Добавить легким алюминиевым сплавам прочности и надежности смогли ученые НИТУ «МИСиС». Образцы алюминиевых композитов с добавлением углеродных нановолокон показали
Алюминий и сплавы на его основе — один из ключевых материалов в современной промышленности и технике. Без этого доступного, легкого и универсального металла невозможно представить себе ни транспорт, ни строительство, ни электронику, ни аэрокосмическую отрасль.
Однако для повышения удельной прочности деталей необходимо дальнейшее увеличение механических свойств алюминиевых сплавов. Привести механические характеристики и функциональные свойства материалов в соответствие требованиям передовой современной техники, по словам ученых, — актуальная задача сегодняшнего дня.
«По большому счету есть всего два пути улучшить эксплуатационные свойства сплава: создавать новый композитный материал с более сложным составом или обрабатывать поверхность готовых изделий, нанося дополнительное покрытие. Мы совместили оба подхода и добились синергетического эффекта нескольких факторов при взаимодействии микроразмерного оксида алюминия и наноразмерных углеродных волокон», — говорит научный сотрудник лаборатории «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС» Иван Пелевин в интервью Sputnik.
За основу взяли литые и напечатанные на 3D-принтере алюминиевые образцы, свойства поверхности которых были увеличены нанесением композиционного покрытия методом холодного газо-динамического напыления (cold-spray method).
В основу композиционного покрытия Al—Al2O3—УНВ легла порошковая смесь из промышленного сырья для получения алюминия — глинозема, или оксида алюминия — с добавлением 30 процентов частиц чистого металла. В процессе синтеза частицы алюминия измельчаются при столкновении с более твердым оксидом, заполняя пустоты в его структуре. Такая композиция твердых и пластичных частиц обеспечивает прочное закрепление (bonding) покрытия на поверхности алюминиевой детали.
С другой стороны, объясняют ученые, наноразмерные волокна углерода проникают в пространство уже между частицами металлического порошка, еще больше увеличивают плотность на микроуровне, резко уменьшают количество трещин и пустот и увеличивают твердость и прочность нанесенного покрытия. Добавление всего 1.5% углеродных нановолокон привело к увеличению твердости покрытия на 20%.
Третьим активным фактором стали высокие фрикционные свойства углерода — это также способствует формированию плотной, бездефектной структуры покрытия за счет «смазывания» при соударении частиц. Более того, добавление углерода в покрытие потенциально улучшает фрикционные свойства и износостойкость за счет «самосмазывания» (in-situ lubricating, self-lubrication).
Помимо перечисленных факторов, подчеркивают авторы работы, имел значение еще и правильно выбранный метод синтеза.
«При синтезе покрытий другими методами возникает проблема фазовых переходов, особенно болезненная для алюминия с его низкой температурой плавления. Частицы металла на поверхности напыления плавятся и снова твердеют — то есть нарушается структура вещества, внутри материала появляется дополнительное напряжение. Поэтому мы работали по методу холодного напыления — и наглядно продемонстрировали преимущества такого решения», — добавил Иван Пелевин.
Ученые уверены, что исследование имеет большое практическое значение не только для улучшения свойств конкретного алюминиевого сплава, но для многих деталей различного назначения. Особое внимание уделяется обработке материала именно после 3D-печати, так как это является наиболее актуальной и востребованной научной задачей. В ближайших планах научного коллектива — получение композитов с требуемой микроструктурой для энергетических, биомедицинских и иных приложений.
