Введение к работе
Актуальность работы.
Высокопористым проницаемым ячеистым материалам (ВПЯМ), общая пористость которых достигает 97%, в последние два десятилетия посвящено большое количество работ во всех развитых странах мира. Они многофункциональны и могут быть использованы в качестве фильтров, демпферов, каркасов электродов, устройств с относительной диэлектрической проницаемостью, стремящейся к бесконечности, поглотителей электромагнитных и акустических волн, сверхлегких конструкционных элементов, катализаторов и т.д.
Среди способов получения ВПЯМ (литьё, плазменное напыление, электролитическое осаждение) порошковая металлургия имеет ряд преимуществ: обеспечивает большую, чем при литье, однородность изделий и их более высокую пористость; более экономична по сравнению с электролитическим осаждением и плазменным напылением; позволяет получать более крупные изделия по более простой технологии. Необходимость применения в существующих технологиях ВПЯМ полимерных основ-каркасов создает проблемы технологического плана, среди которых можно выделить необходимость специальной обработки полимеров щелочными растворами для облегчения их удаления при нагреве, что существенно осложняет крупнотоннажное производство. Классическая технология порошковой металлургии при получении ВПЯМ позволяет существенно удешевить производственный процесс при сохранении и улучшении их свойств.
Автономные источники электрической энергии с высокопористыми электродами являются важной сферой применения ВПЯМ. Ежегодное потребление только портативных аккумуляторов в России составляет свыше 4 млрд. штук.
В связи с этим получение ВПЯМ повышенной прочности и проницаемости с максимально низким значением удельного электрического сопротивления, близкого к уровню электросопротивления компактного металла, является важной и актуальной задачей.
Работа выполнена в обеспечение разработок химических источников тока, предусмотренных комплексной целевой программой «Электрэнергетика».
Цель работы
Цель работы состояла в исследовании процесса получения ВПЯМ на основе
классической схемы порошковой металлургии и разработка технологии изготов
ления материалов, предназначенных для изготовления каркасных электродов ак
кумуляторов. 1_ „„. _ „_
РОС. НЛЦИСШАЛБНА^ '
С.0«крбург J іЧ р
^ о a»W/;r>-
Научіная новизна
-
На основании экспериментальных данных установлена зависимость между температурными режимами обработки (спекания) и полученными структурными и механическими свойствами, выражающаяся в том что требуемые структурные и механические свойства ВПЯМ достигаются при определенных температурных параметрах, что объясняется появлением в кристаллической структуре устойчивой повышенной концентрации вакансий.
-
На основании методов дифференциально-термического анализа и дилатометрии установлены температурные зависимости изменения энтальпии, энергии активации, теплоты превращений и термического коэффициента линейного расширения смесей металлических порошков с порообразователями в интервале температур от 20 до 1000 С, что позволяет подбирать режим спекания и управлять им.
-
На основе анализа прочностных характеристик ВПЯМ при квазистатическом изгибе установлены зависимости между видом кривых деформирования и характером излома материала, выражающиеся в том, что для кривых деформирования 1 и 2 типа не формируется прочных металлических связей, а для кривых деформирования 3 и 4 типа они появляются, что объясняется прошедшим процессом спекания металлических частиц между собой.
Практическая значимость
1. В результате проведенных исследований процесса получения ВПЯМ
для изготовления каркасных электродов для никель-кадмиевых аккумуляторов
предложены следующие технологические параметры:
оптимальная объемная доля металлического порошка в смеси с порообразовате-лем- 10% объем.;
использование добавок полиэтиленгликоля или олеиновой кислоты при смешивании для получения макрогомогенных смесей - 0,5% масс;
оптимальный грансостав порообразователя (1000-315 мкм) и давление прессования 300 МПа;
двухстадийное спекание (1 стадия -Т-810 С, выдержка 40 минут; 2 стадия -Т -880 С, выдержка 30 минут).
2. Экспериментально установленные параметры позволили предложить
технологию получения ВПЯМ для изготовления каркасных электродов аккумуля
торов. Технология включает следующие стадии: подготовка порообразователя,
смешивание с добавкой полиэтиленгликоля, прессование, спекание в две стадии. Изготовленные по данной технологии ВПЯМ обладают высокими свойствами (прочность при изгибе не менее 0,8 МПа, -электросопротивление не выше 1,5-1 (Ї* Ом/м, коэффициент проницаемости 1,35- К)'1 м2), что позволяет их использовать в качестве основ электродов,
-
В ИПХФ РАМ были проведены исследования электрических характеристик ВПЯМ. Установлено, что применение разработанных материалов в качестве электродов позволит снизить в 5 раз саморазряд и расширить в 2 раза диапазон разрядных токов никель-кадмиевых аккумуляторов.
-
По разработанной технологии в ФГУП НКТБХИТ (г.Новочеркасск) была изготовлена партия макетных образцов аккумуляторов типа НКП-1 в количестве 50 штук. В испытательной лаборатории 22 ЦНИИИ МО РФ была проведена оценка энергетических и эксплуатационных характеристик аккумуляторов. Установлено, что энергетические и эксплуатационные характеристики макетных образцов никель-кадмиевых аккумуляторов типа НКП-1 с анодами, изготовленными из высокопористого ячеистого материала на основе никеля по предложенной технологии, перспективны для использования в аппаратуре военного и гражданского назначения и находятся на уровне лучших зарубежных образцов.
Апробация работы
Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены и обсуждены на: XIV конференции ученых и специалистов 22 ЦНИИИ Минобороны России «Перспективы развития материалов военной электроники и электроэнергетики». Выпуск № 24, г.Москва, 2004 г.; Научно-практической конференции Минпромнауки России - Минобороны России «Перспективы развития и применения никель-металлгидридных аккумуляторов», г. Санкт-Петербург, 2004 г.; 59-й научной конференции студентов МИСиС, г.Москва, 2004 г; XV конференции ученых и специалистов 22 ЦНИИИ Минобороны России «Перспективы развития материалов военной электроники и электроэнергетики», Выпуск № 254, г.Москва, 2005 г.,
Публикации
