Рекомендована література
[1. с. 385 – 434, 445 – 454; 2. с. 259 – 290; 3. с. 367– 380; 4. с. 250 – 310; 6. с. 150 – 178; 7. с. 626 – 654; 8. с. 54 – 56]
Композиційні матеріали, їх класифікація та властивості
Композиці́йними матеріа́лами (КМ), або компози́тами, називають матеріали, отримані поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Скажімо, один компонент пластичний (зв'язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнював – міцність матеріалу.
Класифікація композиційних матеріалів. Км класифікують за рядом ознак:
за формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;
за видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);
за схемою армування (для волокнистих матеріалів) — з одноосьовим, двохосьовим, трьохосьовим, багато осьовим армуванням;
за видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів — нитки,
джгути, стрічки, тканини.
Будова композиційних матеріалів. У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу міцність і жорсткість, достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.
Як матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високо жорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий дріт, спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.
У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі Al, Mg, Ті, іноді нікелеві сплави. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, бору, тонкі дроти металів.
У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди.
Властивості та використання км. Властивості км залежать від матеріалу матриці і зміцнювача, кількісного їх співвідношення, форми зміцнювача, для волокнистих км — від схеми армування і довжини волокон.
Матриця зв'язує композицію, придає їй форму. Від властивостей матриці залежать технологічні режими одержання КМ і такі важливі характеристики, як робоча температура, густина, питома міцність.
Застосування КМ. КМ з полімерною матрицею, зокрема, матеріали, армовані скляним волокном (склопластики), можуть з успіхом замінити сталь при виготовленні кузовів автомобілів. Лист із такого КМ розміром 1,8×3 м важить всього 2,4 кг. Це приводить до зниження маси автомобіля на 500–1000 кг, що дозволяє загалом заощадити близько 1 млн тонн металу і значно зменшити витрати палива.
Склопластик застосовують для виготовлення корпуса ракети СС 20, для газових балонів автомобілів. Одна з японських фірм виробляє із склопластика болти та гайки, які у 4 рази легше; сталевих, не кородують, а за міцністю не поступаються сталевим.
Кузова гоночних автомобілів виготовляють з вуглепластика (полімерної матриці, армованої вуглецевими волокнами), що значно знижує їх масу.
Вугле- і склопластики є перспективними матеріалами для використання в будівництві у вигляді профілів (балок, швелерів, двотаврів і т. д.). Вуглепластик застосовують для виготовлення деталей автомобіля: шатунів, ресор, карданних валів, при цьому вироби стають дуже легкими. Компанія «Форд» більше 1000 видів деталей автомобіля виготовляє з КМ.
Полімери, їх будова , властивості та застосування
Полімери. Основу неметалевих матеріалів складають високо- молекулярні сполуки (полімери) – складні речовини з великою молекулярною масою. Полімери – це неорганічні і органічні, аморфні і кристалічні речовини, що складаються з "мономерних ланок", сполучених в довгі макромолекули відповідно хімічними або координаційними зв'язками (рисунок 10.1). Полімери – високо-молекулярні сполуки, що містять велику кількість мономерних ланок, – структурних фрагментів, що повторюється і включають декілька атомів, наприклад, полівінілхлорид (-СН2 – CHCl -)n, каучук натуральний, поліетилен та ін. Основні типи полімерних матеріалів – пластичні маси, гуми, волокна, лаки, фарби, клеї, іонообмінні смоли. У техніці полімери знайшли широке застосування як електроізоляційні і конструкційні матеріали. Полімери – хороші електроізолятори, широко використовуються у виробництві різних по конструкції і призначенню електричних конденсаторів, кабелів і ін..
Рисунок 10.1 – Структура поліетилену
До полімерів також відносяться численні природні сполуки: білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, каучук і інші органічні речовини. Назви полімерів утворюються з назви мономера з приставкою полі-: поліетилен, полівінілацетат, поліпропілен і ін. Поліетилен – це довгий ланцюжок атомів вуглецю, до кожного з яких приєднані два атоми водню (рисунок 10.2).
Рисунок 10.2 – Структура поліетилену.
Властивості полімерів визначаються не тільки хімічним складом молекул, але і їх взаємним розташуванням та будовою. Від форми макромолекул залежать такі властивості, як еластичність, міцність, реакція на нагрівання, хімічна стійкість та ін.
Епоксидна смола (ЕС) – олігомери (низькомолекулярний продукт полімеризації), що містять епоксидні групи і здатні під дією отверджувачів (поліамінів та ін.) утворювати зшиті полімери. На основі епоксидних смол виробляються різні матеріали, вживані в різних галузях промисловості. Вуглеволокно і ЕС утворюють вуглепластик (використовується як конструктивний матеріал в різних галузях: від авіабудування (Боинг- 777) до автобудування. Композит на основі ЕС використовуються в кріпильних болтах ракет класу земля-космос. ЕС з кевларовим волокном – матеріал для створення бронежилетів.
Частенько епоксидні смоли використовують як епоксидний клей або просочувальний матеріал – разом із склотканиною для виготовлення і ремонту різних корпусів або виконання гідроізоляції приміщень, а також як найдоступніший спосіб у побуті виготовити продукт із скловолокна. Виріб відразу готовий після відливання у форму, а також і з вірогідністю подальшого розрізання і шліфовки.
Із склотканини з ЕС роблять корпуси плавзасобів, що витримують дуже сильні удари, різні деталі для автомобілів і інших транспортних засобів.
Пластичні маси, їх види, будова, властивості та застосування
Пластичні маси (пластмаси) – це матеріали одержані на основі природних або синтетичних полімерів. З них під впливом нагрівання і тиску можна одержати вироби складної конфігурації, що стійко зберігають надану форму і розміри після припинення термо-механічного впливу.
Вироби із пластмас характеризуються високими фрикційними та антифрикційними властивостями, значною хімічною та корозійною стійкістю, низькою теплопровідністю, хорошими електроізоляційними властивостями, а головне, малою густиною 0,015…2,0 г/см3 і значною межею міцності σв = 30…480 МПа, добре зварюються, склеюються і обробляються різанням.
Термопласти. Основу термопластів складають полімери, що володіють еластичністю. При тепловому впливі вони не зазнають хімічних перетворень і не втрачають здатності до повторної переробки. Серед термопластів найбільш розповсюджені поліетилен, полістирол, фторопласт, капрон, органічне скло та ін. Як правило, термопласти відносять до простих пластмас, хоча інколи до них додають пластифікатори.
Переробку пластмас у вироби здійснюють шляхом екструзії (формування термопластів видавлюванням), пресуванням, штампу-ванням, литтям під тиском, зварюванням, склеюванням.
Поліетилен – продукт полімеризації газу етилену, механічно достатньо міцний, зберігає одержану форму до 60 ºС, хороший діелектрик, морозостійкий (до – 60 ºС). Це досить дешевий, легкий, водостійкий матеріал, використовується при виготовленні проводів, кабелів, плівок, труб, ємностей для агресивних рідин.
Полістирол – твердий аморфний продукт полімеризації ненасиченого вуглеводню – стиролу. Випускається промисловістю у вигляді листів, стержнів (блоків), порошку. Блочний полістирол прозорий (світлопроникність до 90 %), безкольоровий. Полістирол гарний діелектрик, широко використовується в якості електро-ізоляційного матеріалу, легко піддається обробці різанням.
Фторопласт – кристалічний полімер, володіє високою хімічною стійкістю, високими антифрикційними властивостями. Крім того, його використовують в якості діелектрика, антифрикційного матеріалу, захисного покриття металів тощо. Із фторопласту виготовляють труби, шланги, насоси.
Заслуговують на увагу конструкційні шаруваті термореактивні матеріали: текстоліт, гетинакс, склотекстоліт.
Текстоліти – шаруваті матеріали, що одержують шляхом пресування укладених правильними шарами бавовняно-паперових тканин (батист, шифон, саржа та ін.) та просочених фенолформаль-дегідними смолами. Вони масло - і бензостійкі, достатньо водостійкі, мають гарні фізико-механічні властивості. Як конструкційний матеріал текстоліт широко використовується в машинобудуванні для виготовлення прокладкових кілець, шестерень, вкладишів підшипників, деталей в електро- та радіотехніці.
Гетинакс – досить дешевий електроізоляційний матеріал. Наповнювачем у гетинаксі служить папір. Використовується в електро-техніці та як лицювальний декоративний матеріал.
Склотекстоліт одержують, використовуючи в якості наповню-вача скловолокно. Це надає матеріалу більшу теплостійкість, електро-ізоляційну здатність.
Гума, її властивості види та використання
Гума. Гума представляє собою продукт вулканізації гумової суміші (композиції, що містять каучук, наповнювачі, пластифікатори, прискорювачі і активатори вулканізації та ін.). Гума – конструкційний матеріал з високою еластичністю, тобто здатністю до значних зворотних деформацій (до 1000 %). Гума володіє досить цінними специфічними властивостями: високою еластичністю та пружністю, здатністю багаторазово згинатися, опиратися стиранню, поглинати вібрації; вона гідро- і газонепроникна, стійка проти впливу рідкого палива і мастил, має високі діелектричні властивості.
Завдяки зазначеним властивостям гума широко використовується для виготовлення різноманітних виробів (рисунок 10.3): для ущільнення люків, дверей, ілюмінаторів на судах; шин для автомобілів, літаків; рукавів для подачі різних рідких та газоподібних речовин (води, пального, мастил, газів); приводних ременів та транспортерних стрічок, ущільнюючих елементів, амортизаторів, електроізоляційних елементів, водоплавальних засобів та багато інших.
Амортизатори призначені для застосування як відбійних пристроїв при швартовці малотоннажних суден до пірсу або причалу при температурі навколишнього повітря від - 40 до + 40 °С. Амортизатори є гумовими трубами різного діаметру.
Рисунок 10.3 – Приклади деяких виробів з гуми
Рідка гума – це гідроізоляційний матеріал нового покоління. Наноситься він напиленням, миттєво твердне, його характеристики значно перевершують всі ті гідроізоляційні матеріали, які були винайдені раніше.
Особливу роль в літако- і суднобудуванні грає силіконова гума. Саме у цих галузях потрібна її працездатність при високих і низьких температурах. Тому силіконовій гумі тут віддається перевага при виготовленні ущільнювачів і ізоляції.
Гнучка й еластична силіконова гума має унікальну хімічну структуру, що надає їй високу температурну стійкість і хімічну інертність, як ні в якого іншого еластомера, і як результат - вона може працювати в умовах, де не може використовуватися ні який інший матеріал. Дана гумова пластина значно перевершує інші еластомери в стійкості до впливу високих температур, перевершує їх за терміном служби, має меншу залишкову деформацію й антигезійними властивостями, не має заходу, смаку й не токсична, має відмінну стійкість до атмосферних впливів, тому що не піддається впливу сонячних променів, озону, вологи й сухості.
Отже, всі зазначені неметалеві матеріали мають суттєве використання в різних галузях народного господарства і, зокрема, у суднобудуванні.