9.5.4. Область рационального применения пластмасс.

Особенностями пластмасс являются малая плотность (1-2 т/м³), низкая теплопроводность (0,1-0,3 Вт/м К). Они обладают хорошими электро-, тепло- и звукоизоляционными свойствами. Это определяет использование пластмасс как специальных материалов.

Модуль упругости и механические свойства пластмасс значительно ниже, чем у металлических материалов, они подвержены старению. Эти обстоятельства не позволяют использовать пластмассы для ответственных, нагруженных деталей. В основном они применяются для вспомогательных деталей - рукоятки, панели и т.д. Помимо рассмотренных случаев пластмассы и резины широко используют для изготовления пленочных материалов в упаковочных технологиях, трубопроводов, уплотнительных прокладок и т.п.

Вместе с тем ряд особенностей пластмасс определяет их функциональное применение в ответственных узлах, определяющих работоспособность оборудования. Это антифрикционные и фрикционные, а также виброгасящие свойства.

Антифрикционные пластмассы.В качестве антифрикционных материалов используются как термореактивные, так и термопластичные пластмассы. Это текстолит и ДСП (термореактивные) капрон, фторопласт (термопластичные) и др. Отличительными особенностями этих материалов является то, что их работоспособность не ухудшается при отсутствии смазки, а также при попадании воды в зону трения. В этих условиях они изнашиваются значительно медленнее, чем бронза - традиционный антифрикционный металлический сплав. Наиболее высокими антфрикционными свойствами обладает фторопласт-4. Коэффициент трения в парах со сталью и чугуном у фторопласта в несколько раз ниже, чем у бронз и цинковых сплавов.

Фрикционные пластмассы. Эти материалы применяют в тормозных устройствах, фрикционных муфтах сцепления. Наиболее широкое применение нашлифрикционные асбополимерные материалы(ФАПМ). Это связано со свойствами асбеста: термостойкостью, высоким коэффициентом трения в парах с чугуном и сталью (0.43…45). Кроме того, асбест обладает способностью очищать поверхность трения от загрязнений.

9.6.Композиционные материалы (композиты).

Строение композитов. Композиционные материалы являются искусственными материалами, поэтому их строение может и атомно-кристаллическим, и молекулярным и комбинированным. Композиты представляют собой гетерогенные (неоднородные) системы, состоящие из двух или более фаз-компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства. Макроструктура композиционного материала однородна при неоднородной микроструктуре.

Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Второй, разделенный в объеме композиции, являетсяармирующим (усиливающим). В результате совмещения армирующих компонентов и матрицы композит приобретает ряд свойств, которыми не обладают его компоненты.

Матричным материалом могут быть металлы, сплавы, термореактивные или термопластичные полимеры, керамика или другие вещества. Таким образом, материал матрицы может иметь или атомно-кристаллическое или молекулярное строение. Армирующие компоненты - это мелкодисперсные порошки или волокнистые материалы различной природы. По виду армирующего материала композиты делятся на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые.

Структура дисперсно-упрочненного материала представляет собой металлическую матрицу, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента – упрочнителя. Наиболее эффективное упрочнение достигается при использовании в качестве упрочняющей фазы частиц - карбидов, нитридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твердости, прочности, а также высокой химической устойчивостью. В качестве примера приведем композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицамиAl₂O₃. Свойства композита определяются количествомAl₂O_3. Так, предел прочности композита САП-1 (6…9%Al₂O₃) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13…18%Al₂O₃) - 400МПа. При 500°С предел прочности сплавов САП составляет 80...120 Мпа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превышает 5 Мпа.

У волокнистых композитов матрица армирована высокопрочными волокнами, воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается упрочнение композитов. Материалом матрицы могут быть неорганические вещества – металлы или неметаллы (углерод), а также органические – на основе полимеров. Армирующие волокна – это нитевидными кристаллами, проволокой и т.п.

В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металлическая матрица), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

В качестве упрочнителя применяются высокопрочные волокна из стекла, бора, углерода, металлической проволоки и нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и др. химических соединений.

Название композита определяется материалами матрицы и волокна, например, стеклопластик - это композит, у которого материал матрицы - пластмасса, упрочняющий компонент - стекловолокно.

Армирующие компоненты применяются в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают композиты, образованные из слоев; армированные непрерывными параллельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Расположение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмерным - пространственным.

Композиты с полимерной матрицей.Упрочнителями могут быть стеклянные (стеклопластики), полимерные (органопластики), углеродные (углепластики) волокна. К достоинствам композитов следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость в химически агрессивных средах, а также достаточную простоту изготовления. Однако им присущ ряд недостатков, определяемых свойствами полимерной матрицы. Это, прежде всего, низкие значения прочности, низкая теплостойкость, гигроскопичность и склонность к старению, т.е. к изменению физико-механических свойств под воздействием климатических факторов.

Стеклопластикинашли достаточно широкое применение из-за высокой прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках, коррозионной стойкости. Из них изготавливают детали фюзеляжа и крыльев летательных аппаратов, баллоны высокого давления.

Органопластикиполучают монолитную, беспористую структуру с сильной адгезионной связью связующего и арматуры. Монолитность структуры обеспечивает высокое сопротивление ударным и циклическим нагрузкам, высокую виброустойчивость. Органопластики - самые легкие композиционные материалы, их применение позволяет снизить вес конструкции (при одинаковых размерах) на 20…50% по сравнению с стеклопластиками или сплавами алюминия. Органопластики применяют в качестве обшивочного материала, из них изготавливают также детали оболочковой формы.

Углепластики -наиболее перспективный вид композитов. Их отличают высокие характеристики удельной прочности и жесткости, термостойкость, коррозионная стойкость. Композиты на основе эпоксидных связующих могут длительно работать при температуре до 200°С, а на основе кремнийорганических смол до 300°С.

Композиты с углеродной матрицей. В качестве армирующего компонента таких композитов используется углеродное волокно. Основное назначение таких композитов - теплозащитные покрытия. Они сохраняют высокие механические свойства при очень высоких температурах. При нагреве до 2000°С наблюдается даже некоторое повышение пределов прочности при растяжении и сжатии. По прочности «углерод - углеродный» композит в 5…10 раз превосходит специальные графиты. «Углерод - углеродные» композиты нашли применение для тепловой защиты дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Композиты с металлической матрицей сочетают в себе достоинства и металлов, и композитов. Они обладают высокими значениями модуля упругости, предела прочности, ударной вязкости. Эти материалы сохраняют свои свойства при температурах значительно более высоких, чем композиты с полимерной матрицей. Важным является то, что прочная металлическая матрица обеспечивает высокие механические свойства в направлении перпендикулярном оси волокон. Это определило конструкцию композитов с металлической матрицей как одноосную, т.е. более технологичную. Особо следует отметить, что только такие композиты возможно упрочнить путем термической обработки или наклепа. Повышение механических характеристик достигается при этом за счет упрочнения материала матрицы.

Наиболее распространены композиты с матрицей из алюминияили сплавов на его основе вследствие их высокой технологичности при производстве композитов. В качестве армирующего компонента используют борные и углеродные волокна, стальную проволоку.

Предел прочности бороалюминия (композит марки ВКА-1) вдоль направления волокна при комнатной температуре в два раза выше, чем у конструкционных алюминиевых сплавов (1000…1200Мпа).

Технология изготовления композиционных материалов заключается в соединения матрицы и волокна в целостный материал. При этом возможно получение стандартных профилей (круг, квадрат, лист и т.д.), а также, при совмещении операций производства собственно композита с формообразующими операциями, - готовых деталей, или полуфабрикатов. Технологии изготовления композитов зависят, прежде всего, от свойств материала матрицы.

Технология производства композитов с полимерной матрицейоснована на изменении свойств полимеров при их нагреве и охлаждении. При повышении температуры они размягчаются - становятся пластичными, текучими, а после охлаждения затвердевают и приобретают первоначальные свойства. Производство композита принципиально сводится к созданию каркаса из упрочняющих волокон или тканей, пропитка каркаса связующим, т.е. полимером, являющимся материалом матрицы, охлаждение готового композита.

Наиболее распространенные технологии производства композитов с полимерной матрицей - прессование(для получения сплошных заготовок) инамотка (для получения пустотелых заготовок или деталей - оболочек).

При прессовании армирующий компонент помещают в пресс-форму, пропитывают связующим полимером, полученную массу подвергают давлению при повышенных температурах.

Намоткой изготавливают армированные оболочки. При этом методе лента, образованная системой нитей или сформированная из ткани, пропитывается полимерным связующим и подается на вращающуюся оправку, конфигурация которой соответствует внутренней поверхности изготавливаемой детали, и укладывается на ней различными способами.

Композиты с углеродной матрицей получаютпутем осаждения углерода из газовой фазы.Сначала происходит пиролиз - разложение углеводородных газов (например, метана –CH₄), затем образовавшийся углерод осаждается на заранее сформированный каркас из углеродных волокон. При этом между волокнами постепенно создаются мостики, т.е. формируется матрица и образуется, таким образом, композит. Процесс проводится в индукционных печах при 900…1100°С в вакууме или в нейтральных средах.

Дисперсно–упрочненные композиты с металлической матрицейполучают порошковой металлургией. Волокнистые композиты могут быть получены прокаткой. На прокатном стане производят прокатку многослойных заготовок, в результате получают компактный материал за счет возникновения диффузионных связей. Существуют и другие методы получения волокнистых композитов.