Композиционный материал

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов. Может применяться в автомобилестроении, электронике и т.д. Композиционный материал содержит матрицу и соединение бора. При этом соединение бора соответствует общей формуле KatBX₄, где Kat - катион металла или ониевый катион, В - бор, Х - водород или галоген, n=6-12, m=6-12, причем m не может превышать n, или KatЭB_nX_m, где Э - р- или d-элемент, n=6-12, m=6-12, причем m может превышать n не более чем на 1. Содержание соединения бора в матрице составляет 15-50 об.%. Техническим результатом является уменьшение веса композиционного материала при сохранении высоких эксплуатационных характеристик. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к новым материалам неорганической химии. Данный материал может применяться в различных отраслях техники, например в автомобилестроении, электронике и др.

Известны композиционные материалы, состоящие из алюминиевой матрицы и наполнителя в виде порошка карбида кремния [Axel Kolsgaard, Stig Brusethaug Settling of SiC particles in an AlSi₇Mg melt. Materials Science and Engineering. 1993, A 173, P.213-219]. Однако такой композиционный материал обладает сравнительно высокой плотностью (у композиционного материала плотность равна 2,9 г/см³, а у матрицы 2,8 г/см³) и, следовательно, весом.

Наиболее близким техническим решением является композиционный материал, содержащий алюминиевую матрицу и наполнитель из карбида бора [К.Т.Ramesh and G. Ravichandran, "Dynamic Behavior of a Boron Carbide-Aluminum Cermet: Experiments and Observations," Mechanics of Materials, 1990, v 10, p.19-29] (прототип). Такой композиционный материал обладает повышенной прочностью и повышенной износостойкостью по сравнению с обычным алюминиевым сплавом, его вес несколько ниже, чем композиционный материал с наполнителем из карбида кремния, но такой материал также обладает достаточно высокой плотностью (у композиционного материала плотность равна 2,75 г/см³, а у матрицы 2,8 г/см), что ограничивает его применение.

Техническим результатом является получение композиционного материала, обладающего низкой плотностью при сохранении высоких эксплуатационных, например прочностных, характеристик.

Технический результат достигается тем, что предложен композиционный материал, содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, отличающийся тем, что соединение бора содержит тетрагидро- или тетрагалогенборатный анион и имеет формулу KatBX₄, где Kat- катион металла или ониевый катион, В - бор, Х - водород или галоген, при этом объемное содержание бора в матрице составляет 15-50%.

Возможно, что композиционный материал в качестве соединения бора содержит KBF₄

Возможно, что матрица композиционного материала выполнена из металла или сплава, выбранного из ряда: алюминий, магний, медь и их сплавы.

Технический результат также достигается тем, что предложен композиционный материал, содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, отличающийся тем, что соединение бора представляет собой кластер и имеет формулу

KatЭB_nX_m, где Kat - катион металла или ониевый катион, Э - р- или d-элемент, В - бор, X - водород или галоген, n=6-12, m=6-12, причем m может превышать n не более чем на 1, при этом объемное содержание соединения бора в матрице составляет 15-50%.

Возможно, что композиционный материал в качестве соединения бора содержит [(СН₃)₄Н]CuB₁₀Н₁₀ или [(CH₃)₄N]CB₁₁H₁₂.

Возможно, что матрица композиционного материала выполнена из металла или сплава, выбранного из ряда: алюминий, магний, медь и их сплавы.

Предлагаемый композиционный материал отличается от известных технических решений тем, что наполнитель выполнен из соединения бора с водородом или галогеном. Соединения бора с водородом или галогеном обладают чрезвычайно низкой плотностью (вплоть до 1,3 г/см³) при рабочей температуре до 700°С. Плотность алюминия равняется приблизительно 2,8 г/см³. Это означает, что композиционный материал из алюминия и из соединения бора с водородом или галогеном может обладать плотностью порядка 2 г/см³ при 50% (объемном) содержании наполнителя. То есть изготовление композиционного материала с наполнителем из соединения бора с водородом или галогеном позволит снизить вес изделий. При этом прочностные характеристики сохраняются на прежнем уровне или увеличиваются.

Предлагаемый композиционный материал может содержать в качестве наполнителя соединение тетрагидро- или тетрагалогенборатного аниона и иметь формулу KatBX₄, где Kat - катион металла или ониевый катион, В - бор, Х - водород или галоген.

Среди ониевых катионов предпочтителен катион тетраалкил- или тетрафенилфосфония; либо катион моно-, ди-, три- или тетраалкиламмония.

Наличие кластерного фрагмента из 6-12 атомов бора приводит к существенному снижению плотности соединений этого класса, которая может составлять 1,3-2,7 г/см³. Плотность зависит от типа катиона и принимает наименьшие значения в случае крупных органических катионов, таких как катион тетраалкил- или тетрафенилфосфония. Кластерная структура обеспечивает также и повышенную термостойкость и высокую химическую стабильность соединений этого рода.

Предлагаемый композиционный материал может содержать в качестве наполнителя кластерное соединение бора согласно формуле КаtЭВ_nХ_m, где Kat - катион металла или ониевый катион, Э - р- или d-элемент, В - бор, Х - водород или галоген, n=6-12, m=6-12, причем m может превышать n не более чем на 1.

Введение гетероатома в кластер бора (Э) позволяет снизить заряд, т.е. уменьшить и число необходимых противоионов до одного, и, как следствие, снизить плотность соединений до 1,3-1,7 г/см³. При этом прочностные характеристики остаются на прежнем уровне или увеличиваются.

В качестве матрицы целесообразно использовать материал, выбранный из ряда: алюминий или алюминиевый сплав, магний или магниевый сплав, медь или медный сплав, сталь, в том числе - нержавеющая, ниобий или ниобиевый сплав, молибден или молибденовый сплав, вольфрам или вольфрамовый сплав.

Алюминий или алюминиевый сплав является наиболее предпочтительным конструкционным материалом с низкой плотностью. Снижение веса является актуальной задачей. Предложенное решение позволит решить эту задачу. Эксперименты показали возможность получения композиционного материала с высокой адгезией между компонентами.

Магний является вторым после алюминия конструкционным материалом с низкой плотностью, имеющим широкое распространение. Снижение веса и здесь является актуальной задачей материаловедения. Предложенное техническое решение позволит получить композиционные материалы с высоким сцеплением между компонентами.

Медь является одним из основных электропроводящих материалов. Однако его высокая плотность сдерживает его применение во многих отраслях техники, например в транспортных средствах. Применение предлагаемого композиционного материала позволяет снизить вес изделий.

Предлагаемый композиционный материал возможно получать несколькими способами, например методом механического сплавления или перемешиванием компонентов в нано-размерном состоянии с последующим компактированием, например динамическим компактированием или прессованием по различным технологическим схемам.

Достижение цели изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Композиционный материал содержит в качестве матрицы алюминиевый сплав Д16, а в качестве наполнителя кластерное соединение бора [(CH₃)₄N]CuB₁₀H₁₀. В объемном отношении наполнитель составляет 20%. Плотность композиционного материала составила 2,45 г/см³ (плотность материала матрицы 2,8 г/см³). Размер частиц в материале составлял от 50 нм до 1 мкм. Предел прочности материала матрицы составлял 180 МПа, предел прочности композиционного материала составлял 190 МПа. Композиционный материал получили механическим сплавлением и последующим прессованием.

Пример 2

Композиционный материал содержит в качестве матрицы магниевый сплав МА8Цч, а в качестве наполнителя KBF₄. В объемном отношении наполнитель составляет 40%. Плотность композиционного материала составила 1,6 г/см (плотность материала матрицы 1,8 г/см³).

Пример 3

Композиционный материал содержит в качестве матрицы медь марки М0, а в качестве наполнителя [(C₂H₅)₄N]CB₁₁H₁₂. В объемном отношении наполнитель составляет 50%. Плотность композиционного материала составила 5,1 г/см³ (плотность матрицы 8,92 г/см³). Предел прочности матрицы составлял 300 МПа, предел прочности композиционного материала составлял 340 МПа. Композиционный материал получили механическим сплавлением в среде аргона и последующим теплым прессованием.

1. Композиционный материал, содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, отличающийся тем, что соединение бора содержит тетрагидро- или тетрагалогенборатный анион и имеет формулу

KatBX₄,

где Kat - катион металла или ониевый катион, В - бор, Х - водород или галоген, при этом объемное содержание соединения бора в матрице составляет 15-50%.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения бора материал содержит KBF₄,

3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что матрица выполнена из металла или сплава, выбранного из ряда: алюминий, магний, медь и их сплавы.

4. Композиционный материал, содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, отличающийся тем, что соединение бора представляет собой кластер и имеет формулу

KatЭB_nX_m,

где Kat - катион металла или ониевый катион, Э - р- или d-элемент, В - бор, Х - водород или галоген, n=6-12, m=6-12, причем m может превышать n не более чем на 1, при этом объемное содержание соединения бора в матрице составляет 15-50%.

5. Композиционный материал по п.4, отличающийся тем, что в качестве соединения бора материал содержит [(CH₃)₄N]CuB₁₀H₁₀ или [(СН₃)₄N]СВ₁₁Н₁₂.

6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что матрица выполнена из металла или сплава, выбранного из ряда: алюминий, магний, медь и их сплавы.