Формование изделий из новых материалов является важнейшим этапом их производства, включающим процессы, направленные на придание заготовкам или полуфабрикатам заданной формы, размеров и структуры. Эти процессы зависят от свойств исходных материалов и условий, в которых они происходят. Для успешного формирования необходимо учитывать не только физико-химические характеристики материалов, но и их механические и термические свойства, а также технологические особенности производства.
В зависимости от типа используемых материалов и требуемых характеристик изделий, различают несколько основных методов формования: литье, экструзия, прессование, а также методы, основанные на полимеризации или кристаллизации.
Литье — процесс, при котором материал в жидком или полужидком состоянии заливается в форму и затем охлаждается, принимая форму этой формы. Литье применяется для широкого спектра материалов, включая металлы, пластмассы и стекло. Преимущество литья заключается в возможности получения сложных геометрических форм с высокой точностью.
Экструзия — это метод формования, при котором материал (чаще всего пластик или металл) пропускается через специальное сопло, создавая изделие с постоянным поперечным сечением. Этот метод используется для производства длинных изделий, таких как трубы, профили или пленки. Экструзия позволяет добиться высокой скорости производства при минимальных затратах энергии.
Прессование включает в себя воздействие на материал под давлением, что способствует его уплотнению и приданию нужной формы. Этот процесс может быть холодным или горячим, в зависимости от материала и требуемых свойств конечного продукта. Прессование широко используется в металлургической и пластмассовой промышленности.
Термоформование и витроформование применяются для формования термопластичных материалов, таких как полимеры. В этих процессах материал нагревается до состояния, при котором он становится пластичным, а затем формуется в заданную форму с использованием прессов, вакуума или механических форм.
Технологические параметры формования, такие как температура, давление, время воздействия и скорость охлаждения, напрямую влияют на механические, термические и химические свойства получаемых изделий. На молекулярном уровне процессы, происходящие в ходе формования, могут изменять структуру материала, что, в свою очередь, может оказывать значительное влияние на его прочность, жесткость, стойкость к коррозии и другие характеристики.
Температура играет ключевую роль в процессах литья, экструзии и прессования, так как она определяет вязкость материала, его способность к деформации и скорость кристаллизации. В частности, при слишком низкой температуре материал может быть слишком жестким для формирования, а при слишком высокой — возникнет риск его перегрева и разрушения.
Давление также влияет на плотность и внутреннюю структуру материалов. При высоких давлениях молекулы могут быть уплотнены, что повышает прочностные характеристики и улучшает механические свойства изделия. Это особенно важно для металлических сплавов и высокомолекулярных соединений.
Время воздействия на материал в процессе формования определяет его степень кристаллизации или полимеризации, что влечет за собой изменения в его микроструктуре и свойствах. Например, увеличение времени кристаллизации может улучшить прочность металлов, но в то же время может привести к уменьшению ударной вязкости.
При работе с новыми материалами возникают дополнительные трудности, связанные с их нестандартными физико-химическими свойствами. Например, материалы с высокой термостойкостью или электроизоляционные материалы могут требовать использования специальных форм и методов формирования.
Композитные материалы, которые включают в себя несколько фаз (например, армированные пластики или металлокерамические материалы), требуют особого подхода к формованию. Сложность заключается в том, что каждая фаза в композите может иметь свою температуру плавления, вязкость и другие характеристики. Это требует тщательного контроля за процессом формирования и разработки уникальных технологий.
Другой вызов связан с наноразмерными материалами. Их необычные свойства, такие как высокая реакционная способность или аномальная прочность на сдвиг, могут существенно изменять поведение материала при формовании. Особенно важно учитывать взаимодействие наночастиц с окружающей средой и их способность агрегации или деформации под воздействием внешних факторов.
Использование новых материалов в различных отраслях промышленности открывает широкие возможности для создания более эффективных, прочных и долговечных изделий. Например, металлические матрицы, армированные углеродными нанотрубками, позволяют значительно улучшить прочностные характеристики и термостойкость изделий, что важно для авиационной и космической промышленности. В строительном секторе новые полимерные материалы, обладающие высокой устойчивостью к агрессивным воздействиям, позволяют создавать долговечные и экологически чистые конструкции.
Нанокомпозиты находят применение в автомобильной промышленности, где они используются для создания легких и высокопрочных деталей. Они обладают улучшенными тепло- и электропроводными свойствами, а также могут быть использованы для защиты от радиации или экстремальных температур.
Микроструктура материала имеет решающее значение для его эксплуатационных характеристик. Например, в металлургии, в зависимости от типа процесса формования и его параметров, можно контролировать зернистость и фазовый состав металла, что влияет на его прочностные и коррозионные свойства. В случае пластмасс или полимеров важно учитывать степень ориентации молекул, так как это определяет механические свойства конечного продукта.
При формовании новых материалов может происходить ориентация молекул или частиц вдоль определенных направлений, что зачастую улучшает механические и термические характеристики изделия. Этот процесс можно контролировать с помощью специальных технологий, таких как растяжение или кручение полимерных пленок.
Кроме того, в ходе формования могут возникать микропоры или трещины, что влияет на долговечность материала. Для предотвращения подобных дефектов могут применяться различные методы контроля качества на каждом этапе формирования, включая использование ультразвуковой дефектоскопии, рентгеновской дефектоскопии или методов магнитного контроля.
С развитием технологий формования материалы, ранее считавшиеся трудными для обработки, становятся доступными для использования в новых продуктах. Разработка интеллектуальных материалов, которые способны изменять свои свойства в ответ на внешние стимулы (температуру, давление, электромагнитные поля), требует внедрения новых методов формования, которые способны обеспечить стабильность таких материалов при их переработке.
3D-печать и аддитивные технологии становятся все более важными в производстве сложных изделий, что открывает новые перспективы для формирования объектов с оптимальными свойствами. Эти технологии позволяют точечно воздействовать на материал, создавая структуры с заданной микро- и наноструктурой, что невозможно при традиционных методах формования.
Таким образом, процессы формования новых материалов требуют высокой степени точности, глубоких знаний о материалах и методов, которые обеспечивают получение изделий с заданными свойствами.