Неметаллические материалы
Одним из эффективных путей снижения металлоемкости конструкций, уменьшения их массы, повышения надежности и долговечности является применение конструкционных неметаллических материалов природного происхождения и искусственно созданных или синтезированных.
С древних времен человек использует естественнеы материалы неорганического происхождения (гранит, мрамор, слюда, асбест), а также природные материалы органического происхождения (древисина, уголь, графит). Их применяют не только в быту и при строительстве зданий, но и при создании различных технических конструкций.
Неметаллические материалы широко используют в машиностроении, авиации, радиотехнической и электротехнической промышленности и во многих других отраслях.
Техническая и экономическая целесообразность применения неметаллических материалов в различных областях техники определяется, с одной стороны, несокращающимся дефицитом на металлы и сплавы, с другой стороны, достаточной сырьевой базой, более низкой себестоимостью, снижением эксплуатационных затрат, более высокой долговечностью, особенно в условиях агрессивного воздействия среды, малой массой изделия по сравнению с металлическим.
Успех в применении неметаллических материалов определяется знанием их свойств и технологических методов переработки материалов в изделие. Именно эти сведения нужны инженеру-конструктору при создании машин, аппаратов и агрегатов из неметаллических материалов.
8.1. Полимерные материалы
Полимеры - высокомолекулярные вещества, состоящие из гигантских макромолекул. К природным полимерам относятся натуральный каучук, кожа, шерсть, шёлк, хлопок и др. Синтетические полимеры являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Например, полимер полиэтилен получают из газа этилена – СН2 –СН2 –СН2 – СН2 -. Если число мономеров (n) в макромолекуле невелико, то получается жидкость. С увеличением молекулярной массы полимер становится твёрдым, причём чем больше n, тем твёрдость и прочность выше.
Макромолекулы могут иметь линейную, разветвлённую или пространственную (сшитую, сетчатую) структуру (рис.8.1).
Рис. 8.1.Структура полимеров:
а) линейная, б) разветвлённая, в) пространственная
В полимерах с линейной и разветвлённой структурой связь между макромолекулами слабая (нет химических связей), поэтому при нагреве они размягчаются и плавятся, а при охлаждении затвердевают и так может быть неоднократно. Такие полимеры называются термопластичными (термопластами).
Термореактивные полимеры плавятся при нагревании один раз, при этом или в результате нагрева, или при воздействии специальных веществ – отвердителей между макромолекулами устанавливаются химические связи (сшивка макромолекул). Отвердевшие реактопласты нельзя повторным нагревом вновь перевести в вязкотекучее состояние.
У термопластов в зависимости от температуры может быть три физических состояния:
1.стеклообразное, 2. высокоэластичное, 3. вязкотекучее.
В стеклообразном состоянии полимеры ведут себя как упругие твёрдые тела. В высокоэластичном состоянии под нагрузкой происходит распрямление скрученных молекул и деформация может достигать 500-800% (например, резина). При снятии нагрузки высокоэластичная деформация исчезает. В вязкотекучем состоянии полимер становится вязкой жидкостью и течёт под нагрузкой, при этом макромолекулы перемещаются друг относительно друга, поэтому деформация необратима.
Пластмассы.
Пластическими массами называют искусственные материалы на основе природных или синтетических полимеров.
Пластмассы подразделяют на простые и композиционные. Простые состоят из одного компонента – полимера, а композиционные из следующих составляющих:
1.Полимер в виде смолы (как правило, термореактивной), играет роль связки (30-70% по массе).
2.Наполнители – для придания нужных механических или каких-то специальных свойств, а также для удешевления или уменьшения усадки (древесная и кварцевая мука, графит, хлопчатобумажная стеклоткань).
3.Отвердители или катализаторы – для затвердевания смолы (перевода в реактопласт) – несколько процентов (окись магния, известь).
4.Пластификаторы – для увеличения гибкости, вязкости (10-20%) (касторовое масло камфара).
5.Смазывающие – увеличивают текучесть, устраняют прилипание к прессформе.
6. Красители (нитрозин, мумие).
7. Стабилизаторы – для замедления старения (вода, фосфориты, аминокислоты).
8. Специальные добавки – для уменьшения статических зарядов или горючести, для защиты от плесени и др.
Основными положительными особенностями пластмасс являются простота технологического процесса изготовления изделий из них, высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкий удельный вес, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. В ряде случаев пластмассы обладают хорошей механической прочностью (удельной), антифрикционными свойствами, износостойкостью. Кроме того, изделия из пластмасс можно сделать очень декоративными.
Пластмассы могут поставляться в виде порошков, гранул, таблеток, волокон, в виде полуфабрикатов (пленок, листов, плит, труб, блоков), в виде жидких веществ (полиэфиры, эпоксиды, полиуретаны).
В зависимости от поведения пластмасс при нагревании они делятся на две группы: термопласты и реактопласты.
Термопластические пластмассы.
Термопласты – это ненаполненые пластмассы (на основе поливиниловых и полиамидных смол, эфиров и целлюлозы), которые после нагревания сохраняют способность к повторному размягчению и растворению в растворителях. К таким пластмассам относятся:
- полиэтилен – используется для изоляции проводов, изготовления плёнки, труб и др;
- полипропилен – используется в тех случаях, что и полиэтилен, а также для различных деталей, например, для изготовления рулевых колёс автомобилей;
- полистирол – детали холодильников, раковины, ванны и др., а также пенопласт;
- поливинилхлорид – изоляция (электрическая), для производства лаков, клеев, искусственной кожи, линолеума, для защиты металлов от коррозии и агрессивных сред;
- оргстекло – стёкла для машин, самолётов, часов, детали приборов, хорошо пропускает ультрофиолетовые лучи (75%);
- фторопласт – по химической стойкости соответствует золоту и платине, теплостойкость до +2500С , самый лучший диэлектрик на любых частотах электрического тока, имеет самый низкий коэффициент трения, но плохо обрабатывается. Изготовливают сепараторы в подшипниках качения, причём продукты износа являются смазкой, подшипники скольжения (с наполнителями) без смазки, уплотнения подвижных и неподвижных соединений, защитные покрытия на металлах;
- полиамиды – капрон, нейлон – из них делают вкладыши подшипников скольжения, кулачки, зубчатые колёса, лопатки насосов, гребные винты, применяются при изготовлении канатов, транспортёрных лент и во многих других случаях.
Термореактивные пластмассы.
Реактопласты, как правило, являются композиционными наполнеными пластмассами. Наиболее широко для их изготовления применяются следующие термореактивные смолы:
- фенолоформальдегидные (наиболее дешёвые),
- эпоксидные (наиболее прочные),
- кремнийорганические (наиболее термостойкие).
Фенолоформальдегидные смолы требуют для своего отверждения повышенные давление и температуру, эпоксидные и полиэфирные отверждаются при нормальной температуре и давлении с участием отвердителей.
Реактопласты в зависимости от наполнителя подразделяются на пресс-порошки, волокниты и слоистые пластики.
Пресс-порошки – наполнитель порошкообразный, древесная или кварцевая мука, асбест, графит и др. Связкой чаще всего является фенолоформальдегидная смола. Изделия из пресс-порошков обладают хрупкостью и невысокой прочностью.
Из них изготавливают детали электротехнического назначения (розетки, патроны, штепсели) и несиловые детали машиностроения (кнопки, ручки, маховички и др.).
Волокниты – прочные конструкционные материалы. Наполнителями являются хлопчатобумажные очёсы, асбестовое волокно, стекловолокно и др. Они отличаются высокой ударной прочностью. Стекловолокниты применяются для изготовления вкладышей подшипников, сильно нагруженных корпусов приборов, а также лодок, катеров и др. Асбесто-волокниты имеют высокие электроизоляционные свойства при высоких температурах, поэтому из них изготавливают детали коллекторов, контактные панели и др.
Слоистые пластики – на основе фенолформальдегидной смолы. Изготавливают пластики в виде листов, труб, плит и т. д. В качестве наполнителя применяется текстильная ткань (текстолит), асбестовая ткань, (асботекстолит), бумага (гетинакс), древесный шпон (ДСП), стеклоткань (стеклотекстолит) и др. Из текстолита изготавливают безшумные зубчатые колёса, подшипники, панели и др. Из гетинакса- панели, щитки, корпуса приборов и др. Из стеклотекстолита – печатные платы электронных и радиотехнических приборов, трубы, ёмкости, пуленепробиваемая броня, кузова автомашин, самолётов, детали реактивных двигателей и др.
В конструкциях летательных аппаратов всё более широко начинают применяться полимерные материалы позволяющие снижать массу, повысить жёсткость, прочность и теплостойкость. Наполнителями являются углеродные, борные и другие волокна с большим модулем упругости. Связка – эпоксидная смола, а также новые более теплостойкие полимеры и др. Углепластики, например, применяют для изготовления сопел реактивных двигателей, лопастей вертолётов и др.
Газонаполненные пластмассы – различают пенопласты и поропласты. У пенопластов микроскопические ячейки, заполенные газом, не сообщаются между собой, а поропласты имеют открытопористую структуру. Изготавливают газонаполненные пластмассы из размягченного полимера и газообразующих веществ. Используются как термопластичные так и термореактивные полимеры. Основное применение – в качестве тепло-звукоизоляции в судо и авиастроении, холодильной и химической технике, строительстве, а также для поплавков, пантонов, спасательных средств и др.
Переработка термопластов в изделия.
Термопласты перерабатывают в изделие следующими основными способами:
- литьё под давлением;
- центробежное литьё;
- свободное литьё;
- экструзия (непрерывное выдавливание с помощью червячных устройств);
- раздувка (плёнок, бутылок, канистр и др.);
- вакуумное и пневматическое формование листовых термопластов;
- штамповка в стеклообразном состоянии – вырубка, пробивка, отрезка листовых пластмасс;
- обработка резанием на станках.
Переработка реактопластов в изделия.
Существуют следующие способы переработки реактопластов в изделия:
Пресс-порошки, волокниты перерабатываются в изделия методом прессования в прессформах. Различают прямое и литьевое прессование. Прямое прессование – прессформа состоит из матрицы, пуансона и выталкивателя. Литьевое прессование – для деталей сложной конфигурации с небольшой толщиной стенок или с металлической арматурой. Материал пластифицируется в загрузочной камере и по литниковому каналу поступает в прессформу.
Листовые материалы - текстолит, асботекстолит, стеклотекстолит, гетинакс, ДСП получают прессованием на многотоннажных прессах. Наполнительные ткани пропитывают смолой, подсушивают и укладывают слоями между полированными стальными плитами и включают нагрев и давление.
Для переработки стеклопластиков в изделия используют контактный метод, намотку, протяжку, пресс-камерный и др. Для осуществления контактного метода необходима модель изделия, которую покрывают разделительным слоем. Пропитанную эпоксидной или полиэфирной смолой ткань с введённым отвердителем укладывают на модель и прикатывают роликом. Можно нанести несколько слоёв ткани. Так изготавливают кузова спортивных автомобилей, корпуса мелких судов, шлюпок и т.д.
Пресс-камерный способ применяется для изготовления крупногабаритных деталей с пенопластовым сердечником для облегчения. В нижнюю часть пресс-формы закладывают пропитанную смолой стеклоткань, на неё гранулы для образования пенопласта, а сверху ещё один пакет стеклоткани со смолой. Опускают вторую половину пресс-формы и нагревают. Пенопласт от нагрева вспенивается, давление увеличивается и пакеты стеклоткани прижимаются к пресс-форме, в точности её копируя.
Намоткой изготавливают трубы, цистерны, баки, сопловые раструбы, корпуса двигателей для ракет и др. Стекложгут, пропитанный связующими с отвердителем, наматывают на оправку («мокрая» намотка) или уже намотанный стекложгут пропитывается смолой под давлением («сухая» намотка).
Протяжкой изготавливают трубки, стержни, уголки и т.д. Стекловолокниты сматывают с бобин, пропитывают связующим в ванне и протягивают через формующую головку. Для полного отверждения изделие помещают в термокамеру.
Прокаткой изготавливают плоские и гофрированные листы из стеклопластика.
Методы соединения пластмасс.
В основном это сварка и склеивание. Сваривают термопласты, переводя кромки в вязкотекучее состояние и сдавливая до установления межатомного и межмолекулярного взаимодействия с последующим охлаждением. При перегреве кромок пластмасса горит или даже разлагается, сварное соединение в этом случае получится непрочным.
Сварка применяется при изготовлении ёмкостей, труб, изделий из плёнок, химической аппаратуры, фасонных изделий, а также при сборке сложных конструкций, трубопроводов.
Виды сварки отличаются способом нагрева кромок:
газовая – (воздух или инертный газ разогреваются пламенем или электрическим током);
нагретым инструментом (любым способом нагревается металлическая пластина, диск, лента, проволока, которая оплавляет кромки);
нагретым присадочным материалом (нагретый до жидкого состояния присадочный материал выдавливается автоматически в шов, в том числе, экструзионным пистолетом);
сварка ТВЧ (только полярных полимеров, молекулы которых имеют полюса (+) и (-), высокая частота изменения полярности тока приводит к поворотам молекул и разогреву);
ультразвуком – разогрев и деформация кромок происходит под влиянием колебаний инструмента с частотой 50 килоГерц;
трением – разогрев кромок от вращения одной детали относительно другой;
инфракрасными лучами – лучи с длиной волны более 2,5 мкм получают от кварцевых ламп или разогретых силитовых стержней, нихрома;
лазером – можно сваривать листы от 12 мкм до 250 мм и др.
Склеивание пластмасс.
Преимущество перед сваркой – возможно применять для соединения любых материалов, даже разнородных, например, металл –пластмасса. Прочность клеевого соединения зависит от адгезии и когезии клея. Адгезия – прилипание клея к материалу, а когезия – сцепление молекул внутри клеевого слоя. Адгезия может быть результатом затекания клея в поры и трещины, за счёт диффузии молекул, образования химического взаимодействия и других факторов. Для получения прочного клеевого соединения силы адгезии должны быть равны силам когезии.
По своей природе клеи можно разделить на животные (кости и кожа животных, молоко и т.д.), неорганические – растворы минеральных солей (жидкое стекло) и синтетические - получившие наибольшее распространение. Эти клеи – растворы полимерных материалов в органических растворителях или полимерные смолы. Для улучшения свойств клеев в них вводят наполнители и стабилизаторы.
Клеи на основе термопластов (полистирол, оргстекло) применяются для несиловых конструкций. Широкое распространение получили клеи на основе термореактивных смол: БФ2 – спиртовой раствор резольной фенолформальдегидной смолы и поливинилбутираля, отверждается при температуре 1600С, за 0,5 –1ч. Используется для склеивания металлов, пластмасс, стекла, керамики и др.
Благодаря высокой адгезии к различным материалам получили распространение клеи горячего и холодного отверждения на основе эпоксидных смол.
Эпоксидные клеи: ВК – 32-Э отверждается при температуре 120-1600С, Л-4 – при комнатной температуре. Эпоксидные клеи горячего отверждения обеспечивают повышенную прочность. Полиуретановые эпоксидные клеи можно эксплуатировать при температуре до 2500С.
Склеивание широко применяется: в самолётостроении, машиностроении, строительстве, лёгкой промышленности, медицине и т.д.
Полимерные покрытия металлов.
Полимерное покрытие наносят на металлическое изделие в виде порошков, суспензий, плёнок. Нанесение порошков производится вихревым, вибрационным способом или в электростатическом поле.
Сущность вихревого способа заключается в том, что с помощью какого-либо газа (воздух, азот) частички полимера наносятся на нагретую деталь, где они оплавляются. При вибрационном способе частички порошка движутся от вибрации. Наиболее качественным способом является нанесение порошка на деталь в электростатическом поле. К порошку подводится минус, а к детали плюс высокого напряжения, в результате порошок равномерно оседает и хорошо удерживается на поверхности, а затем оплавляется.
С помощью суспензии наносят на трубы и детали фторопластовое покрытие, т.к. фторопласт при нагреве, не переходя в жидкое состояние, разлагается. Очень мелкие частички полимера смешивают с водой, добавляют аммиак (поверхностно активное вещество, чтобы частички не слипались, и полученную суспензию наносят кистью или окунанием. Затем сушат и нагревают для оплавления покрытия. Как правило наносят несколько слоёв.).
Листовой металл плакируют пластиками в виде плёнок (полиэтиленом, хлорвинилом и др.), причём сначала наносят клей, сушат, а затем с плёнкой прокатывают при температуре 160-1800С.
Металлические изделия с нанесённым покрытием из полимеров имеют высокую прочность, присущую металлам, и положительные свойства полимеров. С помощью полимерных покрытий можно заменить дорогие и дефицитные цветные сплавы или высоколегированные стали не дорогими углеродистыми сталями.
Правила использования пластмассовых деталей.
1. Не рекомендуется изготавливать детали, которые в процессе эксплуатации подвергаются постоянным нагрузкам (хотя и допустимым) т.к. развивается ползучесть.
2. Не рекомендуется из пластмасс изготавливать детали, работающие под нагрузкой и от которых требуется высокая точность.
3. Пластмассы обладают низкой жёсткостью (в 100-1000 раз меньшей, чем у металлов), поэтому в деталях из пластмасс предусматривается арматура, рёбра жёсткости.
4. Необходимо учитывать нагрев при работе детали. Нагрев (даже допустимый) под нагрузкой вызывает изменение структуры, приводит к ползучести.
5. Понижение температуры уменьшает сопротивление удару.
6. В зависимости от ориентации волокнистого или слоистого наполнителя, а также от ориентации макромолекул в термопластах, свойства могут сильно отличаться, поэтому в деталях надо учитывать направление волокон.
7. Пластмассы хуже сопротивляются растяжению, чем сжатию. Допустимые напряжения при растяжении у термопластов не превышают 100 кгс/см2, а у реактопластов 150-400 кгс/см2.
8. Пластмассы хорошо сопротивляются усталости. При переменных нагрузках пластмассы имеют отличную долговечность и большую демпферическую способность, которая выше, чем у многих сталей и сплавов. Из-за высоких демпфирующих свойств пластмассы (как и резины) используются в качестве звуко – и вибропоглащающих материалов.
На работоспособность пластмасс большое влияние оказывает процесс старения, сущность которого заключается в постепенном разрушении пластческих связей в главных цепях макромолекул. Деструкция макромолекул происходит в результате нагрева, механических нагружений, воздействия света, окисления, гидролиза. В связи с этим при изготовлении деталей из пластмасс необходимо учитывать время, в течение которого деталь должна работать в данных условиях.
Таким образом, обладая рядом ценных свойств, не присущих пластическим материалам, пластмассы являются хорошим дополнением к металлам, а в ряде случаев их полноценными заменителями. При замене чёрных металлов литьевыми пластмассами, трудоёмкость изготовления деталей уменьшается в 5-6 раз, а себестоимость – в 2-7 раз. Принято считать, что 1т пластмасссы заменяет 4-5 т цветных металлов.