СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВОГО СТЕКЛОМЕТАЛЛОКОМПОЗИТА

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для использования в несущих конструкциях в строительстве, судостроении, авиастроении и в других отраслях промышленности.

Известен способ получения композиционного изделия, включающего слои металлического и неметаллического материалов, причем коэффициент термического расширения неметаллического материала ниже, чем у металлического (Патент РФ №2196747, МПК С03С 27/08, опубл. 20.01.2003 г., бюл. №2). Для изготовления композиционного изделия между слоями металла укладывают слои стекломатериала. Полученный пакет слоев нагревают до температуры размягчения стекломатериала и обжимают до полного прилегания его слоев по поверхностям соприкосновения. Заключительная операция сводится к выдержке пакета в обжатом положении до соединения листов между собой. Возможно осуществление гибочных работ при остывании пакета для придания изделию требуемой формы.

Изобретение обеспечивает повышение прочности и ударостойкости полученного материала, а также уменьшение массы используемого металла в конструкции полученного изделия.

Основной недостаток известного способа заключаются в необходимости большой затраты энергии для размягчения стеклянных слоев.

Известен также способ изготовления стеклометаллокомпозита из листов стекла, размещенных между металлическими листами, с использованием для соединения стекла с металлом высокой температуры и давления при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла (Патент РФ №2304117, С1 МПК С03С 27/00, В32В 17/06, опубл. 10.08.2007, бюл. №22 - прототип).

В известном способе изготовления стеклометаллокомпозита металлические листы нагревают до температуры, обеспечивающей размягчение прилегающих поверхностей стеклянных листов, оставляя в твердом состоянии внутренний объем стекла.

К основному преимуществу известного способа следует отнести устранение в стеклянных листах поверхностных микротрещин при формировании стеклометаллокомпозита. Вследствие этого прочность и ударная стойкость стеклянных листов повышаются в десятки раз. Металлические листы используют только для исключения поверхностных микротрещин в стеклянных листах и их предохранения от повреждений, в результате чего отпадает необходимость в применении прочных металлических материалов для металлических листов.

К основному недостатку известного способа получения стеклометаллокомпозита следует отнести относительную сложность обеспечения надежного соединения металлических листов со стеклянными листами и, как следствие этого, сложность изготовления стеклометаллокомпозита.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности соединения стеклянных и металлических листов стеклометаллокомпозита между собой и упрощение технологии изготовления листового стеклометаллокомпозита в целом.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления листового стеклометаллокомпозита из листов стекла, размещенных между металлическими листами, с использованием для соединения стекла с металлом высокой температуры и давления при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла, стеклометаллокомпозит формируют в нейтральной среде на плоском основании, покрытом антиадгезионным покрытием, путем последовательного нанесения на него чередующихся слоев расплавов металла и стекла, размещая слои стекла между слоями металла, при этом используют металл, имеющий химическое сродство со стеклом, затем пакет листов остужают до температуры стеклования стеклянных слоев и отжигают до полной релаксации напряжений и стабилизации стекла в стеклянных листах, после чего понижают температуру листового стеклометаллокомпозита до температуры внешней среды.

В заявленном способе изготовления листового стеклометаллокомпозита общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- стеклометаллокомпозит формируют из листов стекла, размещенных между металлическими листами;

- с использованием для соединения стекла с металлом высокой температуры и давления;

- при условии, что коэффициент температурного расширения у стекла ниже, чем у металла.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа изготовления листового стеклометаллокомпозита и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:

- стеклометаллокомпозит формируют в нейтральной среде на плоском основании, покрытом антиадгезионным покрытием;

- путем последовательного нанесения на него чередующихся слоев расплавов металла и стекла, размещая слои стекла между слоями металла;

- при этом используют металл, имеющий химическое сродство со стеклом;

- затем пакет листов остужают до температуры стеклования стеклянных слоев;

- и отжигают до полной релаксации напряжений и стабилизации стекла в стеклянных листах;

- после чего понижают температуру листового стеклометаллокомпозита до температуры внешней среды.

Высокие показатели прочности и ударной стойкости листового стеклометаллокомпозита достигаются в основном за счет исключения в стеклянных листах микротрещин. Существенное значение имеет также формирование пространственной наноструктуры в стеклянных слоях стеклометаллокомпозита.

Механизм исключения образования поверхностных микротрещин заключается в следующем. Металлические листы, имеющие химическое сродство со стеклом, надежно соединяются со стеклянными листами. При остывании металлические листы, обладающие более высокими коэффициентами температурного расширения, стремятся сократить свои размеры в большей мере, чем прилегающие к ним поверхности стеклянных листов. Однако они встречают сопротивление со стороны присоединенных к ним стеклянных листов, что вызывает их растягивание и стягивание прилегающих к ним поверхностей стеклянных листов. Тем самым создаются механические препятствия к растрескиванию поверхностей стеклянных листов. В результате формируются плотные внутренние стеклянные листы без поверхностных микротрещин.

В качестве примера формирования пространственной наноструктуры стеклянного листа, заключенного между металлическими листами, имеющими с ним химическое сродство, рассмотрим силикатное стекло и алюминий.

Высокая прочность силикатного стекла обеспечивается его внутренней наноструктурой. Основу силикатного стекла составляют элементарные тетраэдры, в центре которых располагаются атомы кремния, а в вершинах атомы активного кислорода. При наличии в составе рецептуры силикатного стекла оксидов алюминия в структуру стекла встраиваются элементарные тетраэдры, в центре которых находятся атомы алюминия, а в вершинах активный кислород. [Пух В.П., Байкова Л.Г., Кириенко М.Ф. и др. Атомная структура и прочность неорганических стекол // Физика твердого тела, 2005. - Т.47. - Вып.5. - С.850-855]. Через атомы активного кислорода элементарные тетраэдры соединяются между собой, образуя пространственную наноструктуру стекла. При формировании стеклянного слоя стеклометаллокомпозита из силикатного стекла на его поверхности оказываются активные атомы кислорода. Алюминий, в период своего образования активно взаимодействует с кислородом, покрываясь прочным оксидным слоем. [Алюминий: свойства и физическое металловедение: Справочник. - М: Металлургия, 1989. - 425 с.]. При соприкосновении расплава алюминия с расплавом силикатного стекла в нейтральной среде активные атомы кислорода, выходящие на поверхность силикатного стекла, поглощаются алюминием с образованием ковалентных связей соединения алюминия со стеклом. Тем самым, образуется прочная и надежная химическая связь стеклянного слоя стеклометаллокомпозита с листами из алюминия. Подобный механизм образования химических связей присущ и алюминиево-магниевым сплавам.

Таким образом, повышение надежности соединения металлических облицовок со стеклянным слоем достигается за счет создания прочных химических связей между металлическими и стеклянными листами.

Упрощение технологического режима изготовления стеклометаллокомпозита и повышение надежности соединения металлических и стеклянных листов стеклометаллокомпозита, без снижения его прочности и ударной стойкости, достигается тем, что металлические листы изготовляют из расплава металла, имеющего химическое сродство со стеклом стеклянных листов, непосредственно при формировании композиционного материала в нейтральной среде.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу, а именно: повысить надежность соединения металлических листов со стеклянными листами стеклометаллокомпозита и значительно упростить технологический режим изготовления стеклометаллокомпозита без снижения его прочности и ударной стойкости. Следовательно, заявленное изобретение является новым и обладает изобретательным уровнем, так как оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для практического применения.

Предлагаемый способ изготовления листового стеклометаллокомпозита поясняется чертежом, на котором приведена схема его формирования. На чертеже обозначены: 1 - камера формирования листового стеклометаллокомпозита; 2 - антиадгезионное покрытие плоского основания камеры 1; 3 - металлический лист листового стеклометаллокомпозита; 4 - стеклянный лист листового стеклометаллокомпозита; 5 - металлический лист листового стеклометаллокомпозита.

Способ осуществляют следующим образом. Плоское основание камеры 1 покрывают антиадгезионным покрытием 2, которое нагревают до температуры плавления металлических слоев. В камеру 1 подают нейтральный газ давлением порядка 1·10⁵ Па. На антиадгезионное покрытие 2 наносят расплав металла для формирования металлического листа 3 требуемой толщины, нагретого до температуры, обеспечивающей надежное соединение металла со стеклом. Расплав металлического листа 3 покрывают расплавом стекла для формирования стеклянного листа требуемой толщины 4, на который наносят расплав металла для формирования металлического листа 5 требуемой толщины, нагретого до температуры, обеспечивающей надежное соединение металлического листа 5 со стеклянным листом 4, и т.д. Расплавы металла и стекла под давлением нейтрального газа равномерно растекаются: металлического листа 3 по антиадгезионному покрытию 2, стеклянного листа 4 по расплаву металлического листа 3, металлического листа 5 по расплаву стеклянного листа 4 и т.д. Нанеся требуемое количество металлических и стеклянных листов остужают пакет листов 3, 4, 5 до температуры стеклования стеклянного листа 4. Затем производят отжиг листового стеклометаллокомпозита при температуре стеклования до полной релаксации напряжений и стабилизации свойств стеклянного листа 4. Листовой стеклометаллокомпозит остужают до температуры внешней среды и извлекают его из камеры 1.

В качестве конкретного примера реализации заявленного способа изготовления листового стеклометаллокомпозита рассмотрим изготовление стеклометаллокомпозита на основе технического стекла, получаемого методом вертикального вытягивания (типа ВВ), имеющего следующую рецептуру 71SiO₂+2Al₂O₃+8СаО+3,5MgO+15,5Na₂O, облицованного металлическими обшивками из алюминиево-магниевого сплава АМг-3. Температура плавления алюминиево-магниевого сплава АМг-3 Т_пл=660·°С. Коэффициенты термического расширения: стекла α=8,5·10^-6·°С^-1; алюминиево-магниевого сплава АМг-3 α=23,6·10^-6·°C^-1. Способ изготовления листового стеклометаллокомпозита из этих составляющих осуществляют следующим образом. Плоское основание камеры 1 покрывают антиадгезионным покрытием 2 (например, графитом), которое нагревают до температуры Т_о=450·°С. В камеру подают нейтральный газ давлением порядка 1·10⁵ Па. На антиадгезионное покрытие 2 наносят расплав алюминиево-магниевого сплава, разогретого до температуры Т=750·°С, в количестве, необходимом для формирования металлического листа 3 требуемой толщины (например, 1 мм). Металлический лист 3 покрывают расплавом стекла 4 (температура расплава Т=1200·°С) требуемой толщины (например, 5 мм), на который наносят расплав металла (температура расплава Т=750·°С) для формирования металлического листа 5 требуемой толщины (например, 1 мм). И т.д. Расплавы металла и стекла под давлением нейтрального газа равномерно растекаются: металлического листа 3 по антиадгезионному покрытию 2, стеклянного листа 4 по листу 3, металлического листа 5 по расплаву стеклянного листа 4 и т.д. Нанеся требуемое количество металлических и стеклянных слоев, остужают пакет листов 3, 4, 5 до температуры стеклования стеклянного слоя 4 (температура стеклования технического стекла типа ВВ равна T_g=550·°С). Затем в течении 1 часа при температуре стеклования T_g=550·°С производят отжиг листового стеклометаллокомпозита, что обеспечит полную релаксацию напряжений и стабилизацию свойств стеклянного листа 4. После этого листовой стеклометаллокомпозит остужают до температуры внешней среды (например, до температуры T=20·°С) и извлекают его из камеры 1.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в виде изготовления непрерывной ленты листового стеклометаллокомпозита, которая перемещается вдоль длинной камеры с участками: формирования пакета листов стеклометаллокомпозита; остывания пакета листов до температуры стеклования стеклянных листов; отжига; остывания до требуемой температуры; резки ленты стеклометаллокомпозита на куски требуемых размеров; изготовления изделий из стеклометаллокомпозита путем гибки и прессования; остывания изделий до температуры внешней среды.

При использовании алюминия для формования металлических листов и силикатного стекла для формирования стеклянных листов в качестве антиадгезионного покрытия 2 плоского основания камеры 1 может быть использовано олово. При изготовлении листового стеклометаллокомпозита в виде непрерывной ленты могут быть использованы основные техническими решениями метода производства флоат-стекла по формированию толщин стеклянных листов, перемещения ленты листового стеклометаллокомпозита вдоль камеры, резке ленты стеклометаллокомпозита на отдельные куски и т.д.

Технический результат изобретения заключается в создании листового стеклометаллокомпозита, в состав которого входят стеклянные слои с пространственной наноструктурой, покрытые надежно соединенными с ним металлическими слоями. Высокие показатели прочности и ударной стойкости листового стеклометаллокомпозита обеспечиваются исключением поверхностных микротрещин и формированием пространственной наноструктуры в стеклянных слоях.