Материалы для космического о приборостроения

Материалы дляМатериалы длякосмического о приборостроениякосмического 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 материаловМеханические Физические Технологические

прочность,пластичность,

твердость,вязкость,

износостойкость, выносливость,

ползучесть

цвет,плотность,плавление,

размягчение,теплопроводность,

электрические,магнитные

деформируемость,литейные,

свариваемость, закаливаемость,

прокаливаемость, обрабатываемость

резаниемХимические Эксплуатационные Экономические

коррозионная стойкость,

жаростойкость, радиационная

стойкость

надежность,долговечность

доступность,дешивизна

Технические материалы

конструкционныеспециальные

(электронной техники)металлические

неметаллические

металлы, сплавы

полимеры, пластмассы,

резины, стекла,

керамика, композиты

черныецветные

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/см3

Тпл = 660 оС прочность 80 МПа пластичность 35 % теплопроводность электропроводность коррозионная стойкость

Деформируемые алюминиевые сплавы Коррозионно-стойкие а) не упрочняемые ТО Al–Mn (АМц),

Al–Mg (АМг2, АМг3, АМг5)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 сплавыКонструкционные Al – Si (АЛ2/АК12, АЛ4/АК9, АЛ5/АК5М)Высокопрочные, жаропрочные Al – Cu (АЛ19/АМ5)Коррозионно-стойкие Al – Mg (АЛ27/АМг10, АЛ23/АМг6)

Спеченные алюминиевые сплавы САП-1, САП-2

Магний и его сплавыMg плотность 1,74 г/см3

Тпл = 650 оС 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 сплавыTi плотность 4,5 г/см3

Тпл = 1668 оС прочность 300-550 МПа пластичность 20-25 % 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/см3

Тпл = 1284 оС 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

Материал σв, МПа σв /(γ) E /(γ)

МА10 430 24 2,3

В95 700 21 2,4

ВТ6 1500 22 2,6

03Н18К9М5Т 1750 23 2,6

Бериллий 680 38 16,1

Материалы криогенной техники:Хромоникелевые аустенитные стали 03Х20Н16АГ6, 03Х20Н16АГ6, 07Х13Н4АГ20; 07Х13Г28АНФЛ;Мартенситно-стареющие стали 03Х9К14Н6МЗД, 03Х12Н7К6М4Б;Железо-никелевый сплав инвар 36Н;Алюминиевые сплавы: АМг6, АЛ2;Титановые сплавы: ВТ5-1, ОТ4-1 Медные сплавы: Л63, Л68, ЛЖМц59-1-1, ЛЦ59, БрБ2, БрАЖМц10-3-1,5; БрКМцЗ-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/см3 6,45 – 6,5

Температура плавления, оС 1250 - 1310

Удельное электросопротивление, 10-8 Омхм

55 - 60

Предел прочности, МПа 600 - 800

Относительное удлинение, % 20 - 40

Предельная деформация, при которой происходит полное восстановление формы, %

6 - 8

Реактивное напряжение, МПа 300 - 500

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 металлыМеталл ρ, г/см3 Тпл, oC Е, ГПа НВ

цирконий Zr 6,5 1855 74 84хром Cr 7,2 1890 250 69ванадий V 6,1 1912 128 157гафний Hf 13,8 2230 138 145ниобий Nb 8,6 2500 105 75молибден Mo 10,2 2620 330 134тантал Ta 16,6 3014 184 45рений Re 21 3190    вольфрам W 19,3 3380 345 196

Аморфные металлы и сплавы

Состав сплава Свойство Применение

Fe75Si15B10

Высокая прочность, высокая вязкость

Проволока, армирующие материалы, пружины, режущий инструмент

Fе45Сr25Мo10Р13С7

Высокая коррозионная стойкость

Электродные материалы, фильтры для работы в растворах кислот, морской воде, сточных водах

Fe81B15C2

Высокая магнитная индукция насыщения, низкие потери

Сердечники трансформаторов, преобразователи, дроссели

Fe5Co70Sl10B15

Высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила

Магнитные головки и экраны, магнетометры, сигнальные устройства

Fе83В17

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/см3); 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

ТермопластДиапазон рабочих

температур, ºСОбласть применения

Полиэтилен –70...+70Упаковка, ненагруженные детали машин и оборудования, футляры, покрытия

Полипропилен –20...+130Трубы, детали автомобилей, элементы холодильников, емкости, упаковка

Полистирол –40...+65Радиотехническое оборудование, электроизоляция

ПВХ –40...+70

Химическое оборудование, трубы, детали машин, элементы насосов и вентиляторов, упаковка, покрытие полов, искусственная кожа, оконные рамы

ПММА(оргстекло)

–60...+100Детали освещения и оптики, остекление в самолетостроении, на наземном и водном транспорте

Поли-карбонаты

–100...+135Точные детали машин и аппаратуры, радио- и электротехника, фотографические пленки

Политетра-фторэтилен (тефлон)

–269...+260Химическая, 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

Si3N4, ZrO2, SiC, TiB2, ZnB2, TiC, TiN, WC, B4C, Al2O3, 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

UO2, UO2 – PuO2, UC, US, ThS, SiC, B4C, Al2O3, 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, Y2O3, ZnO, Al2O3, ZrO2, SiC, B4C, TiC, CdS, Si3N4, 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

Al2O3, MgO, Y2O3, ZrO2, CdS, ZnS, SiO2, TiO2, ThO2

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

Конструкционныематериалы

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

Антифрикционныематериалы

Подшипники («самосмазываемость» и хорошая прирабатываемость в за счёт деформации объёма пор)

Фрикционныематериалы

Детали тормозных устройств

Пористые материалы(15 – 30 % объемныхпор)

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

Электротехническиематериалы

Контакты и токосъемники (вольфрам – медь, серебро – графит и др.); электроды для газоразрядных ламп

Магнитныематериалы

Постоянные магниты на основе железа–никеля–алюминия (ални) и железа–никеля–алюминия–кобальта (алнико); ферриты

Жаропрочныематериалы

Детали машин и приборов

Медицина Протезирование, имплантология

Параметр Ag Au Cu Al Fe W Naплотность, г/см3 10,5 19,3 8,96 2,7 7,87 19,3 0,97

Тпл, ºС 960 1063 1083 660 1539 3400 98

, мкОм∙м0,01

50,0225

0,017 0,027 0,097 0,0550,04

7ТК 10-3, К-1 4,1 3,95 4,33 4,1 6,25 5,0 5,5

прочность, МПа 200 150270375

80165

350550–3500

–

пластичность, % 55 40271,5

141,75

50 2 19

Основные физико-механические свойства чистых металлов при 300К

Основные физико-механические свойства сплавов высокого сопротивления

ПараметрМанганинМНМц3-12

КонстантанМНМц40-1,5

НихромХ20Н80

Фехраль

Х13Ю4

Фехраль

Х23Ю5

плотность, г/см3 8,4 8,9 7,1–7,5 7,1–7,5 6,9–7,3

Тпл, ºС 0,42–0,48 0,48–0,52 1,0–1,1 1,2–1,35 1,3–1,4

, мкОм∙м 6–50 –(5–25) 100–200 100-120 65

ТК 10-3, К-1 6–50 –(5–25) 100–200 100-120 65

прочность, МПа 450–00 – 650–700 700 800

пластичность, % 15–30 20–40 20 20 10–15

Предельная Траб, °С 60 (200) 400 1100 900 1200

Материал Tс, К Материал Tс, К

Иридий (Ir) 0,14 Сплав44 % Nb + 56 % Ti

8,7Алюминий (Al) 1,2Олово (Sn) 3,7 Сплав

50 % Nb + 50 % Zr9,5

Ртуть (Hg) 4,2Свинец (Pb) 7,2 Галлид ванадия V3Ga 14Тантал (Ta) 4,5

Ванадий (V) 5,3 Станнид ниобия Nb3Sn 18

Ниобий (Nb) 9,4 Керамика Hg–Ba–Ca–Cu–O 135

Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов

Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на основе соединений AIIIBV

Сегнетоэлектрики:1. Ионные кристаллы – BaTiO3, PbTiO3, KTiO3, BaNaNb5O15.2. Дипольные кристаллы – сегнетова соль NaKC4H4O6х4H2O, NaNO3, KH2PO4

Пьезоэлектрики:1.Монокристаллические – кварц SiO2, LiNbO3, ZnS, ZnO, BaTiO3

2.Керамические – BaTiO3, PbZrO3–PbTiO3

Жидкие кристаллы

Нематические ЖК

Смектические ЖК

Холестерические ЖК

Материал нач max BS, Тл Hc, А/м , мкОм∙мТехнически чистое железо

250–400 3 500–4 500 2,18 40–100 0,1

Электролитическое железо

600 15000 2,18 30 0,1

Карбонильное железо

2 000–3 000

20 000–21 000 2,18 6,4 0,1

Электротехническая нелегированная сталь

– 3 500–4 500 2,18 64–96 0,1

Пермаллои низконикелевые (Ni ~40–50 %)

2 000–4 000

15 000–60 000 1,3 5–32 0,45–0,9

Пермаллои высоконикелевые (Ni ~79 %)

15 000–100 000

70 000–300 000

0,7 0,65–4 0,16–0,85

Супермаллой(Ni ~79 %, Fe ~15 % Mo ~5 %, Mn ~0,5 %)

100 000600 000–1 500 000

0,79 0,3 0,6

Альсифер 35 400 117 000   1,8 0,8Феррит никель-цинковый

10–2 000 40–7 000 0,2 1700–8 10– Ом∙м

Феррит марганец-цинковый

700–20 000

1 800–35 000 0,15 28–0,25 –20 Ом∙м

Материал Br, Тл Hc, кА/мМартенситные стали (легирующие элементы Cr, W, Co):ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5

0,8–1 4,5–12

Литые сплавыFe–Ni–Al (ЮНД): ЮНД4Б; Fe–Ni–Al–Co (ЮНДК): ЮНДК15

0,5–1,4 40–110

Сплавы Pt–Co: ПлК78, ПлК76 0,7–0,8 300–400Магнитотвердые ферриты BaOnFe2O3,SrOnFe2O3, CoOnFe2O3

0,2–0,4 125–215

Сплавы Co–РЗМ 0,8–0,9 500Металлокерамические магниты 0,48–1,1 24–128Магнитоэласты 0,13 84

Спасибо за внимание