Al-Ca композит
 | Тема этой статьи Википедии может не соответствовать общему правилу по известности . ( август 2017 г. ) |
Композит Al-Ca представляет собой высокопроводящий, высокопрочный и легкий композит, субмикронного диаметра, кальция состоящий из нитей чистого металлического встроенных в матрицу из чистого металлического алюминия . Материал все еще находится на стадии разработки, но потенциально может использоваться в качестве проводника для воздушной передачи высокого напряжения . [1] исключительно легкий и высокопрочный проводник Его также можно использовать везде, где требуется . Его физические свойства делают его особенно подходящим для передачи постоянного тока . По сравнению с обычными проводниками, такими как кабель с алюминиевой жилой, армированный сталью (ACSR), все жилы из алюминиевого сплава (AAAC), проводники с усиленными алюминиевыми сплавами (ACAR), проводники с композитными алюминиевыми жилами ACCR и провода ACCC , которые хорошо проводят переменный ток и немного постоянный ток. Менее хорошо (из-за скин-эффекта ) проводник Al-Ca по сути представляет собой единый однородный материал с высокой проводимостью постоянного тока, что позволяет жилам жилы и внешним жилам многожильного кабеля быть проводами одного и того же типа. Этот проводник по своей природе прочен, поэтому нет необходимости в прочном (обычно плохо проводящем) сердечнике, способном выдерживать собственный вес, как это делается в обычных проводниках. Это устраняет проблемы «птичьей клетки», намотки и термической усталости , вызванные несоответствием коэффициента теплового расширения между сердцевиной и внешними прядями. Межфазные границы Al-Ca существенно упрочняют композит, [2] [3] но не оказывают заметного влияния на ограничение длины свободного пробега электронов, что придает композиту как высокую прочность, так и высокую проводимость, [4] сочетание, которого обычно трудно достичь как с чистыми металлами, так и со сплавами. [5] Высокая прочность и легкий вес могут сократить количество опор , необходимых на километр для линий электропередачи на большие расстояния. [6] Поскольку башни и их фундаменты часто составляют 50% стоимости строительства линии электропередачи, строительство меньшего количества башен позволит сэкономить значительную часть общих затрат на строительство. Высокая прочность также может повысить надежность передачи в условиях ветровых/ледяных нагрузок. Высокая проводимость потенциально может снизить омические потери .
Композитный проводник Al-Ca был изобретен Расселом и Андерсоном в лаборатории Эймса Министерства энергетики США с целью разработки кабелей передачи электроэнергии следующего поколения. [7] Композит Al/Ca производится методом порошковой металлургии и глубокой деформационной обработки ( экструзия , обжимка , волочение проволоки ). Этот процесс будет примерно в два-три раза дороже, чем традиционная обработка расплава для ACSR. Однако, по прогнозам, экономия на строительстве башни будет существенно выше, чем дополнительные затраты на проводящие кабели. Во время деформационной обработки частицы порошка Ca деформируются в нити, окруженные матрицей Al, что позволяет избежать воздействия воздуха и влаги на кальций, химически активный элемент. Было обнаружено, что коррозионная стойкость этого композита аналогична стойкости чистого алюминия.
Композит Al-Ca имеет хорошую микроструктурную стабильность даже при температуре выше 300 °C. [8] Образование интерметаллических соединений на границе раздела стабилизирует микроструктуру , чтобы избежать деградации ее различных свойств при воздействии повышенных температур. [9] например, те, которые возникают во время аварийных ситуаций перегрузки.
Новейшая разработка
Нановолоконный металл-металлический композит Al/Ca (20 об.%) был получен методом порошковой металлургии и интенсивной пластической деформации. [10] Мелкие порошки металлического Ca (~ 200 мкм) были получены методом центробежного распыления, смешаны с порошком чистого Al и деформированы теплой экструзией, обжимкой и волочением проволоки до истинной деформации 12,9. [11] Частицы порошка кальция превратились в мелкие нановолокна кальция, которые существенно упрочняют композит за счет упрочнения границы раздела. Проводимость композита несколько ниже, чем предсказывает правило смесей, из-за незначительного количества примесных включений. Характеристики этого композита при повышенных температурах также оценивались с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии и измерений удельного сопротивления.
Предел прочности на разрыв достигает 480 МПа, что в два раза выше, чем у ACSR.
Электропроводность 33,02 (мкОм·м)-1 выше, чем у большинства широко используемых в настоящее время проводников.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Тиан Л., Андерсон И., Ридеманн Т., Рассел А., Ким Х. Electr Pow Syst Res 2013; 105:105.
- ^ Тянь, Лян; Рассел, Алан; Андерсон, Айвер (2014). «Дислокационная модель упрочнения деформации-градиента-пластичности для обработанных деформацией композитов металл-металл» . Журнал материаловедения . 49 (7): 2787. Бибкод : 2014JMatS..49.2787T . дои : 10.1007/s10853-013-7982-5 .
- ^ Бевк, Дж.; Харбисон, Джеймс П.; Белл, Джозеф Л. (1978). «Аномальное увеличение прочности мультинитевых композитов Cu-Nb, полученных in situ». Журнал прикладной физики . 49 (12): 6031. Бибкод : 1978JAP....49.6031B . дои : 10.1063/1.324573 .
- ^ Тянь, Лян; Андерсон, Айвер; Ридеманн, Тревор; Рассел, Алан (2014). «Моделирование электросопротивления деформационно обработанных композитов металл-металл». Акта Материалия . 77 : 151–161. Бибкод : 2014AcMat..77..151T . дои : 10.1016/j.actamat.2014.06.013 .
- ^ Рассел, AM; Чамбли, Лос-Анджелес; Тиан, Ю. (2000). «Деформационно обработанные композиты металл-металл». Передовые инженерные материалы . 2 (1–2): 11–22. doi : 10.1002/(SICI)1527-2648(200002)2:1/2<11::AID-ADEM11>3.0.CO;2-Z .
- ^ Падияр, КР (2011) Системы передачи энергии HVDC , второе изд., New Academic Science, Танбридж-Уэллс, Кент, Великобритания.
- ^ Рассел А.М., Андерсон, И.Е., Ким, Х.Дж. и Фрерихс, А.Е. (2014) Патент США 8,647,536 «Композиты из алюминия и щелочноземельных металлов и способ их производства»
- ^ Тянь, Лян; Ким, Хёнджун; Андерсон, Айвер; Рассел, Алан (2013). «Взаимосвязь микроструктуры и прочности в композите Al – Ca, обработанном деформацией». Материаловедение и инженерия: А. 570 : 106–113. дои : 10.1016/j.msea.2013.01.062 .
- ^ Тянь, Лян; Рассел, Алан (2014). «Фазовое полевое исследование сфероидизации, обусловленной межфазной диффузией, в композите, состоящем из двух взаимно нерастворимых фаз» . Журнал химической физики . 140 (12): 124706. Бибкод : 2014JChPh.140l4706T . дои : 10.1063/1.4869296 . ПМИД 24697469 .
- ^ Тянь, Лян; Рассел, Алан; Ридеманн, Тревор; Мюллер, Серен; Андерсон, Айвер (6 апреля 2017 г.). «Деформированный композит Al-матрица/Ca-нановолокно с низкой плотностью, высокой прочностью и высокой проводимостью» . Материаловедение и инженерия: А. 690 : 348–354. дои : 10.1016/j.msea.2017.03.010 .
- ^ Тянь, Лян; Андерсон, Айвер; Ридеманн, Тревор; Рассел, Алан (15 февраля 2017 г.). «Производство мелкодисперсных порошков кальция методом центробежного распыления с вращающейся закалочной ванной» . Порошковая технология . 308 : 84–93. дои : 10.1016/j.powtec.2016.12.011 .