Способ оптимизации эксплуатационных свойств твердого материала

 

Изобретение относится к области теоретического и прикладного материаловедения. Предложен способ оптимизации эксплуатационных свойств твердого материала, который включает проведение технологических мероприятий для изменения эксплуатационных свойств материала. Проводят технологические мероприятия, направленные на изменение плотности, в процессе технологических мероприятий контролируют плотность и процесс ведут до достижения величины плотности в интервале 1,5-5,0 г/см³. При этом дополнительно контролируют удельную теплоемкость и процесс ведут до достижения величины теплоемкости в интервале 0,4-1,2 Дж/(г•К). В результате появляется возможность оптимизировать эксплуатационные свойства твердых материалов с достижением их предельно высоких величин, характерных для конкретных классов твердых материалов. 4 табл., 9 ил.

Изобретение относится к области теоретического и прикладного материаловедения и может быть использовано в различных областях науки и техники в целях создания новых и совершенствования известных твердых материалов с регламентированными эксплуатационными свойствами и их прогнозирования.

Известны способы получения твердых материалов различного типа назначения и состава, обеспечивающие достижение высоких эксплуатационных показателей путем изменения и оптимизации физико-химических параметров процессов (см.: Л. Ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. - М.: Атомиздат, 1975. - 472 С.; Физическое материаловедение в СССР. / История, современное состояние, перспективы развития. - Киев: Наукова Думка. 1986. - 584 С.; Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. - М.: Металлургия. 1989. - 456 С. ; Терлецкий Я.П. Статистическая физика. - М.: Высшая школа, 1994. - 351 С.; Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение. М.: МИСИС. - 1999. - 600 С. ; Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высш. Школа. 2000. - 494 С.).

Контроль производственного процесса проводят в основном по следующим параметрам: температура, давление, массовое соотношение компонентов в системе и др. факторам.

Контроль качества полученных твердых материалов осуществляют по совокупности наиболее важных физических и физико-химических параметров: показателю преломления, прочности, твердости, ползучести, водо-хемостойкости, температуре плавления/размягчения, плотности, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, отношению к различным видам облучения и множеству других показателей.

Все эти показатели качества конечного продукта представлены в общих и специальных источниках информации: энциклопедиях, справочниках, монографиях, учебниках, статьях, патентах (см. Физические величины. Справочник./Под ред. И. С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат. 1991. - 1232 С.; Композиционные материалы. Справочник. / Под общ. Ред. В.В.Васильева. - М.: Машиностроение. 1990. - 510 С.; Конструкционные материалы. Справочник. / Под общ. Ред. Б.Н.Арзамасова. - М.: Машиностроение. 1990. - 688 С.; Справочник по композиционным материалам. / Под ред. Дж.Любина. Пер. с англ. - М.: Машиностроение. 1998. T. 1. - 448 С. и др.).

Однако в известных источниках информации по материаловедению не обнаружено сведений о зависимости большинства эксплуатационных свойств от одного-трех наиболее главных легкоопределяемых статистических параметров, корректировка которых позволяла бы выводить твердые материалы на предельно высокие эксплуатационные свойства в целом.

Известны способы получения различных твердых строительных материалов варьированием состава с последующим измерением плотности. В патенте 2150446, МПК С 04 В 38/08 путем изменения состава полистиролбетонной смеси достигают увеличения предела прочности при сжатии и при изгибе при плотности полистиролбетона 0,85-1,12 г/см³.

Известен способ получения жаростойкого пенобетона, плотность готовых изделий из которого находится в диапазоне 0,3-0,4 г/см³, при этом улучшаются теплоизоляционные свойства при обеспечении прочности (см.: патент 2149853 МПК С 04 В 28/08).

Известен способ получения поликристаллического сверхтвердого материала, включающий смешение органического связующего и частиц сверхтвердого материала, вальцевание смеси для получения листа, имеющего плотность 2,5-2,7 г/см³. (См.: заявка 98106239 МПК В 32 В 31/20).

Известен способ изготовления износостойких токопроводящих композиционных материалов, включающий приготовление формовочной смеси, ее обжиг с последующим насыщением пироуглеродом. Изделия имеют плотность не более 2,2 г/см³. (См.: патент 2150444 МПК С 04 В 35/52).

Известен способ изготовлении особо твердых износостойких материалов, в частности, бронеэлементов, включающий смешивание и формование компонентов смеси и горячее прессование. Плотность достигает 2,53-2,82 г/см³. (См.: патент 2106326 МПК С 04 В 35/563).

Известен способ изготовления радиационно-безопасного газозолобетона, включающий измерение плотности после проведения всех технологических операций, величина которой составляет 1,3 г/см³. (См.: патент 2145585 МПК С 04 В 38/00).

Известен способ изготовления сферических керамических элементов, включающий формование оксида алюминия с последующим измерением твердости (16 МПа) и плотности, равной 95%-99% от теоретической плотности корунда. Но в данном случае измерение плотности не сопровождается ее изменением до оптимальных значений. (См.: заявка 98115716 МПК С 04 В 35/111).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является пример получения алмазосодержащих композиционных материалов конструкционного назначения, сочетающие высокие модули упругости, теплопроводность, малую плотность и другие физико-химические свойства. За счет подбора состава плотность материала достигает величин 3,2-3,4 г/см³. Но при этом не предусмотрено целенаправленное измерение и изменение плотности в целях дальнейшего улучшения свойств материала. (См.: патент 2151126 МПК С 04 В 35/52).

Описанные способы не являются универсальными. Плотность не является критерием для прогнозирования и целенаправленного изменения комплекса эксплуатационных свойств в лучшую, аномально высокую сторону. В описанных способах плотность является не более чем обычной физической константой, характеризующей конечный вид продукта (материала). Измерение плотности здесь является характеристикой состава материала, а не способа управления процессом улучшения свойств материала.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка простого универсального и надежного способа оптимизации эксплуатационных свойств твердых материалов с достижением их предельно высоких величин, характерных для конкретных классов твердых материалов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе оптимизации эксплуатационных свойств твердого материала, включающем проведение технологических мероприятий для изменения эксплуатационных свойств, согласно техническому решению проводят технологические мероприятия, направленные на изменение плотности, в процессе технологических мероприятий контролируют плотность и процесс ведут до достижения величины плотности в интервале 1,5-5,0 г/см³, при этом дополнительно контролируют удельную теплоемкость и процесс ведут до достижения величины теплоемкости в интервале 0,4-1,2 Дж/(г•К).

Изобретение иллюстрируется чертежами фиг.1-9.

На чертежах соответственно представлены зависимости наиболее важных эксплуатационных показателей пределов прочности при сжатии σ_сж (Фиг.1) и растяжении σ_p, (Фиг.2) удельной теплоемкости Ср (Фиг.3), температурного коэффициента линейного расширения α₁ (Фиг.4), тепло-λ (Фиг.5) и электропроводности ρ_v (Фиг. 6), от плотности твердого тела ρ (г/см³), зависимости пределов прочности при сжатии и растяжении от удельной теплоемкости (Фиг.7), зависимость твердости по Бронеллю от плотности (Фиг.8), зависимость скорости распространения звука в продольном направлении от плотности (Фиг.9). Исходные данные для построения графиков на Фиг.1-9 представлены в сводной таблице 1.

Способ осуществляют следующим образом. Измеряют реальную плотность продукта 1 любыми доступными и точными денситометрическими методами (на воздухе, гидростатическим взвешиванием, определением электроемкости, радиометрическим методом и т.п.). Измеренное значение плотности уже служит основанием для предварительного вывода о качестве твердого материала по совокупности его эксплуатационных свойств независимо от природы и способа его получения, то есть уже можно с высокой степенью вероятности прогнозировать, обладает или не обладает этот твердый материал высокими эксплуатационными показателями.

Анализ фиг.1-6, 8, 9 позволяет сделать однозначный вывод о том, что если реальная плотность любого твердого материала находится в области значений от 1,5 до 5,0 см³(1500-5000 кг/м³), то можно ожидать высоких эксплуатационных показателей. Это относится не только к поведению твердых веществ в указанной области плотностей только по представленным на фиг.1-6, 8, 9 показателям, но и к другим эксплуатационным показателям: термостойкость, водостойкость, надежность, долговечность, экологическая безопасность, специфические оптические свойства (показатели преломления, рассеяния, поглощения).

Как следует из фиг.1-6, наиболее высокие эксплуатационные показатели в совокупности различных по природе твердых веществ (алмаз, корунд, бериллий, кварц, оксиды бериллия и магния, ситаллы, карборунд SiC, титановые и литий-алюминиевые сплавы, нитриды бора и алюминия, некоторые специальные стекла, диборид титана, габбродиабазы, алунд) достигают в еще более узкой области плотностей от 3,0 до 4,5 г/см³(3000-4500 кг/м³). Самые высокие (аномальные) эксплуатационные свойства проявляют твердые материалы (карборунд SiC, алмаз С, корунд Аl₂О₃, рубин, сапфир, ситаллы, углеродные волокна, соединения титана бериллия, магния, бора углерода кремния, алюминия, лития, азота и кислорода, особенно при сочетании элементов с малым атомным объемом) в области плотностей от 3,2 до 4,1 г/см³ (3200-4100 кг/м³), то есть в области плотностей 3,2-4,1 г/см³ твердые тела оказывают самое высокое сопротивление любым видам внешнего воздействия.

Анализ патентной и научно-технической информации показал, что последние значения плотностей, при которых достигаются аномально высокие показатели многих эксплуатационных свойств твердых материалов, соизмеримы с плотностью базальта - защитного слоя оболочки Земли (3,25-3,40 г/см), алмаза (3,51 г/см³), муассанита (3,21 г/см³), рубина (3,99 г/см³), сапфира (3,95 г/см), жадеита (3,36 г/см³), дюмортьерита (3,41 г/см³), корунда (3,99 г/см³), то есть твердых каменных материалов, формирование которых в природных неравновесных условиях происходит в поверхностном слое Земли.

Указанные выше и некоторые другие природные и синтетические твердые материалы, имеющие плотность от 3,2 г/см³ до 4,1 г/см³, обладают комплексом уникальных механических, физико-химических, тепловых, электрических, оптических и других эксплуатационных свойств. Этим объясняется повышенный интерес исследователей и технологов к перечисленным веществам. Наличие у этих веществ множества аномально высоких показателей может быть объяснено оптимальным энергетическим балансом сил притяжения-отталкивания между атомами, высокими энергиями связи атомов в молекуле и максимальной компактностью структурной единицы объема вещества.

Однако сущность предлагаемого изобретения состоит вовсе не в том, чтобы дать объяснение явлению скачкообразного изменения (аномального поведения, значительных флуктуаций) эксплуатационных свойств абсолютного большинства твердых изотропных и анизотропных материалов.

Главной задачей предлагаемого изобретения является широкое распространение заявленного способа в производстве новых и совершенствовании существующих твердых материалов с целью обеспечения самого высокого уровня их сопротивления любым видам внешнего воздействия, а также в практике научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ для оптимизации составов и способов изготовления твердых материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Достаточно большой разброс точек на зависимостях важнейших эксплуатационных параметров от плотности (фиг.1-6, 8, 9) является вполне правомерным и означает, что обнаруженная закономерность проявления аномальных свойств имеет статистический обобщенный характер. Отдельные частные эксплуатационные свойства некоторых видом твердых материалов, например композиционных материалов типа КМУ, СВАМ; высокопрочных легированных сталей, титановых, бериллиевых, магниевых, алюминиевых сплавов, могут быть очень высокими. Это не противоречит существу предлагаемого изобретения, которое утверждает, что в области плотностей от 1,5 до 5,0 г/см³ уже наблюдаются некоторые аномальные свойства, в области от 3,0 до 4,5 г/см³ многие эксплуатационные свойства выходят на высокий уровень, а в еще более узкой области от 3,2 до 4,1 г/см³ практически весь комплекс эксплуатационных показателей становится сверхвысоким.

Следует отметить, что в области плотностей твердых материалов менее 1,5 г/см³ (вплоть до ~0) вообще не выявлено каких-либо высоких показателей. Чем ближе мы подходим слева к оптимальной отметке плотности 3,2 г/см³, тем более высоки отдельные эксплуатационные показатели и тем больше этих показателей выходит на аномальные значения. Таким образом, в области 0<ρ<3,2 г/см³ надо искать все возможные способы уплотнения материалов.

Теоретические примеры скачкообразного улучшения всех эксплуатационных свойств в области 0<ρ<3,2, обусловленных уплотнением материала: A) С графит (2,8) --> С алмаз (3,51) Б) Аl мет (2,7) --> нитрид Аl (3,3) --> оксид Аl (3,5) --> рубин (3,99) B) SiO₂ (2,2) --> Si (2,4) --> SiC (3,3) Г) Бетон --> железобетон Д) Стекло (2,2) --> ситалл (2,95) Е) Высокопрочные волокна "Feldmuhle", "Hertel" (Германия) имеют плотность 3,3 г/см³, уникальные волокна "Эльбор" и "ВНИИТС" - 3,45 и 3,96 соответственно.

Ж) Полиэтилен низкой плотности (0,9): - изменение технологического режима процесса --> полиэтилен высокой плотности (0,913-0,950); - введение наполнителей (талька) --> ПЭНП-НТ - композит (1,02-1,06).

При этом основные характеристики полиэтилена заметно улучшаются /Э.Л.Калиничев, М. Б. Саковцева. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий. Справочник. - Л.: Химия - 1987 - 416 с./.

Вместе с тем, при плотностях твердых тел более 5,0 г/см³ эксплуатационные свойства постепенно ухудшается, хотя отдельные показатели могут быть еще высокими (например, особые сорта сталей, бронз, латуней, некоторые оксиды циркония, тория). Приведенные факты также не противоречат сути настоящего изобретения, состоящего в достижении максимума совокупности (множества) эксплуатационных свойств.

Дальнейшее увеличение плотности (уплотнение) вплоть до максимально известных значений 22,61 г/см³ (осмий) не приводит к каким-то аномально высоким эксплуатационным показателям в совокупности. При этом отдельные эксплуатационные свойства могут быть высокими. Например, золото имеет высокую хемостойкость, экологическую чистоту, высокую стоимость, но не обладает прочностью, твердостью. Вольфрам обладает высочайшей температурой плавления, но имеет существенные недостатки по хрупкости, ковкости, коррозии, сублимации. Медь и серебро имеют аномально высокие тепло- и электропроводности, но имеют ряд невысоких эксплуатационных показателей. Примеры можно было бы продолжить.

Можно сделать вывод, что в области плотностей от 4,1 до 22,61 г/см³ целесообразнее проводить систему технологических мероприятий, обеспечивающих разуплотнение (снижение плотности) твердых материалов до предельных значений 3,2-4,1 г/см³ всеми доступными способами.

Примеры улучшения большинства основных свойств твердых материалов в области плотностей от 4,1 до 22,61 1) Чугун (7,9-8,0) --> чистое железо (7,8) --> цементит (7,2-7,5) --> мартенсит (7,0) --> легированные стали (6,0-7,7)
--> высокопрочные стали (5,5-6,7) --> броневая сталь с керамическим наполнителем (4,1)
2) Ti_мет (4,5) --> TiO₂ (4,26) --> Ti сплавы с армирующими волокнами (~) 3,3-3,8 г/см³
3) Золото --> сплавы золота и серебра (например, 583 пробы)
4) Ударопрочная керамика, содержащая карборундовый наполнитель, имеет плотность, сниженную до значений 3,1.

5) Вольфрам (19,3)
- Реакция с углеродом --> W₂C (17,2) карбид вольфрама
- Реакция с углеродом, избыток С --> WC карбид вольфрама --> введение Со в расплав карбида вольфрама --> сплав α-WC с 8% кобальта (14,4) - добавление карбида титана --> суперсплав WC (68%) + TiC (28%) + кобальт (4%) (плотность 9,5-9,8).

Как указано /Химическая энциклопедия т. 1/, по мере химического модифицирования и снижения плотности приобретают новые специфические свойства: твердость, прочность, хемостойкость и др., которыми не обладает металлический вольфрам.

Окисление осмия до OsO₄ приводит к появлению множества важных эксплуатационных свойств, например хемо- и водостойкости, прочности при сжатии и растяжении, специфическим оптическим и акустическим явлениям /Химическая энциклопедия т.4/.

При сплавообразовании на основе осмия появляются новые электрические и механические свойства, позволяющие использовать сплавы в качестве катодов диодов и электрических контактов /там же/.

При этом образуется футеровочное техническое стекло, обладающее комплексом высоких эксплуатационных характеристик /Химическая энциклопедия т. 4/.

.

Полученный материал обладает многими уникальными свойствами, обеспечивающими применение в качестве люминофора, в полупроводниковых устройствах, в приборах с эффектом памяти /Химическая энциклопедия т. 2/.

9) Окон тория (IV) (9,67)
- взаимодействие с оксидами титана, ванадия, ниобия и тантала при 600-800^oС --> ТhТi₂O₆, Тh₃V₄O₁₆, ThNb₄O₁₂, ThTa₄O₁₂ ("тораты");
- взаимодействие с бором при повышенных температурах --> бинарная смесь ТhВ₆ и TiB₄.

Указанные тораты и композит (борид тория + борид титана), имея более низкую плотность по сравнению с оксидом тория, находят гораздо более широкое применение в промышленности в качестве твердых материалов специального назначения, чем исходный оксид тория.

10) Нитрид тантала (13,8) TaN_х (x=0,05)
- дальнейшее азотирование --> Та₃N₅ (9,85);
- совмещение твердых растворов с карбидом титана --> твердые растворы нитрида тантала с карбидами титана TiC и Ti₂C.

И в том и в другом случае образуются твердые материалы меньшей плотности, но более высокой прочности и долговечности при работе в конструкциях космических летательных аппаратов.

Для подтверждения справедливости основного вывода предлагаемого изобретения о существовании узкой области плотностей, при которых твердые вещества приобретают множество аномально высоких свойств, приведем примеры экспериментального выполнения предлагаемого способа.

Пример 1. Высокодисперсные горючие сланцы имеют плотность 1,22-1,36 г/см³. В прессованном состоянии под давлением 150 МПа при комнатной температуре плотность сланцев - 1,53-1,66 г/см³. Образцы имели малую прочность и быстро размокали в воде. В результате прессования порошков сланцев различных месторождений при условиях, запатентованных автором в патенте 2074237 МПК С 10 L 5/16, плотность сланцевых композитов возрастала до значений 2,0-2,2 г/см³, при этом все определяемые свойства - предел прочности при сжатии, водопоглощение (25^oС, 24 ч) - заметно улучшались и составляли соответственно 68-87 МПа и 0,9-1,2%. Другие параметры также улучшались. Так, по мере увеличения плотности достигаются все более высокие эксплуатационные показатели.

Пример 2. Объемная масса (плотность) древесных отходов составляет 0,4-0,6 г/см³, прессованных древесных материалов давлением 150 МПа при комнатной температуре - 0,95-0,99 г/см³, а при высокой температуре, по нашему патенту 2041827 МПК В 32 В 21/00, 1,13-1,15 г/см³ с одновременным возрастанием прочности при изгибе до 12,3-14,7 МПа и снижением влаго- и водопоглощения до значений 1,35 и 5,4% соответственно. При этом предел прочности при сжатии образцов возрастал с 4,5 МПа до 32,5 МПа.

Пример 3. Уплотнение формового эбонита с 1,29 до 1,33 г/см³ при введении в композицию натурального горючего сланца (наш патент 2125065 МПК С 08 L 9/00) сопровождается увеличением прочности с 29,0 до 36-39 МПа при одинаковых условиях его получения.

Пример 4. Стеновые блоки на основе фосфогипса при плотностях от 2,12 до 2,16 г/см³ имеют низкую прочность при сжатии, как правило, 3,5-5,5 МПа. В результате увеличения плотности до 2,3-2,43 г/см³ путем использования кондиционированного в естественных условиях фосфогипса и подпрессовки предел прочности при сжатии стеновых блоков достигает 37-39 МПа, а коэффициент водостойкости 8,8-0,96. (См. : Решетов В.А., Мартынов B.C., Панарина Т.В. Химические кондиционирование фосфогипса. - В Сб. трудов конф. "Современные технологии очистки воздушной среды. - Саратов. СГУ. 1992. - C. 74).

Пример 5. В нашей статье /Панарина Т.Ф., Добромиров А.Б., Решетов В.А. и др. "Разработка рецептур бессвинцовых нефриттованных легкоплавких глазурей" - Труды VI регион. конф. "Проблемы химии и химической технологии". - Воронеж, ВГУ, 1998. Т. 2. стр. 175-178./ приведены важнейшие эксплуатационные показатели трех вариантов глазури для покрытий керамических изделий (см. табл. 2). Глазурь 3-10 (бордо) с добавкой оксида марганца (III) плотностью 3,67 г/см³ обладала более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с глазурями 5-9-7-1 (голубая) с добавкой соединений меди (II) плотностью 2,55 г/см³ и 10-1 (зеленая) плотностью 2,08 г/см³. Глазурь 3-10 применяется на АО "Строймаш" при производстве декоративной керамики.

Пример 6. В нашем патенте 2085565 С 09 С 1/40 Способ получения перламутрового пигмента /Решетов В.А. Полубаринова Л.И., Клейменов В.В./ приведены экспериментальные данные о свойствах пигмента из слюды-мусковита (табл. 3).

Слюда-мусковит, обработанная при 1000^oС, плотностью 3,02 г/см³ имеет гораздо лучшие декоративные и функциональные характеристики по сравнению с исходным материалом, имеющим плотность 2,73 г/см³, что подтверждает эффективность предложенного способа. Перламутровый пигмент опытными партиями выпускается предприятием АО "Лакокраска" (г. Саратов). Кстати, модифицирование мусковита оксидом титана (IV) с последующим отжигом приводит к еще более существенному улучшению физико-химических и декоративных свойств пигмента. При этом плотность бинарной системы мусковит-диоксид титана выше плотности индивидуального мусковита.

Пример 7. В пашей статье (Древко И. Б., Решетов В.А., Карпова Н.Н. "Оптимизация температурно-временных режимов процессов получения и составов теплоизоляционных материалов на основе жидкостекольных (ЖС) композиций" - V академические чтения. "Современные проблемы строительного материаловедения" - Воронеж, ВГУ, 1999. стр. 117-118.) опубликованы результаты экспериментальных исследований зависимости прочности и пористости материалов от плотности (табл. 4).

Как следует из приведенных примеров табл. 3, по мере увеличения плотности закономерно повышается прочность и степень монолитности теплоизоляционных материалов. Экспериментально доказан также рост коэффициента теплопроводности, водо- и морозостойкости с ростом плотности. Пример весьма убедительный для доказательства справедливости формулы изобретения. Указанные системы применяются на АО "Саратовский завод строительных материалов".

Пример 8. В лаборатории композиционных материалов СГУ, которой руководит автор заявляемого изобретения, получена четкая корреляционная зависимость предела прочности при растяжении от плотности прессованных стеклопластиков на основе эпоксидной смолы К-153 и стеклоткани Т-10 (табл. 4). Установлено, что при увеличении плотности до значений 1,82 г/см³ прочностные параметры значительно повышаются. На данном этапе работ удалось достигнуть очень высоких значений σ_p= 850 МПа. При этом стандартный композит "АПАТЕК", имеющий плотность 1,69, обладал прочностью при растяжении 490 МПа, а отвержденая смола при плотности 1,15 имела прочность всего 17,6 МПа. С ростом плотности заметно улучшаются и другие характеристики (прочность при изгибе, хемосточкость). Эти лабораторные данные согласуются с литературными сведениями /В.А.Бунаков и др. Армированные пластики. - М.: МАИ - 1997 - 404 с./.

Анализ фиг.3, отражающей зависимость удельной теплоемкости от плотности, позволил сделать вывод о существовании четкой гиперболической зависимости между этими параметрами. В связи с этим контроль процесса получения твердых материалов и прогнозирования их свойств можно вести не только по плотности, но и по параметру удельной теплоемкости. В качестве примера на фиг.7 изображены зависимости пределов прочности при сжатии и растяжении от удельной теплоемкости. Как видно из этих примеров, высокие прочностные свойства твердых материалов достигаются, как правило, в области удельных теплоемкостей от 0,4 до 1,2 Дж/(г•К), а аномально высокие - от 0,5 до 0,8 Дж/(г•К). В этих пределах теплоемкости наблюдаются улучшение и других эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной задачи могут быть проведены следующие технологические мероприятия, направленные на изменение плотности (удельной теплоемкости):
- Полиморфное превращение одной модификации твердого вещества в другую при соответствующих давлениях и температурах.

- Механическое уплотнение исходного вещества (прессование, тромбование, усадка) или его разуплотнение (холодная вытяжка прокатка, перевод из кристаллического состояния в аморфное состояние, отпуск и др.) до заявляемых значений плотности.

- Термическое воздействие на исходные материалы (см. вышеуказанные примеры).

- Легирование металлов: а) легкими элементами в случае модифицирования тяжелых металлов; б) тяжелыми элементами в случае модифицирования легких металлов.

- Химическое модифицирование исходных твердых материалов (окисление, восстановление, азотирование, силикатизация, карбидизация и др. методы) с образованием новых химических веществ - дальтонидов и бертоллидов.

- Совмещение твердых материалов с жесткими полимерами, органическими и неорганическими матрицами, различными наполнителями, добавками и дальнейшее отверждение с получением гибридных композиционных материалов.

- Получение материалов из газовой фазы и плазменного состояния.

- Очистка веществ от нежелательных примесей путем проведения ДС (десублимация - сублимация) - процесса, рекристаллизации, перекристаллизации, переплавки, выращивания монокристаллов в специальных условиях, электрохимического осаждения материалов.

- Создание новых материалов современными методами: самораспространяющийся высокотемпературный синтез /Е.А.Левашов и др. Физико-химические и технологические основы СВТС. - М.: Изд. БИНОМ - 1999 - 176 с./, аморфизация /Ю. П.Солнцев и др. Материаловедение. - М.: МИСИС - 1999 - 600 с./.

Некоторые из предлагаемых методов легко реализуются при нормальных условиях; другие требуют изменения Т, Р, V, теплоизоляции, ионизирующего и светового облучения; есть новые методы, которые еще только разрабатываются. Возможно, есть и новые способы. Важно одно - достижение оптимальных значений плотности (уд. теплоемкости) является необходимым условием получения многофункциональных твердых материалов с комплексом высоких эксплуатационных показателей.

Главные достоинства предлагаемого способа
1. Настоящее изобретение распространяется на любые виды твердых материалов, независимо от их химической природы, способа изготовления, степени анизотропности и других условий, то есть является универсальным.

2. Вероятность достижения положительного результата по совокупности эксплуатационных свойств при практическом использовании данного способа является очень высокой (особенно в интервале плотностей от 3,2 до 4,1 г/см³ и теплоемкости в интервале от 1,0 до 0,5-0,9 Дж/(г•K)). Это подтверждается вышеперечисленными теоретическими и экспериментальными примерами.

3. Оптимизация твердых материалов по плотности (и/или теплоемкости) позволяет получить или прогнозировать получение новых твердых материалов с самым лучшим комплексом эксплуатационных свойств, а не только с заданными конкретными свойствами.

4. Способ предельно прост и доступен. Любые денсиметрические (калориметрические) методы вполне приемлемы для действия предлагаемого изобретения. Чем выше точность измерения плотности (теплоемкости), тем выше вероятность достижения положительного результата в поиске новых веществ.

5. Способ обеспечивает простор для научного творчества в плане совершенствования известных и в создании новых способов получения твердых тел.

6. Способ позволяет прогнозировать создание совершенно новых твердых изотропных и анизотропных материалов путем вариации составом исходных композиций. Можно предположить, что определенные успехи могут быть достигнуты при сочетании веществ, содержащих элементы с малым атомным объемом (Si, С, Al, В, N, Р, Be, Мg, О, Li, Н, Sc, Ti) и очень большим атомным объемом (например, Pt, Au, Os, Ir, Pd, W) для формования монолитных веществ с оптимальной объемной атомной упаковкой. Помимо этого успех, по всей видимости, можно прогнозировать в области исследования керамических материалов, содержащих тяжелые металлы и легкие неметаллы (кислород, кремний, азот, бор, фосфор, фтор, водород). В области композиционных материалов можно прогнозировать эффективное применение заявляемого способа при использовании легких матриц и тяжелых наполнителей, плотных матриц и легких наполнителей и т.д.

Формула изобретения

Способ оптимизации эксплуатационных свойств твердого материала, включающий проведение технологических мероприятий для изменения эксплуатационных свойств, отличающийся тем, что проводят технологические мероприятия, направленные на изменение плотности, в процессе технологических мероприятий контролируют плотность и процесс ведут до достижения величины плотности в интервале 1,5-5,0 г/см³, при этом дополнительно контролируют удельную теплоемкость и процесс ведут до достижения величины теплоемкости в интервале 0,4-1,2 Дж/(г•К).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.05.2007

Извещение опубликовано: 10.05.2007        БИ: 13/2007