Матеріали високопористі

МАТЕРІА́ЛИ ВИСОКОПО́РИСТІ — клас надлегких композиційних матеріалів із комірча­стою (пори­стою) структурою, в яких пористість складає понад 50 %. Окрім спінених матеріалів, у яких така структура утворюється внаслідок заморожува­н­ня рідкої піни, формува­н­ня М. в. може здійснюватися й ін. шляхом, що не обовʼязково містить етап пере­бува­н­ня речовини у рідкому стані. Властивості М. в. залежать від характеристик матеріалу, з якого вони виготовлені, заг. пористості q (від­нос. щільності p*/ps = 1-q, де p* — щільність пористого матеріалу, ps — щільність суціл. матеріалу), топології комірок, а також від їхньої морфології (роз­міру та форми). Щільність, роз­мір і топологія комірок сут­тєво залежать від способу виготовле­н­ня М. в. Роз­різняють М. в. із за­мкненими (закрита пористість), неза­мкненими (від­крита пористість) та частково за­мкненими (змішаний тип пористості) комірками. За­мкнені комірки є типовими для спінених матеріалів, у яких комірчаста структура формується під час тужаві­н­ня рідкої піни — суміші рідини з диспергов. газ. бульбашками. М. в. властиве по­єд­на­н­ня низької щільності з високою питомою жорсткістю (від­несена до одиниці маси), що неможливе для суціл. матеріалів. М. в. обробляють мех. способом і комбінують з ін. матеріалами звар., клей. або болт. типом зʼ­єд­на­н­ня. М. в. нетоксичні, незаймисті, термо- та біо­логічно стійкі. Спінені матеріали із за­мкненими комірками мають теплоізоляц. властивості, проявляють плавучість на воді. М. в. багатофункціональні, адже завдяки комірча­стій структурі здатні по­глинати різні види енергії: мех., акуст. й електромагнітну. За винятком технол. варіантів, типових для виготовле­н­ня спінених матеріалів, усі ін. способи отрима­н­ня М. в. по­єд­нують у 3 групи за принципами рідин. і порошк. металургій, електрохім. та хім. осаджень. Серед роз­роблених із залуче­н­ням принципів рідин. металургії роз­різняють способи формува­н­ня високопористої структури внаслідок газоевтектич. пере­творе­н­ня та способи литва за пори­стою моде­л­лю або литва у форму з наповнювачем. Спосіб формува­н­ня комірчастої структури внаслідок газоевтектич. пере­творе­н­ня роз­роблено в Україні, а потім роз­винено у США та Японії. В його основу покладено новий тип газоевтектич. реакцій у насиченому газом роз­топі (L). Наслідком газоевтектич. реакції L → S+G, яка за своїми ознаками подібна до звичай. евтектич. реакції, є одночасне утворе­н­ня з рідини (L) двох ін. фаз: твердої (S) та газової (G). Газоевтектичну рівновагу в зоні т-р топле­н­ня зна­йдено для низки водневих систем Me–Н, де Me — Fe, Ni, Mn, Cu, Al, Mg, W, Mo, Ti, Be, Cr, а також бінар. систем за участі ін. газів Fe–N, Ag–O. Виникнен­ню комірчастої структури внаслідок газоевтектич. реакції сприяє варіація (спільно або порізно) таких термодинаміч. характеристик, як температура (Т) та тиск (Р). Упорядкована газокри­сталічна структура з витягнутими в напрямку кри­сталізації еліпсоїдал. порами формується під дією гравітації в умовах спрямов. від­веде­н­ня тепла. Такий комірчастий матеріал називають газарітом (за способом отрима­н­ня) або матеріалом із Lotus-структурою. Спосіб до­зволяє отримувати матеріал із від­нос. щільністю в інтервалі 0,95–0,25 з комірками діаметром 0,01–10,00 мм і довж. 0,1–30,0 мм. Литво за високопори­стою моде­л­лю перед­бачає формува­н­ня комірчастої структури в металі шляхом копіюва­н­ня структури моделі, яку надалі видаляють. У якості моделі за­стосовують полімерну піну з від­критою пористістю. Уперше такий під­хід до формува­н­ня комірчастої структури в металі роз­роблено компанією «ERG» (Окленд, США) і випущено під торг. маркою «Duocel», нині його також за­стосовують у Японії та Німеч­чині. На першому етапі з полімер. (пере­важно поліуретан.) піни з від­критою пористістю готують модель, яку вкладають у форму з піску. На на­ступ. етапі полімерну піну заповнюють суспензією, що містить до­статньо тепло­стій. матеріал, зокрема муліт, фенол. смолу, карбонат кальцію. Після висиха­н­ня заготовку на­грівають для піролізу полімер. піни, а отриману пористу матрицю, яка є негатив. від­битком полімер. піни, заповнюють (під деяким тиском) метал. роз­топом. Після охолодже­н­ня матрицю видаляють мех. способом та отримують структуру, яка є від­битком полімер. піни. За допомогою литва за високопори­стою моде­л­лю виготовляють М. в. на основі Al, Zn, Ni–Cr, Cu, Mg, Fe–C з від­нос. щільністю до 0,03–0,60 та роз­міром неза­мкнених комірок 1–5 мм. Роз­роблено та впроваджено спосіб литва роз­топу в форму з наповнювачем у ви­гляді пустотілих сфер або гранул, які видаляють на завершал. етапі. В альтернатив. варіанті наповнювач утоплюють у роз­топ. Як наповнювач використовують органічні та неорганічні речовини: гранули вермікуліту, сіль, клей та полімерні кульки, пустотілі скляні кульки та пустотілі сфери з оксиду алюмінію тощо. Для запобіга­н­ня перед­час. кри­сталізації роз­топу під час литва форму з наповнювачем пі­ді­грівають. Допоміж. заходом для ефектив. інфільтрації роз­плаву може слугувати зниже­н­ня тиску у формі з наповнювачем. Після тужаві­н­ня роз­топу пустотілі сфери залишають у закри­сталізов. металі, який набуває комірчастої структури із закритою пористістю. Комірчасті структури з від­критою (або частково від­критою) пористістю формують унаслідок за­стосува­н­ня роз­чин. гранул (напр., солі), які видаляють шляхом промива­н­ня у воді, кислотах, лугах та ін. роз­чин­никах. Полімерні кульки видаляють піролізом у процесі від­палу. Спосіб до­зволяє отримувати М. в. на основі Al, Zn, Mg, Cu, Pb. Він досить дешевий, з його допомогою виготовляють фасон­ні зливки з від­нос. щільністю до 0,2 та роз­міром комірок 0,01–10 мм.

Роз­пиле­н­ням рідкого металу (Ospray-процес) формують комірчасту структуру в різних металах і сплавах. Від­повід­но до цього способу роз­топ, що містить в своєму складі речовини, які дисоціюють при на­гріван­ні з виділе­н­ням великої кількості газу, або утворюється внаслідок ін. хім. реакцій, роз­пилюється і осаджується на під­кладку малими краплинками. Отриманий роз­пилений матеріал після конденсації на під­кладці може містити певну кількість оксидів, мета­стабіл. метал. фаз, йому характерний малий роз­мір зерен. Напр., пористу бронзу (Cu–6Sn) можна виготовляти шляхом додава­н­ня під час роз­бризкува­н­ня роз­плаву порошку BaCO₃. Отрима­н­ня шарів пористої сталі з від­нос. щільністю до 0,4 здійснюють шляхом додава­н­ня у метал. роз­топ SiO₂ або MgO. Газ виділяють за реакцією від­новле­н­ня, зокрема SiO₂ + 2C = Si + 2CO. Спосіб надає можливість формувати пористі структури на різних за формою під­кладках, зокрема листах і трубках. Серед способів, в основу яких покладені принципи порошк. металургії, — формува­н­ня комірчастої структури пресува­н­ням і спіка­н­ням волокон, порошків з наповнювачем; від­пал порошк. сумішей з наповнювачем, що видаляють просочува­н­ням емульсіями полімер. моделей, роз­шире­н­ням газу мікропорожнин порошк. заготовок, реакцій. синтезом. Вони особливо важливі для формува­н­ня комірчастої структури в металах і сплавах, яким властива висока температура топле­н­ня (напр., Ti, жароміцні сплави, нержавіючі сталі), а також у матеріалах на основі інтерметалід. сполук. Пресува­н­ням і спіка­н­ням порошків випускають пористі заготовки з Ti, Ni, Cu, бронзи, нержавіючої сталі та ін. з від­нос. щільністю не менше 0,5. За­стосовуючи екс­трагов. метал. волокна (сталі, Ti, Ni, Cu, Al) та волокна інтерметалід. сполук, отримують пресов. заготовки у ви­гляді полос, листів, стрічок та кілець з від­нос. щільністю до 0,2 та комірча­стою структурою, подібною до губки. В альтернатив. варіантах метал. порошок змішують з наповнювачами, консолідують холод. або теплим пресува­н­ням і спікають. Як наповнювачі використовують ті самі речовини, що й у рідин. методах. Для виготовле­н­ня високопористого Ti додатково за­стосовують гранульов. Mg або порошок карбаміду. На прикінцев. етапі наповнювач роз­чиняють або від­палюють, отримуючи комірчасту структуру у ви­гляді губки з від­нос. щільністю до 0,3 та роз­міром комірок 0,01–10,0 мм. Спосіб виробництва М. в. із за­стосува­н­ням моделі, що видаляють, є модифікацією способу Duocel і містить просочува­н­ня полімер. піни водяними емульсіями на основі матрич. порошку, висушува­н­ня, від­палюва­н­ня полімер. піни та дифуз. синтез матрич. порошку до утворе­н­ня суціл. каркаса. Термічне обробле­н­ня пере­важно проводять у вакуумі або атмо­сфері H. За допомогою цього способу виготовляють фасон­ні заготовки (плит, циліндрів, труб тощо) з багатьох метал. матеріалів і аморф. С з отрима­н­ням комірчастої структури з від­критою пористістю, від­нос. щільністю до 0,3 і роз­міром комірок від 1 мкм до 5 мм. Отрима­н­ня пористих структур унаслідок роз­шире­н­ня газу в твердому металі здійснюють внаслідок під­вище­н­ня температури (Т) і зменше­н­ня тиску, що спричиняє крип твердого тіла (зокрема титан. сплаву Ti–Al–4V) з формува­н­ням пор. М. в. з комірча­стою структурою із за­стосува­н­ням пустотілих сфер діаметром 0,2–10,0 мм та товщиною стінок 10–100 мкм виготовляють із Cu, сталі, Ni, Ti, інтерметалід. сполук. Сфери консолідують різними вʼяжучими речовинами (пере­важно смолами) або покривають оксид. емульсією та спікають. Залежно від способу консолідації сфер отримують М. в. із закритою, від­критою та змішаним типами пористості та від­носною щільністю до 0,2. Спосіб до­зволяє виробляти градієнтні та регулярні комірчасті структури у ви­гляді решітки Браве за воск. моделями. Реакцій. синтез за­стосовують для формува­н­ня комірчастої структури в керам. матеріалах (напр., TiB, TiB₂) та інтерметалід. сполуках (пере­важно в системі Al–Ni). В основу способу покладений самозапал. синтез (СЗС-процес). Під час формува­н­ня комірчастої структури в інтерметалідах системи Al–Ni від­повід­ні порошки змішують, пресують до від­нос. щільності 0,72, роз­міщують в реакторі, який дегазують, заповнюють аргоном та на­грівають до т-р горі­н­ня суміші. Формува­н­ня комірчастої структури із за­мкненими комірками здійснюють внаслідок виділе­н­ня води під час дегідратації оксигідриду алюмінію (Al2O₃ × 3H₂O), присутнього на поверх­ні алюм. порошку. В результаті обробле­н­ня отримують пористий інтерметалід Al3Ni з низькою від­нос. щільністю (до 0,15). Від­носну щільність регулюють домішками TiC і B4C, які впливають на теплоту горі­н­ня суміші, зменшуючи або збільшуючи пористість матеріалу. В основу способів електрохім. та хім. осадже­н­ня покладений принцип копіюва­н­ня комірчастої структури полімер. піни (пере­важно поліуретанової), яку на прикінцевому етапі видаляють так само, як і в ін. за­значених способах. Цей спосіб пере­важно за­стосовують для формува­н­ня комірчастих структур у Ni та його сплавах з Cr і Cu. Електрохім. осадже­н­ня метал. Ni здійснюють у парах карбоніл. Ni Ni(CO)₄, який наносять на поверх­ню полімер. піни, вкритою шаром матеріалу з високою електро­провід­ністю (пере­важно на основі С або H). Після синтезуючого від­палу та видале­н­ня полімер. моделі отримують М. в. з від­нос. щільністю 0,02–0,05 та неза­мкненими комірками роз­міром 0,1–3,2 мм. Недоліком процесу є висока токсичність карбоніл. Ni, що вимагає оснаще­н­ня реакторів засобами захисту й утилізації газ. від­ходів. Спосіб уживаний у дослідно-пром. виробництві низки закордон. фірм, які по­стачають комерц. продукт під торг. марками «Retimet» («Du-nlop», Велика Британія), «Celmet» («Sumitomo Electric», Японія), «Recemat» («SEAC», Нідерланди), «Incofoam®» (США, Велика Британія, Китай). М. в. використовують в буд-ві, на транс­порті, машинобудуван­ні, аерокосміч. техніці та ін. секторах промисловості. За допомогою М. в. зі змішаним типом пористості (пере­важно зі стал. пустотілих сфер) полегшують та під­вищують захисні властивості кузов. деталей автомобілів, знижують шум і очищують вихлопні гази у кон­струкції глушників. М. в. із від­критою пористістю на основі Cu та Al використовують у теплооб­мін­никах як елементи та стінки для зупинки вогню, як фільтри для очище­н­ня рідини від твердих часток. Із М. в. (пере­важно на основі сплавів FeCrAlY та кераміки) виготовляють каталіт. фільтри для очище­н­ня від­працьов. пром. газів. М. в. із кераміки (пере­важно SiC) та вуглецю за­стосовують для фільтрів, що працюють під впливом агресив. середовищ і високих т-р (напр., фільтри для очище­н­ня метал. роз­топів), елементів ракет. сопел для фільтрації та охолодже­н­ня газів. Із високопористого Al із неза­мкненими комірками виробляють каталіт. матриці в транс­порт. засобах, що працюють на водневому паливі, резервуари для збереже­н­ня газів і рідин в умовах кріоген. т-р (напр., у при­строях інфрачервоної оптики), дифузори, що роз­сікають повітр. потоки, оболонки пʼєзо­електр. тунел. мікрофонів, оптичні теле­скопи супутників для полегше­н­ня кон­струкції та забезпече­н­ня стабільності частот. параметрів, опорні елементи дзеркал. поверх­ні, борт. резервуари літаків для убезпече­н­ня від небажаного пере­міще­н­ня палива. Досліджено пер­спективність за­стосува­н­ня високопористого Ti та нержавіючої сталі з комірча­стою Lotus-структурою для виготовле­н­ня протезів і імплантатів.

Завантажити статтю