SK9302001A3

SK9302001A3 - Solid-state material

Info

Publication number: SK9302001A3
Application number: SK930-2001A
Authority: SK
Inventors: Elena Igorevna Krutova; Jury Leonidovich Spirin; Vladimir Stepanovich Dubinin; Dmitry Vladimirovich Frolov
Original assignee: Intellikraft Ltd
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2002-01-07
Also published as: MXPA01006754A; EE200100352A; NO20013232L; CN1177754C; UA60396C2; AU3855199A; CA2357039A1; HK1040975B; JP2002534784A; BR9816131A; GB2365875A; HK1040975A1; CZ20012400A3; HUP0104899A2; EA002900B1; EA200100604A1; KR20010108054A; HUP0104899A3; AU748084B2; GB0019426D0

Description

Oblasť techniky

Predložený vynález sa týka spôsobov spracovania materiálov tuhého stavu, vrátane ocelí, štruktúrnych zliatin, polovodičových materiálov, dielektrík, feritov, piezokeramických materiálov a podobne, s cieľom prepožičať im zlepšené charakteristiky. Môže sa taktiež využiť na spracovanie zložiek (výrobkov).

Doterajší stav techniky

Jedným zo známych usmernení pri úprave materiálov tuhého stavu s cieľom zlepšenia ich charakteristík je zabezpečenie prítomnosti určitých prísad v povrchovej vrstve materiálov, na zlepšenie špecifických charakteristík materiálu, predovšetkým jeho pevnosti.

Je známy materiál tuhého stavu (Autorské osvedčenie ZSSR č. 1220104), ktorého vrstva blízko povrchu obsahuje ako prísadu prímes zlata.

Problémom pri tomto materiále je nepostačujúca pevnosť, z dôvodu neprítomnosti pravidelného usporiadania kryštálovej mriežky v oblasti blízko pri povrchu.

Je známy materiál tuhého stavu (V. M. Paraščenko, M. M. Rachmankulov a A. P. Cisin, „Technológia litija pod davlenijem“ (Technológia odlievania za tlaku), Moskva: Metallurgija 1996, str. 187), vrstva ktorého blízko povrchu obsahuje ako prímes, prísadu boru, uhlíka, síry, chrómu alebo hliníka.

Problémom pri tomto materiále je taktiež absencia pravidelného usporiadania kryštalickej mriežky v oblastiach blízko ku povrchu.

Je známy piezokeramický materiál (Autorské osvedčenie ZSSR č. 1172906) na báze tuhých roztokov oxidov zirkónia, olova a bária, ktorých vrstva blízko pri povrchu obsahuje zvýšenú koncentráciu olova (celkovo 0,5 až 0,8 %), čo vedie k tvorbe prídavných povrchových centier kryštalizácie.

• ···· Φ ·	• ·· ·· · ·	• · • ·	··
	• · ·	• ·
• ·* ·	• · · · • · ·	• · • ·
·· ·	• · · · ·	··	• ·

Tento materiál má však taktiež nepostačujúcu pevnosť z dôvodu absencie pravidelného usporiadania kryštálovej mriežky monokryštalických zŕn v povrchových vrstvách.

Podstata vynálezu

Jedným z účelov predloženého vynálezu je zvýšiť pevnosť materiálu pomocou trojdimenzionálneho usporiadania východiskovej kryštalickej štruktúry materiálu v jeho vrstvách blízkych ku povrchu.

Ďalšia úlohou predloženého vynálezu sa týka zlepšenia špecifických charakteristík materiálu, a to magnitúdy akustických strát, ktoré sú v podstate signifikantné pre piezokeramické materiály.

Tieto ciele sa dajú dosiahnuť vytvorením principiálne novej štruktúry vo vrstve blízko k povrchu materiálu tuhého stavu.

Táto štruktúra pozostáva z pórov s nanometrickým prierezom, vytvorenými v povrchovej vrstve materiálu, s priemerom až do 200 nm, a vlákien s nanometrickým prierezom (až do 200 nm), ktoré sú umiestnené v póroch a vytvorené z iného materiálu alebo z rovnakého materiálu.

Ako východiskový materiál na prípravu materiálu s takouto štruktúrou povrchovej vrstvy sa môže použiť akýkoľvek kryštalický keramický materiál tuhého stavu (vrátane tuhých kompozitných zmesí). Východiskovým materiálom môže byť vodič (napríklad meď, nikel, titán, oceľ) alebo polovodič (napríklad kremík, arzenid gália).

Tvorba štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“ umožňuje signifikantné zníženie hladiny akustických strát materiálu tuhého stavu a zvýšenie pevnosti z dôvodu trojdimenzionálneho usporiadania kryštalickej štruktúry pozdĺž hraníc štruktúr „nanovlákna vloženého v nanopóre“. Pri piezoaktívnych materiáloch vedie tento účinok ku zvýšeniu domén, polarizačný vektor ktorých je orientovaný normálne ku povrchu štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“.

Ako materiál pre vlákna piezokeramických materiálov sa môžu použiť kovy, ako je striebro, zlato, platina alebo meď.

• ·· • e	···· • • • ·	• ·· ·· · · • · · • · · • · ·	·· • · • · • · · • ·	• ·
• ···	•	··· ··	··	··

Ďalším, predmetom predloženého vynálezu je spôsob spracovania materiálu tuhého stavu pozostávajúceho z vytvorenia uvedenej štruktúry „nanovlákna vloženého vnanopóre“ v jeho povrchovej vrstve. Pri tomto sa tvorba nanopórov môže dosiahnuť elektroerozívnym spracovaním povrchu materiálu polovýrobku a jeho zaplnením s nanovláknami pomocou lokálnej iónovej precipitácie materiálu vlákien.

Ďalším predmetom predloženého vynálezu je spôsob spracovania hotových zložiek (výrobkov) materiálov tuhého stavu formovaním uvedenej štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“ v povrchovej vrstve.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Piezokeramický materiál s kovovými vláknami vloženými v póroch

Vytvoria sa nanopóry na jednej z čelných plôch piezokeramického polovýrobku vyrobeného štandardnou technológiou (lisovaná piezokeramická šarža so spojivom sa vypaľuje pri teplote 1450 °C a postupne sa ochladzuje) pomocou elektroerozívnej metódy s použitím prvej sondy bodového priemeru 20 nm, vyrobenej zo sulfojodidu antimónu (SSbl), pri dodávaní impulzov negatívnej polarity (rozstup spracovania - 600 nm; modifikované napätie 4 V; doba spracovania pre každý pór - 400 nsek.). Potom sa použila druhá sonda, vyrobená zo striebra (rozstup spracovania 10 nm), s dodávanými impulzmi pozitívnej polarity, za vzniku nanovlákien Ag vo vytvorených nanopóroch pomocou metódy lokálnej iónovej precipitácie (rozstup spracovania - 600 nm; modifikované napätie 2 V; doba spracovania pre každý pór - 600 nsek.). Umiestnenie prvej a druhej sondy sa uskutočňuje s použitím snímacieho tunelového mikroskopu. Koncentrácia pórov v priemere predstavovala 3 póry na pm².

Piezokeramická platňa upravená s použitím opísaného spôsobu sa podrobila skúmaniu na pevnosť (medza pevnosti). Táto pevnosť predstavovala 3100 n/mm², zatiaľ čo pevnosť podobnej platne, ktorá sa neporobila takémuto spracovaniu, bola 2200 n/mm².

-4····

Koeficient elektromechanického spájania, ktorý je nepriamo úmerný hodnote akustických strát v materiále, sa zvýšil z hodnoty 0,71 na hodnotu 0,85.

Príklad 2

Kov s polovodičovými vláknami vloženými v póroch

Východiskovým materiálom bol volfrám. V povrchu volfrámu sa vytvorili póry s prierezom 10 až 200 nm do hĺbky 100 až 1000 nm. Póry sa naplnili s vláknami s dĺžkou 100 až 1000 nm, prierezom 10 až 200 nm. Koncentrácia pórov v priemere predstavovala 3 póry na gm². Materiálom vlákna bol kremík.

Pevnosť skúmaného volfrámového drôtu bez použitia štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“ predstavovala 3600 n/mm². S použitím štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“ predstavovala pevnosť po spracovaní 4400 n/mm² Koeficient akustických strát v materiále sa týmto znížil v priemere o 20 %.

Príklad 3

Kov s dielektrickými vláknmami vloženými v póroch

Východiskovým materiálom bol volfrám. V povrchovej časti volfrámu sa vytvorili póry s prierezom 10 až 200 nm do hĺbky 100 až 1000 nm. Póry sa naplnili s vláknami s dĺžkou 100 až 1000 nm, prierezom 10 až 200 nm. Koncentrácia pórov v priemere predstavovala 3 póry na gm². Materiálom vlákna bola síra.

Pevnosť skúmaného volfrámového drôtu bez použitia štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“ predstavovala 3600 n/mm². S použitím štruktúry „nanovlákna vloženého v nanopóre“ predstavovala pevnosť po spracovaní 4100 n/mm².

Koeficient akustických strát v materiále sa týmto znížil v priemere o 20 %.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob spracovania materiálov tuhého stavu, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje nasledujúce operácie

- poskytnutie polovýrobku materiálu tuhého stavu;

- vytvorenie pórov najmenej v povrchovej vrstve materiálu polovýrobku, pričom uvedené póry majú priemer až do 200 nm;

- naplnenie uvedených pórov s vláknami vyrobenými z odlišného materiálu alebo z rovnakého materiálu ako je polovýrobok.
2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že do každého póru sa umiestni niekoľko nanovlákien.
3. Spôsob podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že póry sa vytvoria vmateriále pomocou elektroerozívneho spracovania a naplnenie pórov sa uskutočňuje pomocou lokálnej iónovej precipitácie materiálu vlákna.
4. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že materiálom, ktorý sa má spracovať, je keramický materiál, a materiálom na plnenie pórov je kov.
5. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že materiálom, ktorý sa spracovať, je piezokeramický materiál.
6. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je striebro.
7. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je zlato.
8. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je platina.
9. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je meď.

-6···· · ·· ·· · • ·· · · · · ·· • ······ • · ······ · • · ······ ··· · ··· ·· ·· ···
10. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že materiálom, ktorý sa má spracovať je kov, a materiálom na plnenie pórov je polovodičový materiál.
11. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že materiálom, ktorý sa má spracovať je kov, a materiálom na plnenie pórov je dielektrický materiál.
12. Spôsob spracovania zložiek, vyznačujúci sa tým, že zahrňuje

- vytvorenie pórov najmenej v povrchovej vrstve materiálu, z ktorej je vyrobená spracovávaná zložka, pričom uvedené póry majú veľkosť až do 200 nm;

- naplnenie uvedených pórov s vláknami vyrobenými z odlišného materiálu alebo z rovnakého materiálu ako je materiál zložky.
13. Spôsob podľa nároku 12, vyznačujúci sa tým, že póry sa tvoria vmateriále zložky pomocou elektroerozivneho spracovania a že ich plnenie sa uskutočňuje pomocou lokálnej iónovej precipitácie materiálu vlákien.
14. Spôsob podľa nároku 12 alebo 13, vyznačujúci sa tým, že zložka, ktorá sa má spracovať, je vyrobená z keramického materiálu a materiálom na plnenie pórov je kov.
15. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 12 až 14, vyznačujúci sa tým, že zložka, ktorá sa spracovať, je vyrobená z piezokeramického materiálu.
16. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 12 až 15, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je striebro.
17. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 12 až 15, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je zlato.
18. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 12 až 15, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je platina.
19. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 12 až 15, vyznačujúci sa tým, že materiálom na plnenie pórov je meď.

• ·· ·· · ·· · · · · ·· • · · · · · ······ · • · · · · · ··· ·· ·· ···

-7···· • ·
20. Spôsob podľa nároku 12 alebo 13, vyznačujúci sa tým, že zložka, ktorá sa má spracovať, je vyrobená kovu, a materiálom na plnenie pórov je polovodičový materiál.
21. Spôsob podľa nároku 12 alebo 13, vyznačujúci sa tým, že zložka, ktorá sa má spracovať, je vyrobená z kovu a materiálom na plnenie pórov je dielektrický materiál.
22. Materiál tuhého stavu, vyznačujúci sa tým, že póry s priemerom 10 až 200 nm sa vytvoria najmenej v povrchovej vrstve materiálu a v póroch sa umiestnia vlákna odlišného materiálu.
23. Materiál tuhého stavu, vyznačujúci sa tým, že póry s priemerom 10 až 200 nm sa vytvoria najmenej v povrchovej vrstve materiálu a v póroch sa umiestnia vlákna rovnakého materiálu.
24. Materiál podľa nároku 22 alebo 23, vyznačujúci sa tým, že póry majú hĺbku od 100 do 1000 nm.
25. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 24, vyznačujúci sa tým, že materiálom je keramický materiál a vlákna, vypĺňajúce póry, sú vyrobené z kovu.
26. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 25, vyznačujúci sa tým, že materiálom je piezokeramický materiál.
27. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 26, vyznačujúci sa tým, že vlákna vypĺňajúce póry sú vyrobené zo striebra.
28. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 26, vyznačujúci sa tým, že vlákna vypĺňajúce póry sú vyrobené zo zlata.
29. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 26, vyznačujúci sa tým, že vlákna vypĺňajúce póry sú vyrobené z platiny.
30. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 26, vyznačujúci sa tým, že vlákna vypĺňajúce póry sú vyrobené z medi.
31. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 24, vyznačujúci sa tým, že materiálom je kov a vlákna vypĺňajúce póry sú vyrobené z polovodičového materiálu.
32. Materiál podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 24, vyznačujúci sa tým, že materiálom je kov a vlákna vypĺňajúce póry sú vyrobené z dielektrického materiálu.