CC BY
154
Секция
«ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 539.374
В. А. Ардамин Научный руководитель - Г. Г. Крушенко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕННИЕ ПЕНОМЕТАЛЛОВ
Описаны технологии изготовления и применения пенометаллов в различных отраслях промышленности для изготовления деталей, противостоящих ударным нагрузкам, вибрации и обладающих звукопоглощающими свойствами.
Пенометаллы получают как прямым введением газов в расплавы, так и введением в них так называемых порофоров, веществ, образующих пузырьки в металлическом материале. В качестве порофоров используются соединения ТИ2, М£И, 2гИ2, СаС03 и мрамор [1].
Разработаны и технологии, которые позволяют получать готовые металлоизделия с ячеистой структурой. Например, [2] порошки цинкового сплава смешивают с порошками ТШ2 или М^Н, затем эту смесь прессуют в заготовки, далее горячим прессованием прессуют их в прекурсор, помещают его в форму и нагревают ее выше температуры плавления металла. При этом выделяющийся из соединений водород образует в жидком металле пену, которая заполняет полость формы. Затем быстрым охлаждением фиксируют пористую ячеистую структуру.
Пенометаллы обладают благоприятным сочетанием физических и механических характеристик, таких как высокая жесткость в сочетании с очень низкой плотностью (низким удельным весом) и/или с высокой газопроницаемостью в сочетании с высокой теплопроводностью. В сочетании с низкой плотностью и высокой жесткостью, способностью поглощать энергию удара и вибрацию, а также с высокой степенью звукопоглощения, и, что очень важно, высокой технологичностью, допускающей возможность формировать из ПМ объемные конструкции, изделия из этого материала, применяют различных отраслях машиностроения [3] - в автомобильной промышленности в виде конструктивных элементов (бамперы и др.), в аэрокосмической отрасли в виде титановых и алюминиевых «сэндвичей», а также некоторых деталей турбин, в судостроении для изготовления корпусов пассажирских судов, элеваторных и антенных платформ и др., в общественном городском транспорте; в строительной индустрии, в конструкциях металлорежущих станков.
Нами была проведена работа по получению пеноа-люминия с использованием в качестве порофора крошку Саяногорского мрамора, который по минералогическому составу является кальцитовым. Мраморную крошку предварительно измельчали дроблением до частиц размером порядка 100 мкм.
Технологию получения пеноалюминия заключалась в выполнении следующих операций: расплавле-
ние алюминия марки А7 в тигельной печи сопротивления в шамотно-графитовом тигле ^ доведение температуры расплава до 800 °С ^ выемка тигля из печи ^ засыпание на зеркало металла мраморного порошка в количестве 5 масс. % от массы металла при одновременном его замешивании в расплав ^ установка тигля в печь ^ выдержка 10 мин. при 800 °С ^ выемка тигля и перемешивание расплава в течение 3-х мин. ^ установка тигля в печь ^ выдержка 15 мин. при 850 °С ^ выемка тигля из печи ^ затвердевание пеноалюминия на воздухе непосредственно в тигле. После затвердевания металла полученную заготовку удаляли из тигля.
На рисунке приведена фотография типичного образца пеноалюминия. Преобладает сферическая форма пор, их размеры находятся в интервале 0,5...10,0 мм, при этом поры равномерно распределены по объему металла. Кажущаяся плотность образцов (масса единицы объема материала, включая и объем закрытых пор; рассчитывают как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму; чем ниже кажущаяся плотность, тем больше пустот в материале) составляет 0,83 г/см3, пористость ~ 70 %.
Сечение образца (размер 40x35x35 мм) из пеноалюминия
Механические свойства пенометаллов определяются количеством, размерами, формой и характером распределения пор по объему. Но так как процесс порообразования не поддается управлению технологическими параметрами, то невозможно получить пеноизделия с одинаковыми размерами пор и их закономерным распределением в металле, а, следовательно, и изделия с близкими характеристиками ме-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
ханических свойств. Тем не менее, представляется возможным спрогнозировать свойства ПМ с использованием математически точного метода случайных секущих [4] для подсчета количества и размеров. В результате оценки пористости на нескольких сечениях образцов можно оценить количество, размеры и распределение пор в объеме металла.
На втором этапе с использованием полученных данных с применением метода конечных элементов в программном пакете М8С МА8ТКАМ [5] было выполнено численное моделирование механических свойств пористых металлов с закрытыми порами [6]. При этом при моделировании испытаний на растяжение, сжатие и сдвиг в качестве исследуемого образца пористого металла принималась модель «элементарного объема» в виде куба со сферическими порами. Были рассмотрены три типа образцов с разным количеством пор. Испытаниям на растяжение, сжатие и сдвиг подвергались 15 образцов. В результате численных экспериментов получены математические зависимости модуля упругости, модуля сдвига и модуля объемного сжатия от количества пор и их размера.
Библиографические ссылки
1. Cambronero L. E. G., Ruiz-Roman J. M., Corpas F. A., Ruiz Prieto J. M. Manufacturing of Al-Mg-Si alloy foam using calcium carbonate as foaming agent // J. of material processing technology, February 2009.- V. 209.-Issue 4. P. 1803-1809.
2. Kovacik J., Simancik F. Comparison of zinc and aluminium foam behaviour // Kovove materialy, 2004. Vol. 42. № 2. P. 79-90.
3. Авдеенко А. М., Крупин Ю. А. Сильнопористые структуры - новый класс конструкционных материалов // Тяжелое машиностроение, 2008. № 7. С. 18-21.
4. Салтыков С. А. Стреометрическая металлография. М. : Металлургия, 1976. 270 с.
5. Рычков С. П. MSC. visualNASTRAN для Windows. M. : НТ Пресс, 2004. 552 с.
6. Золотухин А. В., Садовский В. М. Численное моделирование свойств пористых металлов // Актуальные проблемы авиации и космонавтики: Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов. В 2 т. СибГАУ. Красноярск, 2011. Т. 1. С. 138-139.
© Ардамин В. А., 2012
УДК 537.621
Д. П. Березицкая, Е. Д. Хилажева Научный руководитель - А. Э. Соколов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МАГНИТО-ОПТИКА БИОМИНЕРАЛЬНЫХ НАНОЧАСТИЦ ФЕРИГИДРИТА (А^ЕООН)
Представлены первые результаты оптических и магнито-оптических исследований биоминеральных нано-частиц феригидрита, полученных из сапропеля озера Боровое (Красноярского края). Спектр поглощения представляет собой довольно гладкую кривую с особенностью в районе 480 нм. В то же время в спектре МКД наблюдается сложная структура, характерная для суперпозиции сигналов от нескольких переходов.
Лиотропные жидкокристаллические фазы, образованные минеральными коллоидными частицами, вызывают большой интерес как физиков, так и химиков в связи с широкими возможностями их применения. Один из известных примеров - феритин, с одной стороны, являющийся естественным коллоидом, с другой стороны, представляющий собой искусственную среду с калиброванными по размерам нанозернами. В то же время препараты наногранулированного феригид-рита (являющегося минеральным ядром белка фери-тина), синтезируемого определенными бактериями, в настоящее время слабо изучены.
Бактерии, полученные из сапропеля озера Боровое (Красноярского края), выращивали в периодическом режиме без аэрации и перемешивания на минерально-солевой среде, содержащей необходимые для их роста N Р, К, Mg, 8. В качестве источника углерода и энергии испытаны глюкоза, бензойная кислота, цитрат железа и калия. При культивировании на среде с глюкозой бактерии имели максимальную удельную скорость роста 0,144 ч-1, на среде с цитратом калия 0,08 ч-1, бензойной кислоты - 0,06 ч-1 в аэробных и 0,02 ч-1 в микроаэрофильных условиях роста. Энергетически
наиболее приемлемым для синтеза биомассы Klebsiella oxytoca из проверенных 7 субстратов оказался цитрат калия, а для накопления ферригидрита -цитрат железа.
Синтез происходит в двухстадийном процессе наращивания биомассы бактерий и накопления наноча-стиц. Суть его в том, что на первой стадии бактерии выращиваются на минеральной среде с цитратом калия в качестве источника углерода и энергии. Микроорганизмы культуры Klebsiella oxytoca были высеяны на среду Lovley. Культивирование бактерий осуществлялось в различных условиях освещенности, включая культивирование в полной темноте [1].
Магнито-оптические исследования в области 3601100 нм измерялись на установке для спектро-поляриметрических исследований, изготовленной в Институте физики имени Л. В. Киренского на базе монохроматора МДР-12. При этом была использована модуляция состояния поляризации световой волны: от правой до левой круговой поляризации. Магнитный круговой дихроизм измеряли как разность сигналов при двух противоположных направлениях внешнего магнитного поля.
