Основные преимущества пластмасс и экономическая эффективность их применения

К общим преимуществам пластмасс относятся:

- более низкая стоимость пластмассовых изделий по сравнению со стоимостью изделий из металлов или др. материалов;

- низкая плотность, как правило, не превышающая 1,5 г/см³, что примерно в 5 – 8 раз ниже, чем у стали;

- высокое отношение прочности к плотности, т. е. значительная удельная объемная прочность;

- хорошие электро-, тепло- и звукоизоляционные свойства;

- хорошая технологичность (легко перерабатывается в изделия)

- высокая стойкость к различным агрессивным средам;

- хорошие антифрикционные или фрикционные свойства;

- хорошие прозрачность и способность окрашиваться;

- высокая устойчивость к вибрациям.

Применение пластмасс выражается в снижении массы изделия, повышении эксплуатационных характеристик машин и др. Затраты на материал составляют 40 – 75% всех затрат на изготовление машин, поэтому экономия материала – один из важнейших резервов снижения их себестоимости. Необходимо отметить, что при изготовлении металлических деталей требуется порядка 3-х видов обработки – литье, термообработка, механическая обработка - с большим числом операций (до 30–50), а при изготовлении деталей из пластмасс - преимущественно только один вид обработки – формообразование детали.

К наиболее часто встречающимся недостаткам пластических масс относятся достаточно высокая склонность к старению, низкая твердость, упругость, теплостойкость и др.

Композиционные материалы

Композиционные материалы (КМ) – это искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более компонентов, из которых один служит основой, т.е. матрицей, а другой – упрочняющей арматурой.

Матрица может быть металлической (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), полимерной, керамической или смешанной. Матрица придает требуемую форму изделиям, защищает его арматуру от механических повреждений и др. воздействий окружающей среды.

Армирующие элементы вводят в композиционные материалы с целью придания специальных свойств: высокой прочности, жаропрочности, фрикционных, электрических и др. В качестве армирующих элементов используют нитевидные монокристаллы -усы из графита, карбида кремния, окислов алюминия и др. а также проволоку из вольфрама, молибдена и др.

В матрице армирующие элементы могут быть расположены хаотически, но чаще их размещают в определенном порядке (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схемы армирования: а - хаотическая; б – слоистая; в – ортогональная

По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные КМ имеют одинако­вые свойства во всех направлениях (рис. 5.2, а). К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями. К числу изотропных ус­ловно относят и КМ, армированные ко­роткими (дискретными) частицами

У анизотропных материалов свойства зависят от направления арми­рующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые (рис. 5.2, б) и трехмер­но-направленные (рис. 5.2, в).

Композиционные материалы получают деформированием или литьем.

Литейные КМ получают путем пропитки арматуры матричным ма­териалом, де­формируемые - спека­нием, прессованием, штамповкой и др.

Прочность КМ зависит от характера взаимодействия матрицы и арматуры. Наибольшая прочность достигается, если в поверхностных слоях матрицы и арматуры происходит образование твердых растворов или химических соединений.

Механические характеристики КМ обусловливаются механическими свойствами их составляющих: матрицы и упрочняющих элементов,- их объемным соотношением, качеством соединения, ориентацией волокон и определяются по правилу аддитивности:

σ_в^км = σ_м V_м + σ_н (1- V_м),

где V_м- объемная доля матрицы,

σ_в^км, σ_м, σ_н -пределы прочности композита, матрицы и наполнителя.

Для армирования КМ с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольф­рама, оксидов алюминия и циркония, про­волоку из стальных, вольфрамовых и мо­либденовых сплавов, нитевидные монокристаллы «усы». Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из этих КМ характеризуются высокими прочностью и могут дли­тельно эксплуатироваться при температу­рах 300-450 ^ОС.

Карбоволокниты с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходят специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме они сохраняют прочность до 2200 ^ОС, на воздухе окисляется при 450 ^ОС и требует защитного покрытия.

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомоби­лестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя - борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокой твердостью и моду­лем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. В качестве матриц для получения бороволокнитов исполь­зуют модифицированные эпоксидные и полиамидные связующие. Бороволокниты КМБ-lк предназначены для длительной работы при температуре 200 ^ОС; КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при темпе­ратуре ~100 ^ОС. Изделия из бороволокнитов применяются в авиационной и химической отраслях прмышленности.

Современные композиты сочетают высокую прочность с легкостью и долговечностью. Их применение позволяет снизить массу конструкций на 25-50%, уменьшить трудоемкость их изготовления в 5–10 раз, снизить материалоемкость в 2–3 раза, уменьшить до минимума потери от коррозии и т.д. Применение композитов с каждым годом увеличивается (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Соотношение материалов, используемых в планере самолета