Курсовая работа по химии на тему Сверхтвёрдые материалы и области их применения

исследования сверхтвёрдых материалов обусловлена непрерывным развитием современной промышленности, которая предъявляет всё более высокие требования к материалам, способным функционировать в экстремальных условиях. Сверхтвёрдые материалы занимают особое место в материаловедении благодаря уникальному сочетанию механических, термических и химических свойств. Они становятся незаменимыми в высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая промышленность, металлообработка, электроника и военно-промышленный комплекс.
Цель работы – исследование сверхтвёрдых материалов, их физико-химических свойств, областей применения и перспектив развития.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. рассмотреть критерии сверхтвёрдости и методы её измерения;
2. изучить физико-химические основы сверхтвёрдости различных материалов;
Структура работы включает введение, две основные главы и заключение. В первой главе рассматриваются фундаментальные понятия и методология исследования сверхтвёрдых материалов. Вторая глава посвящена физико-химическим основам сверхтвёрдости и анализу различных сверхтвёрдых соединений. В заключении подводятся итоги исследования и определяются перспективы развития сверхтвёрдых материалов.
 
ГЛАВА 1. СВЕРХТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Критерии сверхтвёрдости
Сверхтвёрдые материалы представляют собой особую категорию материалов, характеризующихся исключительными механическими свойствами, в первую очередь – высокой твёрдостью. Основным критерием отнесения материала к категории сверхтвёрдых является значение микротвёрдости по Виккерсу, превышающее 40 ГПа (гигапаскалей) [8, с. 174]. Это значение было выбрано не случайно – оно примерно соответствует твёрдости корунда (Al₂O₃), который долгое время считался одним из самых твёрдых минералов после алмаза.
Твёрдость как физическое свойство определяется сопротивлением материала локальной пластической деформации, возникающей при внедрении в его поверхность более твёрдого тела (индентора). Чем выше твёрдость материала, тем меньше глубина проникновения индентора при одинаковой приложенной нагрузке [11, с. 43].
К сверхтвёрдым материалам относятся:
1. Алмаз – самый твёрдый из известных природных материалов с микротвёрдостью около 70-100 ГПа. Представляет собой кристаллическую форму углерода с уникальной структурой, обеспечивающей непревзойдённую прочность [4, с. 22].
2. Кубический нитрид бора (c-BN) – синтетический материал, занимающий второе место после алмаза по твёрдости (микротвёрдость 45-50 ГПа). Обладает высокой термостойкостью и химической инертностью при обработке железосодержащих сплавов [8, с. 176].
3. Карбид вольфрама (WC) – металлокерамический материал с микротвёрдостью около 40-45 ГПа. Благодаря своей высокой плотности и прочности широко применяется в металлообработке [5, с. 29].
4. Нитрид титана (TiN) – соединение с микротвёрдостью около 40 ГПа, обладающее высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью [9, с. 112].
Помимо высокой твёрдости, сверхтвёрдые материалы характеризуются рядом других важных свойств:
- высокой температурой плавления;
- химической инертностью;
- высокой теплопроводностью;
- низким коэффициентом трения;
- высоким модулем упругости [3, с. 4].
Таким образом, сверхтвёрдые материалы – это особая категория веществ с микротвёрдостью более 40 ГПа, обладающих уникальным комплексом физико-механических свойств.
1.2. Методы измерения твёрдости
Для определения твёрдости материалов, в том числе сверхтвёрдых, используются различные методы, выбор которых зависит от типа материала, его структуры и предполагаемой области применения. Рассмотрим основные методы, применяемые для измерения твёрдости.
Метод Бринелля – один из старейших и наиболее распространённых методов измерения твёрдости. Суть метода заключается во вдавливании закалённого шарика из твёрдого сплава в поверхность испытуемого материала под действием заданной нагрузки в течение определённого времени. После снятия нагрузки измеряется диаметр полученного отпечатка, и по специальной формуле рассчитывается число твёрдости по Бринеллю (HB) [1, с. 45]:
HB = P/(πD(D-√(D²-d²))/2)
где P – приложенная нагрузка в кгс, D – диаметр шарика в мм, d – диаметр отпечатка в мм.
Метод Бринелля применяется преимущественно для измерения твёрдости металлов и сплавов средней твёрдости. Основные преимущества метода: простота, наглядность, возможность испытания крупногабаритных изделий. Недостатки: ограниченное применение для сверхтвёрдых материалов, так как твёрдость шарика-индентора должна быть выше твёрдости испытуемого материала [11, с. 47].
Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы A и C) или стального шарика диаметром 1/16 дюйма (шкала B). Твёрдость по Роквеллу определяется по глубине проникновения индентора при постоянной нагрузке. Чем меньше глубина проникновения, тем выше твёрдость материала [11, с. 49].
Преимуществами метода Роквелла являются:
- быстрота измерения;
- возможность испытания твёрдых материалов (шкала C);
- малые размеры отпечатка, что позволяет испытывать готовые изделия без их повреждения;
- отсутствие необходимости в измерении размеров отпечатка, так как шкала прибора показывает непосредственно число твёрдости.
Шкала A используется для очень твёрдых материалов, шкала B – для материалов средней твёрдости, шкала C – для закалённых сталей и других твёрдых материалов [1, с. 48].
Метод Виккерса является наиболее универсальным и широко применяется для измерения твёрдости сверхтвёрдых материалов. Метод основан на вдавливании алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136° в испытуемый материал. Твёрдость по Виккерсу (HV) определяется как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка [11, с. 51]:
HV = 1,854P/d²
где P – приложенная нагрузка в кгс, d – средняя длина диагонали отпечатка в мм.
Основные преимущества метода Виккерса:
- возможность испытания материалов практически любой твёрдости;
- высокая точность измерений;
- геометрическое подобие отпечатков при различных нагрузках, что обеспечивает постоянство значений твёрдости независимо от величины нагрузки.
Для сверхтвёрдых материалов часто применяется модификация метода Виккерса – микротвёрдость, при которой используются очень малые нагрузки (менее 200 г) и измерение отпечатка производится с помощью микроскопа, позволяя определять твёрдость тонких покрытий, мелких деталей и отдельных структурных составляющих материала [4, с. 35].
При сравнении методов измерения твёрдости следует отметить