Композиционный материал с металлической матрицей и упрочняющими наночастицами и способ его изготовления
COMPOSITE MATERIAL WITH METALLIC MATRIX AND REINFORCING NANOPARTICLES AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами.
Известны композиционные материалы с металлической матрицей и упрочняющими частицами (Композиционные материалы: строение, получение, применение, Батаев А.А., Батаев В.А., изд. Логос, 2006 г., 398 стр.). У композитов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Упрочняющими частицами служат тугоплавкие частицы различной дисперсности. Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести. Однако такие композиты не могут содержать наноразмерные частицами чрезвычайно малых размеров. Кроме этого, для достижения требуемого уровня свойств требуется значительная доля упрочняющих частиц.
Близким техническим решением для предлагаемого композиционного материала является патент US 5167271 «А Method to produce ceramic reinforced or ceramic-metal matrix composite articles» (B22D 19/14), в котором описан композиционный материал с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами в агломерированном состоянии, изготовленный с расплавлением матрицы. Применение наночастиц в качестве упрочняющих частиц снижает указанные недостатки. Однако агломерация наночастиц не позволяет достичь потенциально высоких значений прочности.
Наиболее близким техническим решением для предлагаемого композиционного материала с металлической матрицей и упрочняющими наночастицами и способа его изготовления является патент РФ 2485196 «Способ получения изделий из композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами». Однако такой композит содержит на границе раздела «матрица-упрочняющая частица» различные загрязнения, которые препятствуют достижения максимального уровня прочности. В то же время наличие загрязнений на поверхности раздела не позволяет (в случае расплавления матрицы) достигнуть удовлетворительного уровня смачивания частиц расплавом, что чрезвычайно затруднит равномерное распределение частиц в расплаве.
Задачей изобретения является повышение механических характеристик композиционного материала за счет снижения загрязнений на поверхности раздела «матрица-упрочняющая частица».
Для выполнения поставленной задачи в композиционном материале с металлической матрицей и упрочняющими наночастицами, содержащем металлическую матрицу и упрочняющие наночастицы, и полученном с применением механического легирования исходных материалов, согласно представленному техническому решению, исходные материалы дополнительно содержат наноалмазные частицы и карбидообразующий химический элемент из ряда, включающего кремний, титан, хром и вольфрам, а объем металлической матрицы, выполненной из материала из ряда, включающего алюминий, медь, никель, кобальт, цинк, олово, платину, золото, серебро и сплавы на их основе, составляет 0,05-0,9 от суммарного объема исходных материалов, причем упрочняющие частицы имеют размер 2-100 им и равномерно распределены в матрице в процессе получения композиционного материала.
Поставленная задача может достигаться также тем, что композиционный материал содержит до 10 об. % наноалмазных частиц в виде непрореагировавших с карбидообразующим элементом при образовании упрочняющих частиц.
Поставленная задача может достигаться также тем, что композиционный материал содержит до 10 об. % карбидообразующего элемента, карбид которого находится в матрице, от всего объема композиционного материала.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале сплав металлической матрицы имеет плотность, равную плотности карбидов упрочняющих частиц.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, равна плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, менее плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре на 1-10%.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, более плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре на 1-10%.
Для выполнения поставленной задачи в способе получения композиционного материала с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами, включающем подготовку исходных материалов и обработку этих исходных материалов механическим легированием, согласно представленному техническому решению, исходная смесь содержит материал металлической матрицы, выбранный из ряда включающего алюминий, медь, никель, кобальт, цинк, олово, платину, золото, серебро и сплавы на их основе, наноалмазные частицы и карбидообразующий элемент из ряда, включающего кремний, титан, хром и вольфрам, при этом объем материала металлической матрицы составляет 0,05-0,9 от суммарного объема смеси исходных материалов, причем при механическом легировании обеспечивают химическую реакцию между наноалмазными частицами и упомянутым карбидообразующим химическим элементом в материале металлической матрицы и образование упрочняющих наночастиц размером 2-100 нм из карбидов упомянутых карбидообразующих элементов.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в способе получения композиционного материала используют наноалмазные частицы и карбидообразующий химический элемент в пропорциях, необходимых для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в способе получения композиционного материала используют наноалмазные частицы в количестве, больше необходимого для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле не более чем на 10% от всего объема композиционного материала.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в способе получения композиционного материала используют карбидообразующий химический элемент в количестве, больше необходимого для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле не более чем на 10% от всего объема композиционного материала.
Предложен композиционный материал с металлической матрицей и упрочняющими наночастицами и способ его изготовления.
В композиционном материале, содержащем металлическую матрицу и упрочняющие наночастицы, и полученном с применением механического легирования исходных материалов, согласно изобретению, матрица выполнена из металла из ряда: алюминий, медь, никель, кобальт, цинк, олово, платина, золото, серебро, или сплавов на их основе, а упрочняющие частицы выполнены из карбидов карбидообразующих химических элементов из ряда: кремний, титан, хром, вольфрам, и имеют размер 2-100 нм, равномерно распределены в матрице и получены в результате химической реакции между наноалмазными частицами, которые являются исходным материалом, и карбидообразующим химическим элементом, который также является исходным материалом, непосредственно в матрице в процессе изготовления композита при механическом легировании.
Композиционный материал, согласно изобретению, содержит до 10 об. % наноалмазных частиц в виде непрореагировавших с карбидообразующих элементом при образовании упрочняющих частиц.
Композиционный материал, согласно изобретению, содержит до 10 об. % карбидообразующего элемента, карбид которого находится в матрице, от всего объема композиционного материала.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, равную плотности карбидов упрочняющих частиц.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, равна плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, менее плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре на 1-10%.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, более плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре на 1-10%.
В способе получения композиционного материала с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами, включающем подготовку исходных материалов и обработку этих исходных материалов механическим легированием, согласно изобретению, исходная смесь содержит материал металлической матрицы, выбранный из ряда, включающего алюминий, медь, никель, кобальт, цинк, олово, платину, золото, серебро, и сплавы на их основе, наноалмазные частицы и карбидообразующий элемент из ряда, включающего кремний, титан, хром и вольфрам, при этом объем материала металлической матрицы составляет 0,05-0,9 от суммарного объема смеси исходных материалов, причем при механическом легировании обеспечивают химическую реакцию между наноалмазными частицами и упомянутым карбидообразующим химическим элементом в материале металлической матрицы и образование упрочняющих наночастиц размером 2-100 нм из карбидов упомянутых карбидообразующих элементов.
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, используют наноалмазные частицы и карбидообразующий химический элемент в пропорциях, необходимых для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле.
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, используют наноалмазные частицы в количестве, больше необходимого для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле не более чем на 10% от всего объема композиционного материала.
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, используют карбидообразующий химический элемент в количестве, больше необходимого для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле не более чем на 10% от всего объема композиционного материала.
В композиционном материале, содержащем металлическую матрицу и упрочняющие наночастицы и полученном с применением механического легирования исходных материалов, согласно изобретению, исходные материалы дополнительно содержат наноалмазные частицы и карбидообразующий химический элемент из ряда, включающего кремний, титан, хром и вольфрам, а объем металлической матрицы, выполненной из материала из ряда, включающего алюминий, медь, никель, кобальт, цинк, олово, платину, золото, серебро и сплавы на их основе, составляет 0,05-0,9 от суммарного объема исходных материалов, причем упрочняющие частицы имеют размер 2-100 нм и равномерно распределены в матрице в процессе получения композиционного материала.
Для матрицы выбраны металлы, которые или не образуют карбиды при прямом контакте с углеродом (медь, никель, кобальт, цинк, олово, платина, золото, серебро), или их образование возможно контролировать и избежать (алюминий). Упрочняющие частицы выполнены из карбида кремния, карбида титана, карбида хрома или карбида вольфрама.
Причем их образование происходит непосредственно в матрице композита из наноалмазов (которые включены в исходные материалы) и карбидообразующих элементов (кремния, титана, хрома, вольфрама) в процессе механического легирования. Именно это позволяет исключить появление загрязнений на поверхности раздела «матрица-упрочняющая частица». Размер упрочняющих частиц равен 2-100 нм, так как размер исходных первичных наноалмазных частиц, в основном, равен 4-6 нанометров, то получить частицы меньше 2 нанометров трудно, а увеличение размера более 100 нм приведет к снижению эффекта от применения наноматериалов и будет означать нарушение технологии механического легирования (плохое перемешивание исходных материалов, отсутствие охлаждения и др). В композиционном материале, согласно изобретению, объем материала матрицы составляет 0,05-0,9 от суммарного объема всех исходных материалов. Количество материала матрицы влияет на скорость протекания реакции карбидообразования. Увеличение объема матрицы снижает скорость реакции, так как между углеродными частицами (наноалмазами) и частицами карбидообразующего элемента (металла) появляется большее количество материала матрицы. Снижение количества материала матрицы менее 0,05 от суммарного объема всех исходных материалов приведет к тому, что в результате синтеза будут образовываться не наночастицы карбида, а более крупные частицы. Увеличение количества материала матрицы более 0,9 от суммарного объема всех исходных материалов приведет к остановке процесса синтеза карбидов, так как контакта между карбидообразующим элементом и наноалмазами не будет.
Композиционный материал, согласно изобретению, содержит до 10 об. % наноалмазных частиц в виде непрореагировавших с карбидообразующих элементом при образовании упрочняющих частиц. Дополнительное количество наноалмазов повышает интенсивность перемешивания при механическом легировании, что упрощает процесс синтеза. Непрореагировавшие наноалмазы остаются в неагломерированном состоянии в матрице и приводят к некоторому повышению прочности. Превышение содержания более 10% приводит к снижению эффекта от наличия карбида и приводит к значительному снижению пластических свойств.
Композиционный материал, согласно изобретению, содержит до 10 об. % карбидообразующего элемента, карбид которого находится в матрице, от всего объема композиционного материала. Наличие повышенного количества карбидообразующего элемента повышает вероятность контакта с наноалмазами, что улучшает условия для синтеза карбида. При этом гарантируется полное отсутствие наноалмазов в матрице, для некоторых применений это важно. В случае превышения дополнительного содержания карбидообразующего элемента более чем на 10% происходит заметное изменение свойств матрицы.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, равную плотности карбидов упрочняющих частиц. В случае расплавления матрицы не происходит расслоения композита из-за разности плотностей матрицы и упрочняющих частиц.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, равна плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре. В случае применения композита для литейных технологий не происходит расслоения композита из-за разности плотностей матрицы и упрочняющих частиц. Температура, равная температуре, превышающей температуру плавления композита на 20-100 градусов, - это температура, при которой осуществляются литейные технологии.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, менее плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре на 1-10%. Интенсивность перемешивания позволяет при литейных технологиях сохранять равномерное распределение частиц в расплаве, а несколько пониженная плотность материала матрицы приведет к снижению веса изделия. Превышение разности плотностей более чем на 10% приведет к затруднению получения равномерного распределения упрочняющих частиц в матрице.
В композиционном материале, согласно изобретению, сплав металлической матрицы имеет плотность, которая при температуре, превышающей температуру его плавления, более плотности карбида упрочняющих наночастиц при этой же температуре на 1-10%. Интенсивность перемешивания позволяет при литейных технологиях сохранять равномерное распределение частиц в расплаве, а пониженная плотность упрочняющих частиц гарантирует их полное перемещение из тигля в форму при литейных технологиях. Превышение разности плотностей более чем на 10% приведет к затруднению получения равномерного распределения упрочняющих частиц в матрице.
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, материал матрицы выбирают из ряда: алюминий, медь, никель, кобальт, цинк, олово, платина, золото, серебро, или сплавов на их основе, а к исходным материалам добавляют карбидообразующий химический элемент из ряда: кремний, титан, хром, вольфрам, и в процессе механического легирования осуществляют синтез карбида. Синтез карбида из наноалмазов и карбидообразующего химического элемента непосредственно при механическом легировании позволяет избежать загрязнения поверхности «материал матрицы - упрочняющая частица». Для матрицы выбраны металлы, которые или не образуют карбиды при прямом контакте с углеродом (медь, никель, кобальт, цинк, олово, платина, золото, серебро), или их образование возможно контролировать и избежать (алюминий). Упрочняющие частицы выполнены из карбида кремния, карбида титана, карбида хрома или карбида вольфрама, то есть те карбиды, которые легко получить при механическом легировании.
при этом объем материала металлической матрицы составляет 0,05-0,9 от суммарного объема смеси исходных материалов, причем при механическом легировании обеспечивают химическую реакцию между наноалмазными частицами и упомянутым карбидообразующим химическим элементом в материале металлической матрицы и образование упрочняющих наночастиц размером 2-100 нм из карбидов упомянутых карбидообразующих элементов. Количество материала матрицы влияет на скорость протекания реакции карбидообразования. Увеличение объема матрицы снижает скорость реакции, так как между углеродными частицами (наноалмазами) и частицами карбидообразующего элемента (металла) появляется большее количество материала матрицы. Снижение количества материала матрицы менее 0,05 от суммарного объема всех исходных материалов приведет к тому, что в результате синтеза будут образовываться не наночастицы карбида, а более крупные частицы. Увеличение количества материала матрицы более 0,9 от суммарного объема всех исходных материалов приведет к остановке процесса синтеза карбидов, так как контакта между карбидообразующим элементом и наноалмазами не будет. Размер упрочняющих частиц равен 2-100 нм, так как размер исходных первичных наноалмазных частиц, в основном, равен 4-6 нанометров, то получить частицы меньше 2 нанометров трудно, а увеличение размера более 100 нм приведет к снижению эффекта от применения наноматериалов и будет означать нарушение технологии механического легирования (плохое перемешивание исходных материалов, отсутствие охлаждения и др).
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, используют наноалмазные частицы и карбидообразующий химический элемент в пропорциях, необходимых для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле. Такое содержание компонентов приведет к тому, что после механического легирования полученные композиционные гранулы будут содержать только материал матрицы и упрочняющие частицы из синтезированного карбида.
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, используют наноалмазные частицы в количестве, больше необходимого для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле не более чем на 10% от всего объема композиционного материала. Дополнительное количество наноалмазов повышает интенсивность перемешивания при механическом легировании, что упрощает процесс синтеза. Непрореагировавшие наноалмазы остаются в неагломерированном состоянии в матрице и приводят к некоторому повышению прочности. Превышение содержания более 10% приводит к снижению эффекта от наличия карбида и приводит к значительному снижению пластических свойств.
В способе получения композиционного материала, согласно изобретению, используют карбидообразующий химический элемент в количестве, больше необходимого для образования карбидов упомянутых карбидообразующих химических элементов согласно их химической формуле не более, чем на 10% от всего объема композиционного материала. Наличие повышенного количества карбидообразующего элемента повышает вероятность контакта с наноалмазами, что улучшает условия для синтеза карбида. При этом гарантируется полное отсутствие наноалмазов в матрице, для некоторых применений это важно. В случае превышения дополнительного содержания карбидообразующего элемента более чем на 10% происходит заметное изменение свойств матрицы.
Пример 1
Был изготовлен композиционный материал «алюминий + карбид титана». Механическое легирование осуществляли в планетарной мельнице с 4 барабанами. В каждый барабан поместили исходные материалы в следующих количествах: алюминия 30 г, титана 31,98 г, наноалмазов 8,02 г. Создали атмосферу аргона, герметично закрыли и обрабатывали в течение 6 часов без учета остановок на охлаждение. Было получено 280 г (4 барабана по 70 г) композиционного материала. Рентгеновский фазовый анализ показал, что синтез карбида при механическом легировании осуществлен полностью, композит содержал только алюминий и карбид титана.
Пример 2
Был изготовлен композит «медь + карбид титана». Механическое легирование осуществили в планетарной мельнице. Изготовлено было 70 грамм композита, при этом композит содержал 20 г меди и 50 г карбида титана. Исходными материалами служили 20 г меди, 39,98 г титана и 10,02 г наноалмазов. Полученный композит содержал медь и полученный при механическом легировании карбид титана.
Пример 3
В качестве исходных материалов для получения композита были применены: алюминий 20 г, кремний - 35,04 г, наноалмазы - 14,96 г. Механическое легирование осуществляли в планетарной мельнице в течение 12 часов без учета времени на остановки для охлаждения оборудования. Был получен композиционный материал «алюминий + карбид кремния» в количестве 70 г.
Пример 4
В качестве исходных материалов для получения композита были применены следующие материалы: алюминий - 30 г, титан 31,98 г, наноалмазы - 12,02 г. Наноалмазов было на 4 грамма больше, чем требуется для синтеза согласно химической формуле. Было получено 74 г композита, содержащего 30 г алюминия, 40 г карбида титана, 4 г наноалмазов.
Пример 5
Был получен композит «алюминий + карбид титана». Для получения карбида было подготовлено алюминия 30 г, титана 31,98 г, наноалмазов 8,02 г. На начальном этапе в барабан планетарной мельницы для осуществления механического легирования было помещено 30 г алюминия, 16 г титана и 8,02 г наноалмазов. После обработки в течение 2 часов был добавлен остальной титан, то есть 15,98 г титана. После этого осуществили еще 4 часа обработки в планетарной мельнице. Было получено 70 г композита, состоящего из алюминия и карбида титана.
Пример 6
Для получения композита было подготовлено 20 г меди, 46,94 г вольфрама; 3,06 г наноалмазов. Исходные материалы загрузили в барабан планетарной мельницы и осуществили механическое легирование в течение 16 часов. Был получен композит «медь + карбид вольфрама» в количестве 70 г.