электронами, используемые в физических исследованиях и в промышленности; магнитные резонансные томографы для медицинских и промышленных целей (MRI - magnetic resonance imaging); вакуумные фильтры, стиральные машины и сушилки; магазинные принадлежности, такие как электрические ножницы/пилы, шлифовальные станки; детские игрушки.