Композиционный материал и способ его изготовления

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению композиционных материалов. Композиционный материал содержит оболочку, выполненную из материала с высокой электропроводностью, и сердцевину, полностью охваченную оболочкой. При этом оболочка выполнена из пентагонального микрокристалла в виде трубки, а сердцевина выполнена из высокопрочного нитевидного волокна. Способ изготовления композиционного материала заключается в том, что на индифферентной к осаждаемому материалу электропроводной подложке электроосаждением материала оболочки из электролита получают металлические пентагональные микрокристаллы. Далее к одному из концов выбранного пентагонального кристалла присоединяют проволоку, с другого конца в полость трубки вставляют конец волокна или нитевидного кристалла, который используют в качестве сердцевины композиционного материала. После чего отрывают кристалл от подложки и помещают его в электролит. Затем, используя пентагональный кристалл в качестве катода, осуществляют электроосаждение металла из электролита. Причем в процессе электроосаждения вынимают пентагональный кристалл из электролита со скоростью его роста, формируя оболочку. Технический результат - повышение прочности и износостойкости материала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к металлургической промышленности и может быть применено для получения композиционного материала в виде проволоки микро- и нанодиаметра с электропроводной оболочкой и высокопрочной сердцевиной.

Известен трубчатый композиционный материал, защищенный патентом РФ №2136413 от 25.12. 1998, МКИ 6 В21В 17/00; F16L 9/02; В32В 1/08, содержащий в поперечном сечении, по крайней мере, две подобласти материалов. Металлическая оболочка и сердцевина соединены между собой прокатом, методами порошковой металлургии, экструзией или сваркой взрывом. Этот композиционный материал может быть использован в строительных, машиностроительных и других конструкциях. Его применение позволяет улучшить технологичность изготовления и снизить материалоемкость изделий. Однако этот композиционный материал практически не применим в малогабаритных изделиях, имеющих микроразмеры.

Известен также композиционный материал на основе меди и способ его изготовления (патент РФ №2074898 от 26.06. 1995, МКИ 6 С22С 1/10; 32/00; 9/00; B22F 3/20), который принят за прототип. Композиционный материал по прототипу содержит оболочку, выполненную из меди и сердцевину, полностью охваченную оболочкой. Сердцевина состоит из медной матрицы с равномерно распределенными в ней частицами оксидов алюминия, титана или гафния. При изготовлении композиционного материала по прототипу выплавляют сплав на основе меди, по крайней мере, с одним из упомянутых металлов, получают из этого сплава порошок и окисляют его. Затем помещают этот порошок в оболочку и производят экструзию порошка в оболочке при температуре 700…950°С со степенью вытяжки не менее 10. Композиционный материал по прототипу позволяет существенно увеличить прочность при сохранении высокой электропроводности. Однако этот материал также не обеспечивает возможность изготовления из него малогабаритных деталей, имеющих микроразмеры.

Технический результат изобретения: обеспечения возможности повышения прочности и износостойкости миниатюрных деталей.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый композиционный материал содержит оболочку, выполненную из материала с высокой электропроводностью, и сердцевину, полностью охваченную оболочкой. В отличие от прототипа в качестве оболочки применен пентагональный нано- или микрокристалл в виде трубки, а в качестве сердцевины использовано высокопрочное нитевидное волокно. Оболочка выполнена из меди или серебра, а в качестве сердцевины использовано углеродное или борное, или минеральное волокно, либо нитевидный кристалл высокопрочного металла.

По предлагаемому способу изготовления композиционного материала сердцевину заключают в оболочку. В отличие от способа изготовления композиционного материала по прототипу на индифферентной электропроводной подложке электроосаждением материала оболочки из электролита получают металлические пентагональные нано- или микрокристаллы. Затем выбирают из них пентагональный кристалл в виде трубки. К одному из концов выбранного кристалла присоединяют проволоку. С другого конца в полость трубки вставляют конец волокна или нитевидного кристалла, который используют в качестве сердцевины композиционного материала. Отрывают пентагональный кристалл с присоединенной проволокой и вставленным волокном или нитевидным кристаллом от подложки, после чего, используя проволоку как держатель помещают пентагональный кристалл с вставленным в него волокном или нитевидным кристаллом в электролит. Используя пентагональный кристалл в качестве катода, осуществляют электроосаждение металла из электролита на пентагональный кристалл. В процессе электроосаждения вынимают пентагональный кристалл из электролита со скоростью его роста, формируя оболочку.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать нитевидный композиционный материал, состоящий из электропроводной оболочки, в которую заключена прочная и износостойкая сердцевина. Получаемые по этому способу нити предлагаемого композиционного материала могут иметь диаметр порядка 2…10 мкм и практически неограниченную длину, которая зависит лишь от длины примененного волокна, составляющего сердцевину. Композиционный материал с такими размерами позволяет изготавливать миниатюрные детали типа электрических микроконтактов с высокой прочностью и износостойкостью, а также с хорошими электрическими свойствами, что обеспечит достижение технического эффекта.

Предлагаемый композиционный материал и способ его получения представляют собой группу изобретений, которые объединены одним изобретательским замыслом, и не могут быть применены друг без друга, поскольку предлагаемый композиционный материал не может быть получен иным способом, а предлагаемый способ обеспечивает изготовление только этого композиционного материала. Следовательно, единство изобретения соблюдено.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показано строение предлагаемого композиционного материала, на фиг.2 - пентагональный микрокристалл меди в виде трубки, увеличенный в 14000 раз, на фиг.3 - пентагональный микрокристалл, собранный с держателем и с сердцевиной, на фиг.4 - схема способа получения нити композиционного материала по предлагаемому способу.

Предлагаемый композиционный материал (фиг.1) состоит из оболочки, выполненной из материала с высокой электропроводностью в виде пентагонального (фиг.3) нано- или микрокристалла 1 в виде трубки со сквозным или глухим отверстием 2. Оболочка может быть выполнена из меди или серебра. В качестве сердцевины 3 использовано нитевидное углеродное или борное, или минеральное волокно, либо нитевидный кристалл высокопрочного металла.

При изготовлении предлагаемого композиционного материала на электропроводной подложке электроосаждением из электролита получают металлические пентагональные нано- или микрокристаллы 1. Подложка должна быть индифферентной по отношению к осаждаемому материалу. Из полученных пентагональных нано- и микрокристаллов выбирают кристаллы 1 в виде трубки длиной L и диаметром D со сквозной или глухой полостью диаметром d. К одному из концов выбранного кристалла 1 присоединяют проволоку 5 (фиг.3), например, с помощью конденсаторной контактной сварки или напыления, которую используют как держатель. Диаметр D₁ проволоки 5 и величину нахлестки L₂ выбирают произвольно, исходя из удобства выполнения последующих операций и обеспечения нужной прочности соединения. Рекомендуется соблюдать условие L₂≤0,2…0,5L, где L - длина выбранного пентагонального кристалла 1. При несоблюдении этого условия проволока-держатель 5 при выращивании композиционного материала может контактировать с электролитом 6 (фиг.4), что нарушит процесс образования композиционного материала. С другого конца кристалла 1 в его полость 2 вставляют конец волокна (или нитевидного высокопрочного кристалла), которое используется в качестве сердцевины 3. Диаметр d₁ сердцевины 3 должен быть меньше диаметра d полости 2 пентагонального кристалла 1 на величину, обеспечивающую введение конца сердцевины 3 в полость 2 и удержания его до начала выращивания композиционного материала.

Пентагональный кристалл 1 с присоединенной проволокой 5 и вставленной сердцевиной 3 отрывают от подложки. Используя проволоку 5 как держатель, помещают кристалл 1 в ванну 7 с электролитом 6 и подключают его к источнику тока 8. Используя кристалл 1 в качестве катода, осуществляют электроосаждение на него металла из электролита 6. Кристалл 1 при этом играет роль затравки. В процессе электроосаждения вынимают кристалл 1 из электролита 6 со скоростью V, равной скорости осаждения металла на торец кристалла 1. Пентагональное строение кристалла 1 обусловлено наличием в нем дисклинаций, вызывающих внутренние напряжения. Вследствие этого кристалл 1 приобретает форму трубки. При последующем электроосаждении на кристалл 1 металла из электролита 6 рост кристалла 1 будет продолжаться только с торца. Поэтому электроосажденный металл будет обволакивать сердцевину 3, образуя композиционный материал.

Предлагаемый композиционный материал может быть получен с помощью известных в технике средств и материалов. Известно (Викарчук А.А., Ясников И.С. Структурообразование в наночастицах и кристаллах с пентагональной симметрией, формирующихся при электрокристаллизации металлов. - Тольятти: ТГУ, 2006. - 206 с.), что при электроосаждении из электролита могут быть получены пентагональные кристаллы меди или серебра в виде трубок длиной до 100 мкм и диаметром 2…5 мкм с полостью диаметром 1…2 мкм. Известны также высокопрочные углеродные и борные (Композиционные материалы: Справочник/В.В.Васильев, В.Д.Протасов, В.В.Болотин и др. Под общей ред. В.В.Васильева и Ю.М. Тарнопольского. -М.: Машиностроение, 1990. С.19-20), а также минеральные (Патент РФ №2180317 от 27.06.2001) волокна диаметром 0,5…5,0 мкм, которые можно применить как сердцевину 3 предлагаемого композиционного материала.

Сборку проволоки 5 и сердцевины 3 с кристаллом 1 можно осуществить в камере, например, электронного микроскопа известными манипуляторами, которыми электронный микроскоп оснащается. Соединение проволоки 5 с кристаллом 1 можно произвести разрядом конденсатора, подключенного к подложке, на которой выращен кристалл 1, и к проволоке 5, осуществив известный процесс конденсаторной контактной сварки. Можно также, прижав проволоку 5 к кристаллу 1, нанести на зону стыка известным способом ионно-плазменное покрытие, которое соединит детали. Оторвать кристалл 1, соединенный с проволокой 5 и сердцевиной 3 от подложки можно также с помощью манипуляторов, которыми снабжен микроскоп. Поскольку подложка индифферентна к осаждаемому материалу, то ее связь с выращиваемым на ней кристаллом 1 является слабой адгезионной и отделение кристалла 1 от подложки легко осуществимо. Выращивание кристалла 1, так же как и электроосаждение металла с торца этого кристалла, вокруг сердцевины 3 легко осуществимо в известных гальванических ваннах 7 с помощью источников тока 8. После изготовления предлагаемого композиционного материала удалить проволоку-держатель 5 можно, отрезав ее вместе с частью L₂ кристалла 1 с помощью ионной пушки в камере электронного микроскопа.

Примером применения изобретения может служить изготовление электрических микроконтактов для электронной аппаратуры, которые можно отрезать от изготовленной нити композиционного материала с помощью ионной пушки. Такие контакты при хорошей электропроводности будут иметь более высокую прочность и износостойкость за счет прочной и твердой сердцевины 3 в сочетании с мягкой электропроводной оболочкой. Другим примером применения предлагаемого материала может быть изготовление из него миниатюрных деталей аппаратуры, работающих под большой нагрузкой, например деталей миниатюрных переключающих устройств. Для их изготовления нити предлагаемого композиционного материала могут быть применены целиком или разрезанными на части и помещены в основу, состоящую из пластической массы или легкоплавкого металла, а детали изготовлены из этой, уже армированной, основы, например, с помощью литья или экструзии. В этом случае оболочка предлагаемого композиционного материала обеспечит надежное сцепление с основой, а прочная сердцевина повысит общую прочность и износостойкость изготовленных деталей.

Таким образом, предлагаемый композиционный материал и способ его изготовления обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении прочности и износостойкости изготавливаемых деталей. Композиционный материал, так же, как и способ его изготовления могут быть осуществлены с помощью известных в технике средств и материалов. Следовательно, предлагаемое изобретение обладает промышленной применимостью.

1. Композиционный материал, содержащий оболочку, выполненную из материала с высокой электропроводностью, и сердцевину, полностью охваченную оболочкой, отличающийся тем, что оболочка выполнена из пентагонального микрокристалла в виде трубки, а сердцевина выполнена из высокопрочного нитевидного волокна.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из пентагонального кристалла меди или серебра, а в качестве высокопрочного нитевидного волокна он содержит углеродное или борное, или минеральное волокно либо нитевидный кристалл высокопрочного металла.

3. Способ изготовления композиционного материала по п.1 или 2, при котором на индифферентной к осаждаемому материалу электропроводной подложке электроосаждением материала оболочки из электролита получают металлические пентагональные микрокристаллы, выбирают из них пентагональный кристалл в виде трубки, к одному из концов выбранного кристалла присоединяют проволоку, затем с другого конца в полость трубки вставляют конец волокна или нитевидного кристалла, который используют в качестве сердцевины композиционного материала, отрывают пентагональный кристалл с присоединенной проволокой и вставленным волокном или нитевидным кристаллом от подложки и, используя проволоку как держатель, помещают пентагональный кристалл с вставленным в него волокном или нитевидным кристаллом в электролит, затем, используя пентагональный кристалл в качестве катода, осуществляют электроосаждение металла из электролита на пентагональный кристалл, причем в процессе электроосаждения вынимают пентагональный кристалл из электролита со скоростью его роста, формируя оболочку.