Общая информация

Новые теплоизоляционные материалы на основе муллиткремнеземных нановолокон обладают уникальными свойствами не имеющим аналогов мире. Создана и апробирована опытно – промышленная установка синтеза муллиткремнеземных нановолокон. Основная цель проекта - разработка новой технологии путем лазерного спекания формирования теплоизоляционных и композитных материалов на основе муллиткремнеземных нановолокон для высокотемпературных применений, в частности производства литейных моделей и металлургической оснастки для литья цветных и черных металлов.

Нановолокна муллиткремнезема

Описание проблемы

В последние годы все большее значение приобретают высокотемпературные материалы с рабочей температурой 1500 – 2000 °С. Такие теплоизоляционные и теплозащитные материалы применяются в самых различных областях металлургии, энергетики, машиностроения, строительства. В металлургии увеличение потребности в таких материалах вызвано повышением температуры в нагревательных, обжиговых и плавильных печах. Они требуются в литейном производстве, например, при литье под давлением, в прессовом (для изоляции индукционных нагревателей – контейнеров), в авиации и космонавтике (для изоляции газовых турбин, камер сгорания), в термоэлектрических преобразователях.

Как проект решает описанную проблему, и в чем заключается инновационность подхода

В сравнении с традиционными теплоизоляционными материалами муллиткремнеземные волокна отличаются наноразмерностью, существенно более низкой теплопроводностью при высоких температурах и термостабильностью отсутствием фазовых переходов при нагреве. Одним из перспективных направлений использования муллиткремнеземных нановолокон методом послойного спекания с помощью лазера – 3D laser sintering– это формирование моделей для литья металлов. Для этого имеются следующие предпосылки и преимущества: несмачиваемость муллиткремнеземных волокон многими металлами, такими как алюминий, цинк, медь, чугун и другие. Возможность формирования литейной формы без органических связующих компонентов. Соответственно, отсутствие газовыделения при литье, что важно для получения качественного литья и условий работы литейщиков. Возможность формирования поверхности материала с шероховатостью, сопоставимыми с диаметром нановолокон – 5-10 нм, что, в свою очередь, обеспечивает наивысший класс качества поверхности – зеркальный. Прессформа для литья корпуса цифровой фотокамеры Возможность формировать форму с различной степенью пористости – от 95% до 10%. Соответственно, с различной теплопроводностью, что, с одной стороны, создает возможность варьировать различные условия кристаллизации, а, с другой стороны, обеспечивать сверхтонкое литье с толщиной стенок в доли миллиметров. Поскольку при литье отсутствует газовыделение из формы, возможно литье в вакууме или в защитной атмосфере. По совокупности свойств и параметров использование данных нановолокон для формирования литейных форм обеспечивает принципиально новые, недостижимые ранее возможности.

Описание трендов

Керамические материалы, в большинстве своем, хрупкие. Армирование различными дискретными и непрерывными наполнителями позволяет придать им требуемую прочность и жесткость. Именно разработка легких армированных керамических материалов для производства износостойких, прочных при температуре выше 1000 ̊С, стойких к коррозии, окислению и термическому удару изделий послужила толчком к развитию производства высокотемпературных керамических волокон и обуславливает новые ниши их потребления. Наиболее эффективные из таких композитов предназначены для применения в авиакосмической отрасли, что несколько нивелирует проблему высокой стоимости как самих волокон, так и технологических процессов получения композитов. Поэтому в этой области, в отличие от всех остальных областей применения высокотемпературных керамических волокон, востребованы как штапельные, так и непрерывные волокна. Главным остается придание прочности при высоких температурах таким композитам, что достигается выбором оптимального состава и структуры армирующего компонента – керамических волокон.

Испытания стакана из нановолокон
Тигель с жидким алюминием при температуре печи 800 ºС

Рисунок 1. Тигель с жидким алюминием при температуре печи 800 ºС

Заливка жидкого алюминия из тигля в стакан из нановолокон

Рисунок 2. Заливка жидкого алюминия из тигля в стакан из нановолокон

Стакан из нановолокон с жидким алюминием после заливки

Рисунок 3. Стакан из нановолокон с жидким алюминием после заливки

Обратный перелив жидкого алюминия из стакана в тигель

Рисунок 4. Обратный перелив жидкого алюминия из стакана в тигель

Процесс второй заливки из тигля в стакан из нановолокон

Рисунок 6. Процесс второй заливки из тигля в стакан из нановолокон

Слив расплава алюминия из стакана из нановолокон

Рисунок 7. Слив расплава алюминия из стакана из нановолокон

Вид тигля и стакана из нановолокон

Рисунок 9. Вид тигля и стакана из нановолокон

Внешняя сторона стакана из нановолокон на протяжении всех операций имела комнатную температуру и не нагрелась.

Рука разливщика расплава алюминия чувствовала себя комфортно.

Оксидная плёнка в стакане из нановолокон не остаётся на внутренней стороне, в отличие от тигля, из которого оксидная плёнка и остатки алюминия полностью не уходят.