Фізичні процеси та технології отримання матеріалів

Реферат
  з дисципліни «Фізика і хімія отримання матеріалів»
«Фізичні процеси та технології отримання матеріалів»
Виконав:

Перевірив:
Димитровград 2007
ЗМІСТ:
1. Деякі фізичні принципи використовуються при отриманні матеріалів:
1.1 Принципи сепарації
1.2 Центрифугування
1.3 Флотація
1.4 Газліфт

2. Порошкова металургія

2.1 Одержання порошків
2.2 Формування порошків
2.3 Поширені агрегати подрібнення
3. Наноматеріали
4. Композиційні матеріали
5. Список літератури
1. Деякі фізичні принципи використовуються при отриманні матеріалів
1.1 Принципи сепарації

Відцентрова фільтрація

Сепарація (відділення) твердих частинок з рідини центрифугою використовує перфорований циліндр покритий фільтруючої матерією або виймається мішком.
Під час відцентрової фільтрації відцентрова сила створює тиск, який нагнітає рідину через заслінку, фільтруючу матерію, допоміжну сітку назовні перфорованого циліндра. Фільтруюча матерія затримує тверді частинки всередині циліндра.
Відцентрова декантація
Відцентрова сепарація твердих частинок - рідина, рідина - рідина або твердих частинок - рідина - рідина використовуючи цільну ємність. Видалення рідини досягається двірником поверхні або переливом через краї ємності.
Під час відцентрового поділу відцентрова сила сприяє до прискорення гравітаційного осадового процесу, при якому складові суміші осідають. При застосуванні поділу щільних частинок - рідини, щільні частинки радіально пересуваються по рідини і накопичуються на стінках ємності. Якщо суміш містить в собі рідини з різними плотностями, рідина з меншою щільністю переходить у напрямку до осі обертання ємності.
1.2 Центрифугування
Центрифугування дозволяє розділити суміш, що складається з двох або більше компонентів з різною питомою щільністю. Поділ речовин за допомогою центрифугування засноване на різній поведінці часток у відцентровому полі. У відцентровому полі частинки, що мають різну щільність, форму або розміри, осідають з різною швидкістю.
Принцип центрифугування застосовується в різних фільтрах, при збагаченні урану (каскади із сотень центрифуг), для розділення неоднорідних рідких середовищ.
1.3 Флотація
Це процес поділу дрібних твердих частинок (головним чином мінералів), заснований на відмінності їх в змочуваності водою. Гідрофобні (погано змочуються водою) частки вибірково закріплюються на межі розділу фаз, зазвичай газу і води, і відділяються від гідрофільних (добре змочуються водою) частинок. При флотації бульбашки газу або краплі олії прилипають до погано змочуються водою частинкам і піднімають їх до поверхні.
Флотація - один з основних методів збагачення корисних копалин, застосовується також для очищення води від органічних речовин і твердих суспензій, розділення сумішей, прискорення відстоювання в хімічній, нафтопереробній, харчовій та ін галузях промисловості. Залежно від характеру і способу утворення міжфазних кордонів (вода - масло - газ), на яких відбувається закріплення поділюваних компонентів розрізняють кілька видів флотації.
Першою була запропонована масляна флотація, на яку в 1860 В. Хайнс (Великобританія) був виданий патент. При перемішуванні подрібненої руди з маслом і водою сульфідні мінерали вибірково змочуються маслом і спливають разом з ним на поверхню води, а порода (кварц, польові шпати) осідає. У Росії масляна флотація графіту була здійснена в 1904 у м. Маріуполі.
Здатність гідрофобних мінеральних частинок утримуватися на поверхні води, в той час як гідрофільні тонуть в ній, була використана А. Нібеліусом (США, 1892) і Маквістеном (Великобританія, 1904) для створення апаратів плівковою флотації, в процесі якої з тонкого шару подрібненої руди, що знаходиться на поверхні потоку води, випадають гідрофільні частинки.
Збільшення обсягів і розширення області застосування флотації пов'язано з пінної флотації, при якій оброблені реагентами частини виносяться на поверхню води бульбашками повітря, утворюючи пінний шар, стійкість якого регулюється додаванням піноутворювачів. Для утворення бульбашок пропонувалися різні методи: утворення вуглекислого газу за рахунок хімічної реакції (С. Поттер, США, 1902), виділення газу з розчину при зниженні тиску (Ф. Елмор, Великобританія, 1906) - вакуумна флотація, енергійне перемішування пульпи, пропускання повітря крізь дрібні отвори.
Для проведення пінної флотації. виробляють подрібнення руди до крупності 0,5-1,0 мм у випадку пріродногідрофобних неметалевих корисних копалин з невеликою щільністю (сірка, вугілля, тальк) і до 0,1-0,2 мм для руд металів. Для створення і посилення різниці в гідратірованності поділюваних мінералів і додання піні достатньої стійкості до пульпи додаються флотаційні реагенти. Потім пульпа поступає у флотаційні машини. Освіта флотаційних агрегатів (часток і бульбашок повітря) відбувається при зіткненні мінералів з бульбашками повітря, що вводиться в пульпу, а також при виникненні на частинках бульбашок газів, що виділяються з розчину. На флотацію впливають іонний склад рідкої фази пульпи, розчинені в ній гази (особливо кисень), температура, щільність пульпи. На основі вивчення мінералого-петрографічного складу збагачуваного корисної копалини вибирають схему флотації, реагентний режим і ступінь подрібнення, які забезпечують досить повне розділення мінералів. Найкраще флотацією поділяються зерна розміром 0,1-0,04 мм. Більш дрібні частинки поділяються гірше, а частки дрібніше 5 мк погіршують флотацію більш великих часток. Негативна дія частинок мікронних розмірів зменшується специфічними реагентами. Великі (1-3 мм) частки при флотації відриваються від пухирців і не флотуючого. Тому для флотації великих часток (0,5-5 мм) були розроблені способи пінної сепарації, при яких пульпа подається на шар піни, що утримує тільки гідрофобізовані частинки. З тією ж метою створені флотаційні машини киплячого шару з висхідними потоками аерірованной рідини. Це - набагато більш продуктивні процеси, ніж масляна і плівкова флотація.
Для очищення води, а також вилучення компонентів з розбавлених розчинів у 50-х рр.. був розроблений метод іонної флотації, перспективний для переробки промислових стоків, мінералізованих підземних термальних і шахтних вод, а також морської води. При іонної флотації окремі іони, молекули, тонкодисперсні опади і колоїдні частинки взаємодіють з флотаційних реагентів-збирачами, найчастіше катіонного типу, і витягуються бульбашками в піну або плівку на поверхні розчину. Тонкодисперсні бульбашки для флотації з розчинів отримують також за електролітичному розкладанні води з утворенням газоподібних кисню і водню (електрофлотація). При електрофлотаціі витрати реагентів істотно менше, а в деяких випадках вони не потрібні.
Широке використання флотації для збагачення корисних копалин призвело до створення різних конструкцій флотаційних машин з камерами великого розміру (до 10-30 м ^3), що володіють високою продуктивністю. Флотаційна машина складається з ряду послідовно розташованих камер з прийомними і розвантажувальними пристроями для пульпи. Кожна камера постачена аеруючими пристроєм і пенос'емніком.
1.4 Газліфт
Це пристрій для підйому краплинної рідини за рахунок енергії, що міститься у змішувати з нею стиснутому газі. Газліфт застосовують головним чином для підйому нафти із свердловин, використовуючи при цьому газ, що виходить з нафтоносних пластів. Відомі підйомники, в яких для подачі рідини, переважно води, використовують атмосферне повітря. Такі підйомники називаються ерліфтами.
У газліфта, або ерліфті стиснений газ або повітря від компресора подається по трубопроводу, змішується з рідиною, утворюючи газо-рідинну або водо-повітряну емульсію, яка піднімається по трубі. Змішання газу з рідиною відбувається в черевику, що сполучає труби. На поверхні землі газоподібну фазу емульсії від рідкої відокремлює сепаратор. Дія газліфта засноване на зрівноважуванні стовпа газо-рідинної емульсії стовпом краплинної рідини на основі закону сполучених посудин. Один з них - бурова свердловина або резервуар, а інший - труба, в якій знаходиться газорідинна суміш. Робочий процес газліфта супроводжується явищем захоплення рідини бульбашками газу або повітря, які, піднімаючись вгору, розширюються і збільшують швидкість руху газо-рідинної суміші. Оптимальні швидкості руху емульсії в нижній частині труби З м / сек, а у верхній 6 - 8 м / сек.
Газліфти можуть подавати воду на висоту до 200 м і нафту до 1000 м при часовий подачі до 500 м ^3. Газліфт мають ккд від 15 до 36%. Незважаючи на наявність більш ефективних технічних засобів для підйому рідини, газліфти й у сьогодення, час мають застосування.
2. Порошкова металургія
Це область техніки, що охоплює сукупність методів виготовлення порошків металів і металоподібних з'єднань, напівфабрикатів і виробів з них (або їх сумішей з неметалевими порошками) без розплавлення основного компонента. Технологія порошкової металургії включає наступні операції: отримання вихідних металевих порошків і приготування з них шихти (суміші) з заданими хімічним складом і технологічними характеристиками; формування порошків або їх сумішей в заготовки з заданими формою і розмірами (головним чином пресуванням); спікання, тобто . термічну обробку заготовок при температурі нижче точки плавлення всього металу або основної його частини. Після спікання виробів зазвичай мають деяку пористість (від кількох відсотків до 30-40%, а в окремих випадках до 60%). З метою зменшення пористості (або навіть повного усунення її), підвищення механічних властивостей і доведення до точних розмірів застосовується додаткова обробка тиском (холодна або гаряча) спечених виробів; іноді застосовують також додаткову термічну, термохімічну або термомеханічну обробку. У деяких варіантах технології відпадає операція формування: спікають порошки, засипані у відповідні форми. У ряді випадків пресування і спікання об'єднують в одну операцію т. н. гарячого пресування - обтиснення порошків при нагріванні.
2.1 Одержання порошків.
Механічне подрібнення металів роблять у вихрових, вібраційних і кульових млинах. Інший, більш досконалий метод одержання порошків - розпорошення рідких металів: його достоїнства - можливість ефективного очищення розплаву від багатьох домішок, висока продуктивність і економічність процесу. Поширена отримання порошків заліза, міді, вольфраму, молібдену високотемпературним відновленням металу (зазвичай з оксидів) вуглецем або воднем. Знаходять застосування гідрометалургійні методи відновлення розчинів сполук цих металів воднем. Для отримання мідних порошків найбільш часто використовують електроліз водних розчинів. Є й інші, менш поширені методи приготування порошків різних металів, наприклад електроліз розплавів і термічна дисоціація летючих сполук (карбонільних метод).
2.2 Формування порошків.
Основний метод формування металевих порошків - пресування у прес-формах із загартованої сталі під тиском 200-1000 Мн / м ² (20-100 кгс / мм ²⁾ на швидкохідних автоматичних пресах (до 20 прессовок в 1 хв). Пресування мають форму, розміри і щільність, задані з урахуванням зміни цих характеристик при спіканні і подальших операціях. Зростає значення таких нових методів холодного формування, як ізостатичний пресування порошків під всебічним тиском, прокатка і екструзія порошків.
Спікання проводять у захисному середовищі (водень; атмосфера, яка містить сполуки вуглецю; вакуум; захисні засипки) при температурі близько 70-85% від абсолютної точки плавлення, а для багатокомпонентних сплавів - трохи вище температури плавлення найбільш легкоплавкого компонента. Захисна середовище має забезпечувати відновлення окислів, не допускати утворення небажаних забруднень продукції (кіптяви, карбідів, нітридів і т.д.), запобігати вигоряння окремих компонентів (наприклад, вуглецю в твердих сплавах), забезпечувати безпеку процесу спікання. Конструкція печей для спікання повинна передбачати проведення не тільки нагріву, але і охолодження продукції в захисному середовищі. Мета спікання - отримання готових виробів із заданими щільністю, розмірами і властивостями або напівпродуктів з характеристиками, необхідними для подальшої обробки. Розширюється застосування гарячого пресування (спікання під тиском), зокрема ізостатичного.
Порошкова металургія має наступні достоїнства, що зумовили її розвиток.
1) Можливість отримання таких матеріалів, які важко або неможливо отримувати ін методами. До них відносяться: деякі тугоплавкі метали (вольфрам, тантал); сплави та композиції на основі тугоплавких сполук (тверді сплави на основі карбідів вольфраму, титану тощо): композиції і т. н. псевдосплави металів, не змішуються в розплавленому вигляді, особливо при значній різниці у температурах плавлення (наприклад, вольфрам - мідь); композиції з металів і неметалів (мідь - графіт, залізо - пластмаса, алюміній - окис алюмінію і так далі); пористі матеріали (для підшипників, фільтрів, ущільнень, теплообмінників) та ін
2) Можливість отримання деяких матеріалів і виробів з більш високими техніко-економічними показниками. Порошкова металургія дозволяє економити метал і значно знижувати собівартість продукції (наприклад, при виготовленні деталей литтям та обробкою різанням іноді до 60-80% металу втрачається в літники, йде в стружку тощо).
3) При використанні чистих вихідних порошків можна отримати спечені матеріали з меншим вмістом домішок і з більш точною відповідністю заданому складу, ніж у звичайних литих сплавів.
4) При однаковому складі і щільності у спечених матеріалів у зв'язку з особливістю їх структури в ряді випадків властивості вище, ніж у плавлених, зокрема менше позначається несприятливий вплив кращою орієнтування (текстури), що зустрічається у ряду литих металів (наприклад, берилію) внаслідок специфічних умов затвердіння розплаву. Великий недолік деяких литих сплавів (наприклад, швидкорізальних сталей і деяких жароміцних сталей) - різка неоднорідність локального складу, викликана ліквацією при затвердінні. Розміри і форму структурних елементів спечених матеріалів легше регулювати, і головне, можна отримувати такі типи взаємного розташування і форми зерен, які недосяжні для плавленого металу. Завдяки цим структурним особливостям спечені метали більш термостійкі, краще переносять вплив циклічних коливань температури і напруги, а також ядерного опромінювання, що дуже важливо для матеріалів нової техніки.
2.3 Поширені агрегати подрібнення.
Кульова барабанна млин
Кульова барабанна млин має наступні гідності:
-Простота конструкції та використання;
-Гарне змішування матеріалів (коефіцієнт неоднорідності порядку 3-5%);
Недоліки:
-Тривалість процесів;
-Невисокий об'ємний коефіцієнт завантаження (40-45%);
-Значний намол апаратурного металу.
Схема роботи дезінтегратора.
Порошкоподібні речовини надходять з завантажувального бункера з регулюючим шибером у простір між обертаються назустріч один одному з високими швидкостями дисками (кутова швидкість з використанням високочастотних двигунів до 50000 об / хв і більше). На цих роторах є спеціальні твердосплавні пальці або лопаті, що утворюють відносно один одного концентричні кола різних діаметрів. Кожна частка соударяются із зазначеними виступами, послідовно проходячи всі кола, перед виходом з останнього з них, що має максимальну лінійну швидкість, частки відчувають найбільш високоенергетичний вплив. Такий спосіб подрібнення призводить не тільки до збільшення дисперсності системи, але і до додаткової механохімічної активації порошків, що виявляється в їх більш інтенсивному подальшому спіканні, або прискореному твердофазній синтезі.

Різні види змішувачів.

Біконічні змішувач	V-подібний змішувач	Змішувач "п'яна бочка"

3. Наноматеріали
Застосування наноматеріалів
• Каталіз, перетворення сонячної енергії (TiO2)
• Сенсори
• Нано-батареї та паливні комірки
• Дисперсійне зміцнення / міцні матеріали
• Магнітна томографія (магнітні наночастки - зонди), маркери, міні-роботи, носії ліків
• Магнітні рідини
• Системи з перпендикулярної записом, електроніка
• Фотоніка
• Квантові точки
• Молекулярні сита / клатрати
• Аерогель
Надміцні матеріали. Зв'язки між атомами вуглецю в графітовому аркуші є найсильнішими серед відомих, тому бездефектні вуглецеві трубки на два порядки міцніше сталі і приблизно в чотири рази легше її! Одна з найважливіших задач технології в області нових вуглецевих матеріалів полягає у створенні нанотрубок "нескінченної" довжини. З таких трубок можна виготовляти легкі композитні матеріали граничної міцності для потреб техніки нового століття. Це силові елементи мостів і будівель, несучі конструкції компактних літальних апаратів, елементи турбін, силові блоки двигунів з гранично малим питомим споживанням палива і т.п. В даний час навчилися виготовляти трубки довжиною в десятки мікрон при діаметрі близько одного нанометра.
Високопроводящіе матеріали. Відомо, що в кристалічному графіті провідність вздовж площини шару найвища серед відомих матеріалів і, навпаки, у напрямку, перпендикулярному листу, мала. Тому очікується, що електричні кабелі, зроблені з нанотрубок, при кімнатній температурі будуть мати електропровідність на два порядки вище, ніж мідні кабелі. Справа за технологією, що дозволяє виробляти трубки достатньої довжини і в достатній кількості,
Нанокластери. До безлічі нанооб'єктів відносяться надмалі частинки, що складаються з десятків, сотень або тисяч атомів. Властивості кластерів кардинально відрізняються від властивостей макроскопічних обсягів матеріалів того ж складу. З нанокластерів, як з великих будівельних блоків, можна цілеспрямовано конструювати нові матеріали з наперед заданими властивостями і використовувати їх в каталітичних реакціях, для розділення газових сумішей і зберігання газів.
Матеріалознавці з США та Іспанії придумали новий спосіб отримання довгих аморфних нановолокон. Технологія, названа «laser spinning», дозволяє отримати волокна довжиною кілька сантиметрів і всього 35 нм в діаметрі. Методика «laser spinning» заснована на використанні потужного лазера для локального нагріву поверхні вихідного керамічного матеріалу (кварцу або оксиду алюмінію), тобто тільки дуже малий його обсяг знаходиться в розплавленому стані. Далі під дією сильного струменя газу розплав витягується в волокно і застигає. У результаті формується неупорядкована мережу з мікро-і нановолокон. Вчені стверджують, що така технологія дозволить отримувати дуже довгі аморфні волокна необхідного складу.

(A) Загальний вигляд одержуваної сітки нановолокон;
(B) Окреме волокно діаметром близько 50 нм.


(A) Освіта краплі розплаву;
(B) Витягування волокна.
Квазіодномірних структури (нанопровідника, наноленти, наностержні і нанотрубки) мають унікальні електричними і механічними властивостями і можуть знайти застосування в електроніці, каталізі, біомедицину, використовуватися для виготовлення різних сенсорів і композитів. В даний час такі структури зазвичай отримують з парової фази або з розчинів.
4. Композиційні матеріали
Композиційний матеріал-неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів, серед яких можна виділити армуючі елементи, що забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу, і матрицю (або сполучна), що забезпечує спільну роботу армуючих елементів.

Схема структури (а) і армування
безперервними волокнами (б)
композиційних матеріалів
Переваги композиційних матеріалів

• висока питома міцність
• висока жорсткість (модуль пружності 130 ... 140 ГПа)
• висока зносостійкість
• висока втомна міцність
• з композиційних матеріалів можливо виготовити размеростабільние конструкції

Причому, різні класи композитів можуть володіти одним або декількома перевагами. Деяких переваг неможливо домогтися одночасно.
Недоліки композиційних матеріалів
Більшість класів композитів (але не всі) мають недоліками:

• висока вартість
• анізотропія властивостей
• підвищена наукоємність виробництва, необхідність спеціального дорогого обладнання та сировини, а отже розвиненого промислового виробництва та наукової бази країни

Методи порошкової металургії широко застосовують у промисловості для отримання металокерамічних, металевих та керамічних композицій. Однак для отримання волокнистих композиційних матеріалів методи порошкової металургії стали використовувати відносно недавно, причому майже всі ці методи - пресування з наступним спіканням, гаряче пресування, екструзія, динамічне ущільнення та ін - виявилися придатними для зазначених цілей, зрозуміло, в залежності від природи складових композиційних матеріалів - матриці і упрочнителя.
У якості вихідних матеріалів використовують металеві або металокерамічні порошки, що утворюють матрицю, і армуючі волокна у вигляді безперервних або дискретних волокон, або у вигляді металевих сіток. Устаткування, що застосовується при виготовленні композиційних матеріалів, як правило, суттєво не відрізняється від устаткування, застосовуваного в порошковій металургії. В основному це різного типу вібраційні столи для ущільнення суміші, преси, печі для спікання та ін
Список літератури:
Лахтін Ю.М. «Матеріалознавство», М.: 1990.
Глембоцькі В. А., Классен В. І., Флотація, М., 1973;
Багдасаров В. Г., Теорія, розрахунок і практика ергазліфта, М.-Л., 1947;
Федорченко І. М., Андрієвський Р. А., Основи порошкової металургії, К., 1961;
Бальшин М. Ю.. Наукові основи порошкової металургії та металургії волокна, М.,
1972;
Кипарисів С. С., Лібенсон Г. А., Порошкова металургія, М., 1972.