Глава 35

ХЛАДОСТОЙКИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Общие сведения

Неметаллические материалы в качестве конструкционных ма­териалов служат важным дополнением к металлам, исполь­зуемым в технике низких температур.

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Ранее отмечалось, что полимеры - это химические соединения, пред­ставляющие собой длинные цепные молекулы, состоящие из

многочисленных последовательно соединенных звеньев одина­кового строения. По фазовому составу полимеры представляют собой системы, состоящие из кристаллических и аморфных об­ластей.

Для полимеров характерен широкий диапазон механических характеристик, сильно зависящий от их структуры.

Температура также оказывает решающее влияние на все по­казатели механических свойств. На рис. 35.1. схематически пока­заны различные виды диаграмм напряжение - деформация (кри­вые as) одного и того же полимера, полученные при одинаковой скорости нагружения, но при разных температурах. Шкалы этих диаграмм приблизительны, но дают представление о порядке на­блюдаемых при испытаниях полимеров величин. Первый вид кри­вых типичен для полимеров, находящихся в хрупком состоянии ниже температуры стеклования Т_с, второй - в полухрупком вблизи этой температуры, третий - в эластичном состоянии выше темпера­туры стеклования. Верхняя кривая характерна для случая одно­родного растяжения, нижняя - для растяжения с образованием шейки. Работа разрушения может быть оценена площадью под кривой напряжение - деформация. Хрупкие материалы характе­ризуются малой работой разрушения, а пластичные - большой работой разрушения и значительным удлинением при разрыве.

При криогенных температурах большинство полимеров нахо­дится в хрупком состоянии. Однако у ряда полимеров, например ориентированных волокон полиамидов, даже при криогенных температурах удлинение может составлять более 10%. Возмож­но, пластичность сохраняется благодаря локальным разогревай при деформировании за счет их низкой теплоемкости вблизи аб­солютного нуля.

б, МПа б, мпа б, мпа

Рис. 35.1. Типы диаграмм растяжения — деформации, полученные при растяже­нии полимеров:

а - хрупкое состояние; б - полухрупкое состояние; в - эластичное состояние. Верхняя кривая - однородное растяжение, нижняя кривая - растяжение с образо­ванием шейки

В технике низких температур широко используют термопла­стичные и термореактивные пластмассы, клеящие материалы и хладостойкие резины.

2. Пластмассы

В технике низких температур наибольшее применение нахо­дят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, поли­стирола, фторопластов, полиамидов и других полимеров.

Полиэтилен имеет линейную структуру макромолекул [—СН₂—СН₂—]„ и является продуктом полимеризации этилена. Его температура стеклования Т_с составляет от -170 до +130 °С. По способу изготовления различают полиэтилен низкой плотности (до 0,930 г/см³) и полиэтилен высокой плотности (до 0,970 г/см³). Полиэтилен высокой плотности имеет интервал рабочих темпера­тур от -70 до +80 °С, а полиэтилен низкой плотности - от -70 до +70 "С.

Фторопласты - полимеры фторпроизводных этиленового ряда.

Наиболее широкое распространение при низких температурах получил фторопласт-4 (тефлон), или политетрафторэтилен. Ин­тервал рабочих температур при эксплуатации изделий из фторо­пласта-4 от -269 до + 260 °С.

Фторопласты широко применяются для изготовления хладо­стойких деталей (втулок, пластин, дисков, прокладок, сальников, клапанов), для облицовки внутренних поверхностей различных криогенных емкостей.

Поликарбонат - термопластичный полимер на основе дифе- нилолпропана и фостена, выпускаемый под названием дифлон. Это один из наиболее хладостойких и ударопрочных термопла­стов, поэтому он может использоваться в качестве конструкцион­ного материала, заменяющего металлы, в том числе в криогенной технике для работы в среде жидких газов.

Большую группу реактопластов составляют слоистые пласт­массы, которые содержат листовые наполнители, уложенные слоями. В качестве наполнителей для слоистых пластиков ис­пользуют материалы органического (бумагу, хлопчатобумажные ткани и ткани из синтетических волокон) и неорганического (ас­бестовую бумагу, стеклянную ткань, ткань из кварцевых или кремнеземных волокон) происхождения. В зависимости от вида наполнителя различают следующие слоистые пластики: гети­накс, текстолит, стеклотекстолит. Связующими при про­изводстве слоистых пластиков служат фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Механические свойства слоистых пластиков определяются прежде всего видом используемого наполнителя. Наибольшей ме­ханической прочностью обладают слоистые пластики на основе стеклянной ткани или стеклянных жгутов.

Для работы в криогенных условиях применяют стеклопла­стики, представляющие собой высокопрочные композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и высокомодульных стеклянных волокон различного плетения.

В качестве армирующего материала при производстве хладо­стойких стеклопластиков применяют волокно диаметром 6-7 мкм из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла, имеющего высо­кие механическую прочность и модуль упругости, хорошие адге­зионные свойства и малую плотность. Классификация стеклопла­стиков, используемых при низких температурах, по укладке арматуры приведена на рис. 35.2. Связующее пропитывает стек­лянный каркас и после отверждения склеивает между собой от­дельные волокна и слои наполнителя, обеспечивая их монолит­ность и совместную работу в изделии. Высокие физико-механи­ческие свойства стеклопластиков обусловлены прочным сцепле­нием между стеклянными волокнами и полимерным связующим. Эпоксидные смолы, обладая высокой адгезией к стеклянным во­локнам и малой усадкой при отверждении, сохраняют монолит­ность композиции в условиях криогенных температур.

На рис. 35.3 представлены кривые растяжения хладостойкого стеклопластика при изменении температуры от 20 до 593 К и по­казано влияние температуры на временное сопротивление при испытаниях на растяжение. При понижении температуры до 77 К прочность растет. Дальнейшее понижение температуры до темпе­ратуры жидкого водорода (20 К) и жидкого гелия (4,2 К) приводит

стек/гопластики

Слоист/е

ЗЩ

ЗЖ

а

BO/WXHUC/ПЫе

(однталраблетыд

Армированные „ровницей, волокнами

Армированные тканями различного плетения

Лрос/пранственно- сшиш/е ими тремерноариир0$аннше

Рис. 35.2. Классификация хладостойких стеклопластиков по укладке арматуры 654

Ряс. 35.3. Влияние низких тем- fy, МПа ператур на прочность волок­нистого стеклопластика на ос­нове эпоксидной смолы:

а - кривые растяжения при температурах, К: 1 - 20; 2 - 77;

3. - 293; 4 - 393; 5 - 493; 6 - 593; б -изменение ст„ (-293 К)

к некоторому уменьше­нию прочности. По-види­мому, это связано с на­рушением адгезионной связи в системе из-за рос­та внутренних напряже­ний, обусловленных не­одинаковым изменением коэффициентов линейно­го расширения стекло­волокна и связующего.

Стеклопластики ши­роко применяют в ракет­ной и космической тех­нике. Благодаря тому, что основные компоненты высокопрочных стеклопластиков - эпоксидная смола и стекло - не реагируют с жидким водородом, их применяют для изготовления топливных баков.

Стеклопластиковые трубопроводы незаменимы в тех случаях, когда необходима хорошая теплоизоляция в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.

Клеевой

слой

В криогенной технике доля теплопритоков по мостам, подвес­кам и опорам может доходить до 30-50 %. Стеклопластики имеют высокий показатель эффективно­сти теплоизоляции k, определяе­мый отношением величины ра­бочего напряжения а к коэффици­енту теплопроводности X, т. е. k =

= о/Х. Если для стали 12Х18Н10Т

Рис. 35.4. Опора криогенного трубопро­вода:

1. - трубопровод; 2 - хомут; 3 - стекло­пластиковый палец; 4 - опора; 5 - кожух

этот показатель составляет 130-180 условных единиц, то для стеклопластиков 11000-20000, т. е. на два порядка выше. Тепло­вые опоры из стеклопластиков применяют в криогенных трубо­проводах. Конструктивно такие трубопроводы представляют со­бой два коаксиальных цилиндра с центрирующими опорами, имеющими минимальный тепловой контакт с внутренним и на­ружным трубопроводами (рис. 35.4).