Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или разрабатываемые материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, особенно высокотехнологичных и развивающихся отраслей.

В этой статье дается краткое представление о некоторых из этих инновационных инженерных материалов.

1. Оптические волокна

Оптические волокна

Оптические волокна, сокращенно ВОЛС, - это оптические волокна, используемые для передачи световой информации. В качестве среды для передачи световых волн типичные волокна состоят из сердцевины с высоким коэффициентом преломления и оболочки с более низким коэффициентом преломления. В практических приложениях сотни или даже тысячи волокон объединяются в определенный тип кабельной структуры.

Для передачи данных на большие расстояния требуются оптические повторители, которые восстанавливают постепенно уменьшающиеся световые сигналы во время передачи. Две основные характеристики оптического волокна - световые потери и пропускная способность; первая определяет расстояние передачи, а вторая - информационную емкость.

В настоящее время разработка оптических волокон направлена на увеличение расстояния без повторителей, снижение потерь и продвижение к сверхдлинным длинам волн и сверхшироким частотным диапазонам. Ниже перечислены некоторые типы оптических волокон, которые были разработаны и используются:

(1) Кварцевые волокна

В настоящее время коммуникационные волокна в основном состоят из высокочистого плавленого кварцевого стекла. Кварцевые волокна химически стабильны, имеют малый коэффициент расширения, отличную долговременную надежность и богатые ресурсы. Однако они несколько хрупки, и дальнейшее снижение потерь света ограничено.

(2) Пластиковые волокна

Материалом для сердцевины пластиковых волокон может служить полиметилметакрилат (ПММА) и полистирол (ПС), а материалом для покрытия волокон - фторполимер в ПММА или материал ПММА в ПС. Пластиковые волокна имеют множество преимуществ, таких как отличная гибкость, высокая устойчивость к разрывам, малый вес, низкая стоимость и простота обработки.

Однако из-за высоких потерь при передаче информации их применение в основном сосредоточено на передаче энергии и изображений на короткие расстояния.

(3) Волокна из сульфидных соединений

Наиболее типичным стекловолокном с сульфидным соединением является система As-S, которая имеет высокую температуру плавления и хорошо поддается обработке.

(4) Волокна из галоидных кристаллов

К галоидным кристаллическим волокнам относятся монокристаллические CsBr и CrI, поликристаллические TiBrI и другие. Кристаллические волокна демонстрируют низкие потери в широком диапазоне длин волн от 1 до 10 мкм и могут быть использованы для передачи сигнала газового лазера CO.

(5) Фтористое стекло

Среди перспективных материалов для инфракрасных волокон со сверхнизкими потерями, которые изучаются в настоящее время, - фтористо-циркониевое (гафниевое) силикатное стекло, фтористо-алюминатное стекло и фтористое стекло, состоящее в основном из оксида тория и фторидов редких земель.

Среди них циркониевое (гафниевое) силикатное стекло считается наиболее перспективным материалом для длинноволновых волокон связи, обладающим такими характеристиками, как широкий диапазон длин волн, низкая дисперсия и хорошая технологичность.

Оптические волокна могут использоваться для передачи компьютерной информации, позволяя создавать гибкие, высокоскоростные, крупномасштабные компьютерные сети для поиска данных, операций с банковскими счетами, фьючерсными контрактами и, возможно, передачи голографических изображений на большие расстояния. Кроме того, они могут использоваться для передачи высокоинтенсивного лазерного излучения и производства оптоволоконных датчиков, а также для других целей.

2. Сверхпроводящие материалы

Сверхпроводящие материалы

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг Оннес обнаружил внезапное исчезновение сопротивления в ртути при температуре жидкого азота, 4,2 К. Это явление известно как сверхпроводимость, а материалы, демонстрирующие его, называются сверхпроводниками.

Состояние, когда сверхпроводник переходит в нулевое сопротивление, называется сверхпроводящим. Температура, при которой возникает сверхпроводимость, определяется как критическая температура, обозначаемая T, и измеряется в Кельвинах (K), термодинамической шкале температур.

Позже было обнаружено, что если сверхпроводник охлаждать в магнитном поле, то в точке, где сопротивление материала исчезает, линии магнитного поля выходят из проводника - явление, известное как идеальный диамагнетизм или эффект Мейсснера. Сверхпроводимость и диамагнетизм - две основные характеристики сверхпроводников.

Сверхпроводящие материалы находят применение в различных областях, включая энергетику, транспорт, информацию, фундаментальную науку и здравоохранение. Например, в энергетических системах сверхпроводящие накопители энергии на сегодняшний день являются наиболее эффективным методом хранения, а использование сверхпроводящей передачи позволяет значительно сократить потери электроэнергии.

Сверхпроводящие магниты, обладающие высоким магнитным полем, низкими потерями энергии и малым весом, могут использоваться для магнитогидродинамической генерации энергии, напрямую преобразуя тепловую энергию в электрическую и значительно увеличивая выходную мощность генераторов.

Использование сверхпроводящего туннелирования позволяет создавать различные устройства, характеризующиеся высокой чувствительностью, низким уровнем шума, быстрым откликом и малыми потерями, подходящие для обнаружения электромагнитных волн и способствующие практическому применению технологий точных измерений и испытаний. В вычислительной технике компьютеры на джозефсоновских переходах из сверхпроводящих материалов могут выполнять десять высокоскоростных вычислений в секунду, имея при этом небольшие размеры и большую мощность.

Эффект магнитной левитации, возникающий при взаимодействии сверхпроводников с магнитными полями, может быть использован для создания сверхпроводящих поездов "маглев". Кроме того, мощные магнитные поля, создаваемые сверхпроводниками, можно использовать в управляемых термоядерных реакциях.

3. Материалы для демпфирования вибрации

Вибродемпфирующие сплавы - это функциональные материалы, обладающие способностью гасить вибрации при сохранении необходимой прочности конструкции. Это сплавы с высоким внутренним трением, обеспечивающие быстрое затухание колебаний. В зависимости от механизмов демпфирования вибродемпфирующие сплавы можно разделить на многофазные, ферромагнитные, твиннинговые и дислокационные.

(1) Многофазные сплавы

Многофазные сплавы состоят из двух или более фаз, как правило, с более мягкой второй фазой, распределенной по более твердой матрице. Они используют повторяющуюся пластическую деформацию второй фазы в сплаве для преобразования энергии колебаний в тепло трения для демпфирования.

Серый чугун с чешуйчатым графитом - самый распространенный многофазный демпфирующий сплав, обычно используемый для станин станков, коленчатых валов, кулачков и т. д. Сплав Al-Zn - еще один типичный многофазный демпфирующий сплав, используемый в таких устройствах, как стереоусилители.

(2) Ферромагнитные сплавы

Эти сплавы используют магнитострикцию ферромагнитных материалов, а также вращение и движение магнитных доменов при вибрации для расходования энергии колебаний на демпфирование. Хромистая сталь с содержанием хрома 12% и сплавы на основе Fe-Cr-Al являются примерами ферромагнитных демпфирующих сплавов, используемых в лопатках паровых турбин, шестернях точных приборов и т.д.

(3) Сплавы для двойникования

Сплавы с двойникованием используют образование тонких двойниковых структур при фазовом переходе, поглощая энергию колебаний за счет движения границ зерен двойникования. Например, недавно разработанный в Японии сплав Mn-Cu-Ni-Fe может вдвое уменьшить амплитуду вибрации, что подходит для деталей двигателей, корпусов моторов, деталей стиральных машин и так далее.

(4) Дислокационные сплавы

Дислокационные сплавы поглощают колебательную энергию за счет взаимных колебаний между дислокациями и междоузельными атомами. Сплав Mg-Zr (wZrСплав =6%), например, используется в гирокомпасах для наведения ракет и в стойках точных приборов, таких как контрольные устройства, обеспечивая их нормальную работу.

Сплав Mg-MgNi обладает не только превосходными демпфирующими свойствами, но и высокой прочностью и низкой плотностью, что делает его отличным вибродемпфирующим материалом для аэрокосмической промышленности.

4. Низкотемпературные материалы

Низкотемпературные материалы

Наиболее опасным видом разрушения материалов при низких температурах является низкотемпературное хрупкое разрушение. Поэтому материалы, работающие при низких температурах, должны обладать отличной низкотемпературной вязкостью. Кроме того, для предотвращения тепловой деформации, вызванной изменением температуры от комнатной до низкой, эти материалы должны обладать меньшим коэффициентом теплового расширения и хорошей обрабатываемостью.

Материалы, используемые в магнитных полях при низких температурах, как правило, должны быть немагнитными. К низкотемпературным металлическим материалам в основном относятся низколегированная ферритная сталь, аустенитная нержавеющая сталь, никелевая сталь, дуплексная сталь, суперсплавы на основе железа и никеля, алюминиевые сплавы, медные сплавы, титановые сплавы и так далее.

Исходя из различных температур использования, широко применяемые низкотемпературные материалы можно условно разделить на следующие три категории:

(1) Материалы для от -40 до -100℃: Низкотемпературные материалы, используемые в этом температурном диапазоне, в основном, низкоуглеродистая и низколегированная сталь, например, легированная сталь с 3.5% wNi, и алюминизированная низкоуглеродистая марганцевая сталь 06MnVAl, самая низкая температура использования которой составляет -130℃.

В основном они используются в нефтехимической промышленности, холодильном оборудовании, инженерных сооружениях в холодных регионах, газопроводах, низкотемпературных компрессорах, насосах и клапанах.

(2) Материалы для температур от -160 до -196℃: Низкотемпературные материалы, используемые в этом температурном диапазоне, предназначены в основном для производства сжиженного природного газа и кислорода.

К ним относятся аустенитная нержавеющая сталь 18-8, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, но меньшей прочностью и большим коэффициентом расширения; низкотемпературная сталь на основе никеля, например, сталь с 9% wNi (wc<0,1%), Ni (wNi=5%) -Mo (wМо=0,2%), которые обладают высокой прочностью, хорошей низкотемпературной вязкостью, надежной свариваемостью и находят все большее применение; высокомарганцовистая аустенитная сталь 20Mn23Al, алюминиевый сплав 5083 и др.

(3) Материалы для сверхнизких температур от -253 до -269℃: Эти типы материалов в основном используются для производства контейнеров для хранения и транспортировки жидкого водорода и жидкого хлора, а также деталей в сверхпроводящих устройствах с сильными магнитными полями.

К разработанным и исследуемым сплавам для сверхнизких температур относятся, прежде всего, аустенитная нержавеющая сталь для сверхнизких температур, полученная добавлением углерода и азота к основе из нержавеющей стали типа 18-8; высокомарганцевая аустенитная нержавеющая сталь 15Mn26Al4; Ni (wNi=12%) -Ti (wTi=0,25%), Ni (wNi=13%) -Mo (WМо=3%) стали и сплавов на основе Ni.

5. Материалы с памятью формы

Материалы с памятью формы

В отличие от обычных материалов, отличительной особенностью материалов с памятью формы является то, что они сохраняют свою деформацию при приложении напряжения при низких температурах и не исчезают после снятия напряжения. Однако при нагревании выше определенной критической температуры материал может полностью восстановить свою геометрическую форму до деформации, как будто он помнит свою первоначальную форму.

Это явление известно как эффект памяти формы. Материалы, обладающие этим эффектом, называются материалами с памятью формы. Металлические и керамические материалы с памятью формы проявляют эффект памяти формы за счет мартенситного фазового превращения, а полимерные материалы с памятью формы проявляют этот эффект за счет изменения цепной структуры при изменении температуры.

Материалы с памятью формы - это, прежде всего, сплавы с памятью формы, которых в настоящее время насчитывается несколько десятков. Их можно условно разделить на:

1) Никель-титановые сплавы (Ni-Ti): Состоящие из никеля и титана в атомном соотношении 1:1, эти сплавы обладают превосходным эффектом памяти формы, высокой жаропрочностью, коррозионной стойкостью, прочностью и беспрецедентной термоусталостной прочностью, а также отличной биосовместимостью. Однако высокая стоимость сырья и сложные технологические процессы делают их дорогими и сложными в обработке.

2) На основе меди: Сплавы на основе меди недороги, просты в производстве, обладают хорошим эффектом памяти формы, низким удельным сопротивлением и хорошей обрабатываемостью. Однако скорость восстановления формы снижается при длительном или многократном использовании, что является проблемой, требующей решения. Наиболее практичными сплавами на основе меди являются Cu-Zn-Al, а также Cu-Al-Mn и Cu-Al-Ni.

3) На основе железа: Сплавы с памятью формы на основе железа обладают высокой прочностью, хорошей пластичностью, недороги и постепенно завоевывают все большее внимание. В настоящее время разрабатываются и исследуются сплавы с памятью формы на основе железа, в основном Fe-Mn-Si и Fe-N-Co-Ti.

Недавно эффект памяти формы был обнаружен в керамических, полимерных и сверхпроводящих материалах, каждый из которых обладает своими уникальными характеристиками, что еще больше расширяет перспективы применения материалов с памятью.

Материалы с памятью формы нашли широкое применение в авиации, аэрокосмической промышленности, машиностроении, электронике, энергетике, медицине и повседневной жизни. Например, американская авиационная компания использовала эффект памяти формы для решения проблемы соединения трудносвариваемых масляных труб на истребителе F-14.

6. Материалы для хранения водорода

Материалы для хранения водорода

Водород, как источник энергии, не загрязняющий окружающую среду и в изобилии имеющийся на Земле, должен стать основным источником энергии в будущем. Однако хранение водорода представляет собой серьезную проблему. Функциональный материал, способный поглощать и хранить водород в виде гидридов металлов и высвобождать его при необходимости, называется материалом для хранения водорода.

Материалы для хранения водорода поглощают водород, образуя гидриды металлов, и выделяют тепло при охлаждении или разгерметизации. И наоборот, они превращаются в металл и водород, выделяя газообразный водород и поглощая тепло при нагревании или разгерметизации. Плотность водорода в материалах для хранения водорода в 1000-1300 раз превышает плотность газообразного водорода.

В настоящее время основными изучаемыми и разрабатываемыми материалами для хранения водорода являются:

На основе магния: Эти материалы обладают большой емкостью для хранения водорода и имеют низкую стоимость. Недостатком является то, что для выделения водорода им требуется температура выше 250°C. Примеры: Mg2Ni, Mg2Cu и т. д.

На основе титана: Сплавы для хранения водорода на основе титана обладают большой емкостью поглощения водорода, легко активируются при комнатной температуре, имеют низкую стоимость и подходят для крупномасштабного применения. Примерами являются бинарные сплавы, такие как титан-марганец, титан-хром, а также тройные и многоэлементные сплавы, такие как титан-марганец-хром, титан-цирконий-хром-марганец и т.д.

На основе циркония: Отличаются превосходными свойствами хранения водорода даже при температурах выше 100°C, могут быстро и эффективно поглощать и выделять большое количество водорода, что делает их пригодными для использования в качестве высокотемпературных материалов для хранения водорода. Примеры включают ZrCr2, ZrMn2 и т. д.

На основе редкоземельных металлов: Редкоземельные сплавы для хранения водорода, представленные никель-лантановым сплавом LaNi, обладают хорошими свойствами поглощения водорода и легко активируются. Они быстро выделяют водород при температурах выше 40°C, но их стоимость относительно высока.

Для снижения стоимости и улучшения характеристик смешанный редкоземельный металл может заменить лантан, или другие металлические элементы могут частично заменить многоэлементный сплав для хранения водорода, образованный смешанным редкоземельным металлом и Ni.

На основе железа: Наиболее типичным сплавом для хранения водорода на основе железа является железо-титановый сплав. Он обладает отличными свойствами хранения водорода и имеет низкую стоимость, но его активация относительно сложна.

7. Магнитные материалы

Магнитные материалы

Природные материалы можно разделить на три типа в зависимости от их магнитных свойств: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. Магнитные материалы - это вещества, обладающие ферромагнетизмом.

Магнитные материалы необходимы в таких отраслях, как электроника, энергетика, электродвигатели, приборостроение и телекоммуникации. По своим магнитным свойствам магнитные материалы можно разделить на магнитомягкие и магнитотвердые.

Мягкие магнитные материалы - это материалы, которые легко намагничиваются под воздействием внешнего магнитного поля и легко размагничиваются при снятии внешнего поля. Они характеризуются высокой проницаемостью, высокой силой магнитной индукции, низкой коэрцитивной силой и минимальными потерями энергии при намагничивании и размагничивании.

Существует множество типов магнитомягких материалов, наиболее распространенными из которых являются электротехническое чистое железо, листовая кремнистая сталь, сплавы Fe-Al, сплавы Fe-Ni и ферритовые магнитомягкие материалы.

Твердые магнитные материалы, также известные как материалы с постоянным магнитом, - это материалы, которые могут генерировать магнитное поле без внешнего источника питания после намагничивания.

Эти материалы характеризуются значительной коэрцитивной силой и остаточным магнетизмом и широко используются в магнитоэлектрических приборах, динамиках, генераторах с постоянными магнитами и устройствах связи.

Используемые и изучаемые в настоящее время магнитотвердые материалы можно условно разделить на металлические магнитотвердые материалы, ферритовые магнитотвердые материалы, редкоземельные магнитотвердые материалы и неодим-железо-борные магнитотвердые материалы.

Кроме того, существуют магнитные материалы специального назначения, например, материалы магнитной памяти для записи информации (производство магнитных лент, магнитных дисков и т.д.), материалы для записывающих головок, магнитные материалы памяти в электронных вычислительных машинах, материалы магнитной компенсации в точных приборах.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.