8. Неметаллические материалы

8.1. Пластмассы

Пластмассы – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Полимеры (от греч. polymeres состоящий из многих частей, многообразный, от poly много и meros доля, часть) – это соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся структурных единиц (звеньев) одного или нескольких типов. Различаются гомополимеры – образуемые соединением друг с другом исходных молекул одного вещества и сополимеры – когда в образовании участвует не одно исходное вещество, а два (иногда три).

Пластические массы помимо полимера, могут содержать наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, пигменты, смазки и другие компоненты. Изделия из пластмасс отличаются малой плотностью, высокими диэлектрическими свойствами, хорошими теплоизоляционными характеристиками, устойчивостью к атмосферным воздействиям и резким сменам температур, стойкостью в агрессивных средах, высокой механической прочностью. Они являются важнейшим конструкционным материалом современных технических устройств, в том числе и на железнодорожном транспорте.

В общем случае пластмассы можно подразделить на две большие группы (рис. 90):

– термопластичные, или термообратимые (термопласты);

– термореактивные, или термонеобратимые (реактопласты).

Термопласты находят в промышленности более широкое применение и производятся в больших количествах. Они хорошо сопротивляются усталости, поэтому их долговечность выше, чем у многих металлических сплавов. Однако они быстро разрушаются при знакопеременных нагрузках с частотой выше 20 Гц. При нагревании способны переходить из твердого состояния в вязкое. При охлаждении происходит обратный процесс.

Эта группа пластиков находит в производстве наиболее широкое использование несмотря на ряд особенностей. Они резко меняют механические свойства при изменении внешних условий и скоростей деформирования. Под нагрузкой в изделиях из термопластов развивается высокоэластичная деформация, которая приводит к искажению размеров. При нагреве выше 20…25 С ускоряется ползучесть, растет остаточная деформация.

В табл. 26 приведены свойства некоторых марок термопластов.

Рис. 90. Виды пластических масс

Полиэтилен является одним из важнейших представителей группы термопластов. Он обладает отличными диэлектрическими свойствами; химически стоек; практически не взаимодействует с влагой, топливом, маслами; не охрупчивается в интервале температур от -60 до +60 С; хорошо сваривается. Однако склонен к старению под воздействием атмосферных условий, имеет недостаточно высокую прочность и теплостойкость.

Используется для изоляции кабелей, в электро- и радиоаппаратуре, в качестве упаковочного материала. Из него изготавливается волокно, трубы, различные пористые материалы.

Таблица 26

Свойства термопластичных масс

Материал	σв, МПа	δ, %	КС, кДж/м2	Максимальная температура эксплуатации без нагрузки, ºС
Полиэтилен: низкой плотности (<0,94 т/м3) высокой плотности (<0,94 т/м3) Полипропилен Полистирол Поливинилхлорид: жесткий пластикат Фторопласт-3 Фторопласт-4 Поликарбонат Капрон	10…18 18…32 26…38 40…60 50…65 10…40 30…40 20…40 60…65 75…85	300…1000 100…600 200…800 3…4 20…50 50…350 160…190 250…500 80…120 50…130	не ломается 5…20 3…15 2…3 2…4 не ломается 8…10 14…16 20…30 3…10	60…75 70…80 90…100 50…70 65…85 50…55 65…90 250…255 130…135 80…100

Фторопласты – полимеры производных этилена, очень стойкие против любых агрессивных сред, имеют высокие антифрикционные свойства, низкий коэффициент трения. Являются отличными высокочастотными диэлектриками.

К недостаткам следует отнести их высокую стоимость, токсичность газов при разложении, низкую стойкость против радиации.

Используются фторопласты в качестве электроизоляционного материала (особенно в технике высоких и сверхвысоких частот); для стыков труб; изготовления манжет, сальников и др.

Полистирол – аморфный полимер, используемый в интервале температур от -40 до +60 С. Водостоек, медленно стареет на открытом воздухе. Является хорошим диэлектриком в высокочастотных цепях. Прозрачен, легко перерабатывается, относительно дешевый. Однако хрупок, имеет низкую теплостойкость, горюч, склонен к растрескиванию.

Широко используется в радиотехнике, а также при изготовлении химической и оптической аппаратуры.

Поливинилхлорид – это полимер, называемый винипластом (если изготавливается без пластификаторов) или пластикатом (при наличии пластификаторов). Положительными качествами является его стойкость к щелочам, кислотам, топливу, смазкам; негорючесть, свариваемость. Однако при пониженных температурах хрупок, при температуре 40…60 С разупрочняется, склонен к разложению.

Применяется для изготовления водопроводных и сточных труб; шлангов; линолеума; искусственной кожи для пассажирских вагонов, автомобилей, самолетов; наружной изоляции электропроводов.

Органическое стекло широко используется в технике и быту, так как обладает рядом ценных свойств: легче и прочнее силикатного стекла; легко окрашивается и обрабатывается; является хорошим диэлектриком; стоек к воде, топливу, смазкам, слабым растворам кислот и щелочей.

Из органического стекла изготавливаются окна самолетов, судов, автомобилей, троллейбусов; предохранительные очки; стоп-сигналы; подфарники; светофильтры; стекла для часов и др.

В последние десятилетия в машиностроении помимо обычных термопластов находят массовое применение новые материалы, которые лучше обеспечивают постоянство размеров нагруженных деталей: полиамиды, поликарбонаты, ацетали, полифениленоксид, насыщенные полиэфиры.

Изделия из полиамидов могут эксплуатироваться длительное время при температуре до 150 С. Имеют повышенную прочность, активно сопротивляются абразивному изнашиванию, обладают малым коэффициентом трения в паре со сталью, что дает возможность их использования в качестве антифрикционных материалов.

Поликарбонаты выдерживают значительные ударные нагрузки. Их ударная вязкость (250…500 кДж/м²) близка к ударной вязкости среднеуглеродистых сталей. Однако существенным недостатком поликарбонатов является склонность к растрескиванию.

Ацетали и их сополимеры отличаются повышенной прочностью и жесткостью; стойки против растрескивания и изнашивания; имеют малый коэффициент трения, который почти не изменяется при нагреве до 100 С.

Термореактивные пластмассы производятся на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Они имеют сетчатую структуру и поэтому при нагреве не плавятся. Устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами. Все термореактивные полимеры имеют низкую ударную вязкость в связи с чем используются с наполнителями. Они более надежны, чем термопласты, обладают большой стабильностью механических свойств, малой зависимостью от температуры, скорости деформирования и длительности нагрузки.

К группе термореактивных пластических масс относятся фенопласты; аминопласты; пластмассы на основе полиэфирных, эпоксидных и кремнийорганических смол; слоистые и газонаполненные (см. рис. 90). В табл. 27 приведены свойства некоторых термореактивных пластмасс.

Таблица 27