Материалы для космического о приборостроения к.т.н., доцент Л.Н. Курдюмова

Материал – это вещество, свойства которого обуславливают его применение состав материала свойства материала строение (структура) материала

Свойства материалов Механические ФизическиеТехнологические прочность, пластичность, твердость, вязкость, износостойкость, выносливость, ползучесть цвет, плотность, плавление, размягчение, теплопроводность, электрические, магнитные деформируемость, литейные, свариваемость, закаливаемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием Химические ЭксплуатационныеЭкономические коррозионная стойкость, жаростойкость, радиационная стойкость надежность, долговечность доступность, дешивизна

Технические материалы конструкционные специальные (электронной техники) металлические неметаллические металлы, сплавы полимеры, пластмассы, резины, стекла, керамика, композиты черные цветные проводники, полупроводники, диэлектрики, сильномагнитные, слабомагнитные, оптические

Требования к конструкционным материалам: Высокие удельные механические свойства; Высокая сопротивляемость воздействию рабочей среды; Высокие надежность и долговечность

Алюминий и его сплавы Al плотность 2,7 г/см 3 Т пл = 660 о С прочность 80 МПа пластичность 35 % теплопроводность электропроводность коррозионная стойкость

Деформируемые алюминиевые сплавы Коррозионно-стойкие а) не упрочняемые ТО Al–Mn (АМц), Al–Mg (АМг 2, АМг 3, АМг 5) б) упрочняемые ТО Al–Cu–Mg (Д1, Д16) Авиаль Al–Cu–Mg–Mn–Si (АВ) Высокопрочные Al–Zn–Mg–Cu (В95, В93) Ковочные Al–Mg–Si–Cu (АК6, АК8) Жаропрочные Al–Cu–Mg–Fe–Ni (АК4-1, Д20) Литейные алюминиевые сплавы Конструкционные Al – Si (АЛ2/АК12, АЛ4/АК9, АЛ5/АК5М) Высокопрочные, жаропрочные Al – Cu (АЛ19/АМ5) Коррозионно-стойкие Al – Mg (АЛ27/АМг 10, АЛ23/АМг 6) Спеченные алюминиевые сплавы САП-1, САП-2

Магний и его сплавы Mg плотность 1,74 г/см 3 Т пл = 650 о С прочность 115 – 200 МПа пластичность 8 – 11 % Деформируемые магниевые сплавы: Mg–Mn (МЛ5); Mg–Al–Zn–Mg (МА2-1); Mg–Zn–Zr (МА14) Литейные магниевые сплавы: Mg–Al–Zn–Mn (МЛ5, МЛ6); Mg–Zn–Zr–Nd (МЛ10); Mg–Zn–Zr (МЛ14)

Титан и его сплавы Ti плотность 4,5 г/см 3 Т пл = 1668 о С прочность МПа пластичность % коррозионная стойкость Деформируемые титановые сплавы: Ti–Al (ВТ5); Ti–Al–V (ВТ6); Ti–Al–V–Mo (ВТ14); Ti–Al–Mo–Si (ВТ8) Литейные титановые сплавы: ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л; Порошковые титановые сплавы: ВТ6

Бериллий и его сплавы Be плотность 1,8 г/см 3 Т пл = 1284 о С коррозионная стойкость Литейные бериллиевые сплавы: Be–Al–Ni–Zr (ЛБС-1); Be–Al–Ni–Mg–Zr (ЛБС-2); Be–Al–Mg–Cu–Zr (ЛБС-3) Деформируемые бериллиевые сплавы: Be–Ni–Ti (ВБД-1); Be–Al (локеллой)

Удельная прочность и жесткость материалов Материалσ в, МПаσ в /(γ)E /(γ) МА ,3 В ,4 ВТ ,6 03Н18К9М5Т ,6 Бериллий ,1

Материалы криогенной техники: Хромоникелевые аустенитные стали 03Х20Н16АГ6, 03Х20Н16АГ6, 07Х13Н4АГ20; 07Х13Г28АНФЛ; Мартенситно-стареющие стали 03Х9К14Н6МЗД, 03Х12Н7К6М4Б; Железо-никелевый сплав инвар 36Н; Алюминиевые сплавы: АМг 6, АЛ2; Титановые сплавы: ВТ5-1, ОТ4-1 Медные сплавы: Л63, Л68, ЛЖМц , ЛЦ59, БрБ2, Бр АЖМц ,5; Бр КМцЗ-1;

Радиационно-стойкие материалы: Аустенитные коррозионностойкие стали: 12Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т, 08Х18Н12Б; Аустенитные никель-хромовые жаропрочные сплавы Инконель 718, Инконель 680; Циркониевые сплавы: циркалой-2, циркалой-4, Э125, Э635

Сплавы с ЭПФ: ТН-1 (Ti, 53,5-56,5 % Ni), ТН-1К (Ti, 50,0-53,5 % Ni); Cu–Al–Ni, Cu–Al–Zn

Основные свойства сплава ТН-1: Плотность, г/см 3 6,45 – 6,5 Температура плавления, о С Удельное электросопротивление, Ом х м Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Предельная деформация, при которой происходит полное восстановление формы, % Реактивное напряжение, МПа Коррозионная стойкость

Схема космического аппарата с самотрансформирующимися элементами: 1 – антенна; 2 – механический стабилизатор; 3 – излучатель энергии; 4 – солнечная батарея

Соединение трубчатых деталей (1) с помощью муфты (2) из металла с памятью формы: а – до сборки; б – после нагрева

Тугоплавкие металлы Металлρ, г/см 3 Т пл, o CЕ, ГПаНВ цирконий Zr6, хром Cr7, ванадий V6, гафний Hf13, ниобий Nb8, молибден Mo10, тантал Ta16, рений Re вольфрам W19,

Аморфные металлы и сплавы

Состав сплава СвойствоПрименение Fe 75 Si 15 B 10 Высокая прочность, высокая вязкость Проволока, армирующие материалы, пружины, режущий инструмент Fе 45 Сr 25 Мo 10 Р 13 С 7 Высокая коррозионная стойкость Электродные материалы, фильтры для работы в растворах кислот, морской воде, сточных водах Fe 81 B 15 C 2 Высокая магнитная индукция насыщения, низкие потери Сердечники трансформаторов, преобразователи, дроссели Fe 5 Co 70 Sl 10 B 15 Высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила Магнитные головки и экраны, магнетометры, сигнальные устройства Fе 83 В 17 Постоянство модулей упругости и температурного коэффициента линейного расширения Инварные и элинварные материалы

Неметаллические материалы на основе полимеров: низкая плотность (0,02–0,04 … 1–1,8 г/см 3 ); высокая коррозионная стойкость; высокие диэлектрические свойства; хорошая окрашиваемость в любые цвета. оптические свойства у прозрачных пластмасс; механические свойства широкого диапазона. Ряд пластиков по своей механической прочности сопоставимы с металлическими материалами; антифрикционные свойства; высокие теплоизоляционные свойства; хорошие технологические свойства; невысокая теплостойкость (100–120 °С); низкая твердость, склонность к старению, ползучесть

Термопласт Диапазон рабочих температур, ºС Область применения Полиэтилен– Упаковка, ненагруженные детали машин и оборудования, футляры, покрытия Полипропилен– Трубы, детали автомобилей, элементы холодильников, емкости, упаковка Полистирол– Радиотехническое оборудование, электроизоляция ПВХ– Химическое оборудование, трубы, детали машин, элементы насосов и вентиляторов, упаковка, покрытие полов, искусственная кожа, оконные рамы ПММА (оргстекло) – Детали освещения и оптики, остекление в самолетостроении, на наземном и водном транспорте Поли- карбонаты – Точные детали машин и аппаратуры, радио- и электротехника, фотографические пленки Политетра- фторэтилен (тефлон) – Химическая, электротехническая, машиностроительная промышленность, криогенная техника

Функциональный тип керамики Механокерамика Используемые свойства и характеристики Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, триботехнические свойства, ТКЛР, термостойкость Область применения Детали для тепловых двигателей, уплотнительные, антифрикционные и фрикционные детали, режущий инструмент, пресс-инструмент, направляющие и другие износостойкие детали Используемые соединения Si 3 N 4, ZrO 2, SiC, TiB 2, ZnB 2, TiC, TiN, WC, B 4 C, Al 2 O 3, BN, композиты

Функциональный тип керамики Ядерная керамика Используемые свойства и характеристики Радиационная стойкость, жаропрочность, жаростойкость, сечение захвата нейтронов, огнеупорность, радиоактивность Область применения Ядерное горючее, футеровка реакторов, экранирующие материалы, поглотители излучения, поглотители нейтронов Используемые соединения UO 2, UO 2 – PuO 2, UC, US, ThS, SiC, B 4 C, Al 2 O 3, BeO

Функциональный тип керамики Электрокерамика Используемые свойства и характеристики Электропроводность, электроизоляционные и пьезоэлектрические свойства Область применения Интегральные схемы, конденсаторы, зажигатели, нагреватели, термисторы, транзисторы, фильтры, солнечные батареи, твердые электролиты Используемые соединения BeO, MgO, Y 2 O 3, ZnO, Al 2 O 3, ZrO 2, SiC, B 4 C, TiC, CdS, Si 3 N 4, титанаты

Функциональный тип керамики Магнитокерамика Используемые свойства и характеристики Магнитные свойства Область применения Головки магнитной записи, магнитные носители, магниты Используемые соединения Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты

Функциональный тип керамики Оптокерамика Используемые свойства и характеристики Прозрачность, поляризация, флуоресценция Область применения Лампы высокого давления, лазерные материалы, световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев, модуляторы Используемые соединения Al 2 O 3, MgO, Y 2 O 3, ZrO 2, CdS, ZnS, SiO 2, TiO 2, ThO 2

Функциональный тип керамики Сверхпроводящая керамика Используемые свойства и характеристики Электропроводность Область применения Линии электропередач, накопители энергии, интегральные схемы, МГД- генераторы, железнодорожный транспорт на магнитной подвеске Используемые соединения Оксидные системы: La–Ba–Cu–O, La–Sr–Cu–O, Y–Ba–Cu–O

Удельная прочность и удельный модуль упругости различных материалов

Группы по назначению Область применения порошковой металлургии и примеры изделий Конструкционные материалы Автомобильная и тракторная промышленность, сельскохозяйственное машиностроение, производство бытовых машин, станкостроение, приборостроение и др. (шестерни, зубчатые колёса, звёздочки, втулки, кольца, фланцы, пальцы, детали кулачкового механизма, рычаги, защёлки дверных замков) Твердые сплавы Режущий инструмент Антифрикционные материалы Подшипники («самосмазываемость» и хорошая прирабатываемость в за счёт деформации объёма пор) Фрикционные материалы Детали тормозных устройств Пористые материалы (15 – 30 % объемных пор) Металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов от различных примесей; пористые элементы для химических реакций и транспорта сыпучих материалов в «кипящем слое»; пористые материалы для топливных элементов; теплообменные металлические трубы с пористым слоем из порошков меди, никеля, нержавеющей стали Электротехнические материалы Контакты и токосъемники (вольфрам – медь, серебро – графит и др.); электроды для газоразрядных ламп Магнитные материалы Постоянные магниты на основе железа–никеля–алюминия (ални) и железа–никеля–алюминия–кобальта (алнико); ферриты Жаропрочные материалы Детали машин и приборов Медицина Протезирование, имплантология

ПараметрAgAuCuAlFeWNa плотность, г/см 3 10,519,38,962,77,8719,30,97 Т пл, ºС , мк Омм 0,01 5 0, ,0170,0270,0970,055 0,04 7 ТК 10 -3, К -1 4,13,954,334,16,255,05,5 прочность, МПа – 3500 – пластичность, % ,5 14 1, Основные физико-механические свойства чистых металлов при 300К

Основные физико-механические свойства сплавов высокого сопротивления Параметр Манганин МНМц 3-12 Константан МНМц 40-1,5 Нихром Х20Н80 Фехраль Х13Ю4 Фехраль Х23Ю5 плотность, г/см 3 8,48,97,1–7,5 6,9–7,3 Т пл, ºС 0,42–0,480,48–0,521,0–1,11,2–1,351,3–1,4, мк Омм 6–50–(5–25)100– ТК 10 -3, К -1 6–50–(5–25)100– прочность, МПа 450–00–650– пластичность, % 15–3020– –15 Предельная Т раб, °С 60 (200)

МатериалT с, КМатериалT с, К Иридий (Ir)0,14 Сплав 44 % Nb + 56 % Ti 8,7 Алюминий (Al)1,2 Олово (Sn)3,7 Сплав 50 % Nb + 50 % Zr 9,5 Ртуть (Hg)4,2 Свинец (Pb)7,2 Галлид ванадия V 3 Ga14 Тантал (Ta)4,5 Ванадий (V)5,3Станнид ниобия Nb 3 Sn18 Ниобий (Nb)9,4Керамика Hg–Ba–Ca–Cu–O135 Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов

Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на основе соединений A III B V

Сегнетоэлектрики: 1. Ионные кристаллы – BaTiO 3, PbTiO 3, KTiO 3, BaNaNb 5 O Дипольные кристаллы – сегнетова соль NaKC 4 H 4 O6 х 4H 2 O, NaNO 3, KH 2 PO 4 Пьезоэлектрики: 1. Монокристаллические – кварц SiO 2, LiNbO 3, ZnS, ZnO, BaTiO 3 2. Керамические – BaTiO 3, PbZrO 3 –PbTiO 3

Жидкие кристаллы Нематические ЖК Смектические ЖК Холестерические ЖК

Материал нач max B S, ТлH c, А/м, мк Омм Технически чистое железо 250– –4 5002,1840–1000,1 Электролитическое железо ,18300,1 Карбонильное железо 2 000– – ,186,40,1 Электротехническая нелегированная сталь –3 500–4 5002,1864–960,1 Пермаллои низконикелевые (Ni ~40–50 %) 2 000– – ,35–320,45–0,9 Пермаллои высоконикелевые (Ni ~79 %) – – ,70,65–40,16–0,85 Супермаллой (Ni ~79 %, Fe ~15 % Mo ~5 %, Mn ~0,5 %) – ,790,30,6 Альсифер ,80,8 Феррит никель-цинковый 10– –7 0000,21700–810– Омм Феррит марганец-цинковый 700– – ,1528–0,25–20 Омм

МатериалB r, ТлH c, кА/м Мартенситные стали (легирующие элементы Cr, W, Co): ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5 0,8–14,5–12 Литые сплавы Fe–Ni–Al (ЮНД): ЮНД4Б; Fe–Ni–Al–Co (ЮНДК): ЮНДК15 0,5–1,440–110 Сплавы Pt–Co: ПлК78, ПлК760,7–0,8300–400 Магнитотвердые ферриты BaO nFe 2 O 3,SrO nFe 2 O 3, CoO nFe 2 O 3 0,2–0,4125–215 Сплавы Co–РЗМ0,8–0,9500 Металлокерамические магниты 0,48–1,124–128 Магнитоэласты 0,1384

Спасибо за внимание