книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

туры. Зависимость предела прочности на сжатие от темпера­

туры показана на фиг. 119.

личением скоростей полета до сверхзвуковых вызвали необхо-

димость повышения теплостойкости органического стекла.

Новые марки органических стекол обладают большей проч­

ностью (σs- 8,5—9,2 кг/мм2)3 и более высокой теплостойкостью до 160p.

2. Целлулоид

Целлулоид это твердый раствор нитроцеллюлозы и камфорыПо оптическим и эксплуатационным свойствам целлулоид зна­ чительно уступает органическомустеклу. Он обладает малой

прозрачностью, низкой светостойкостью, плохой морозостойко­ стью и легко воспламеняется. Но он имеет несколько большую

пластичность (δ 12—18o∕o) и поэтому применяется для изго­

товления прозрачных деталей к приборам, планшетов, угольни­

ков, ручных компасов и т. п. деталей.

3. Триплекс

Триплекс (безосколочное стекло) не дает .при поражении ос­

колков, используется для остекления кабин и фонарей само­

лета.

Представляет два листа силикатного зеркального стекла, склеенных с промежуточной пленкой из поливинилацетата; последний является продуктом полимеризации ацетилена и ук-

180

сусной кислоты; обладает хорошей прозрачностью и высокой

склеивающей способностью.

Температура .эксплуатации силикатного триплекса состав­ ляет 180—200°; в последнее время при изготовлении силикатного

триплекса применяют новое склеивающее вещество, представ­ ляющее кремний-органический прозрачный каучук, который устойчив до температуры — 200—300°. Соответственно повы­ шается температура эксплуатации силикатного триплекса.

Недостатком силикатного триплекса является его значительный удельный вес (γ = 2,5).

Органический триплекс изготовляется из двух листов органи­

ческого стекла, склеенных бутварной пленкой.

По морозостойкости, абразивостойкости и светостойкости он находится на уровне серийного органического стекла. Удельный

вес его γ= 1.16. Он может применяться в интервале температур

от —60 до +140°, для остекления кабин летательных аппаратов,

находящихся в полете под избыточным давлением (герметичных

кабин), При больших ударных и статических нагрузках органи­

ческий триплекс дает местный очаг разрушения, а органическое

сом состоит в меньшем удельном весе.

V. ПЛАСТМАССЫ БЕЗ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

1. Полиэтилен

Полиэтилен — продукт полимеризации этилена. В форме

полуфабриката он имеет вид твердых роговых зерен, от белого до серого и желтого цветов. Размягчается полиэтилен при тем­

пературах 110—130°. Изделия из него могут изготовляться мето­

водостойкостью, химостойкостью, морозостойкостью (до —70°)

и высокими диэлектрическими характеристиками. Полиэтилен

широко применяется для изоляции проводов, защитных оболо­

чек кабелей, изготовления деталей высокочастотных установок и радиоаппаратуры. Из него также изготовляют коррозионно-

стойкие трубы, подводные кабели, уплотнения, прокладки, шлан­

ги и оболочки контейнеров для окислителей (азотной кислоты). Кроме того, он служит материалом для изготовления прозрач­

ных пленок автостратостатов.

Под влиянием радиоактивного облучения сильно изменяются

свойства полиэтилена. Повышаются его термостойкость, кисло­

тоупорность и стойкость к органическим растворителям. Проч­

ность возрастает, а эластичность уменьшается.

181

2. Полистирол

Полистирол — продукт полимеризации стирола. В форме

полуфабриката он имеет вид тонко-гранулированного порошка

белого цвета.

Изделия из полистирола, получаемые методом прессования

или литья под давлением, могут быть прозрачными.

Отличительными особенностями полистирола являются пол­

ная водостойкость и высокие диэлектрические свойства.

Удельный вес полистирола γ=> 1,05 а/сж3; предел прочности

Полистирол несколько уступает органическому стеклу по меха­ ническим свойствам, но превосходит его по диэлектрическим

характеристикам.

По сравнению со всеми другими пластиками полистирол

обладает наибольшей стойкостью по отношению к действию

радиоактивного облучения.

Полистирол применяется для деталей высокочастотной изо­

ляции: обтекатели радиолокационных антенн, ламповые панели,

основания конденсаторов, трубки для защиты высокочастотных проводов, патроны, футляры кнопочного управления и т. п.

3. Фторопласты

Фторопласты получаются в результате полимеризации непре­ дельных галоидных производных этилена, например, тетрафтор-

этилена.

Основной особенностью фторопластов является их абсолют­

ная стойкость к действию агрессивных сред, включая концентри­

рованную азотную кислоту, царскую водку, щелочи и окисли­

тели. Кроме того, они обладают высокой эластичностью, морозо­

стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами и

высокой теплостойкостью.

Удельный вес фторопласта-4 γ= 2,1—2,3 г/см3; предел проч­ ности ab = 1,6-2,5 кг/мм2; удлинение 8 = 250—300%; ударная вязкость а — 100 кгсм/см2.

Размягчается фторопласт-4 при температуре выше 400° и

может эксплуатироваться в интервале температур от —195 до

+250°.

Фторопласт-4 применяется для изготовления контейнеров,

аккумуляторов, емкостей для хранения окислителей, уплотните­ лей, прокладок, труб, шлангов, реакторов, вентилей, кранов и других деталей.

Недостатком фторопласта-4 является его деформируемость

со временем при обычной температуре, под действием постоян­ ных нагрузок.

182

4. Хлорвиниловые пластмассы

Пластмассы этой группы представляют продукты полимери­ зации хлорвинила, который получается при взаимодействии аце­ тилена и хлористого водорода. В сыром виде полихлорвинил

представляет белый твердый порошок. Для получения листов,,

прутков, трубок, пленок или изделий его смешивают с пластифи­

каторами, стабилизаторами, наполнителями, красителями и

в нагретом состоянии прессуют, прокатывают или вальцуют.

полимеризации. Общим свойством хлорвиниловых пластиков

является их высокая химостойкость.

Поливинилхлоридный пластикат представляет мягкий, непро­ зрачный материал различных цветов. Он сваривается, склеивает­

ся, режется, обладает эластичностью, морозостойкостью, хоро­

шими электроизоляционными свойствами, а также высокой стой­

костью к действию воды, масла и кислот. Применяется он для

изготовления уплотнительных прокладок манжетов и сальников воздушных и гидравлических систем; изоляции для кабелей (вместо свинца) и проводов; футеровочного материала контей­

неров для кислот; антикоррозионных покрытий для металлов.

Пластик может работать при температурах от —15 до +40°.

Специальные сорта светотермостойкого температуроустойчивого

пластика могут нагреваться в эксплуатации до 60—80°.

Винипласт представляет поливинилхлорид, стабилизирован­

ный углекислыми солями свинца. Это красно-коричневый,

непрозрачный твердый продукт, нерастворимый в бензине, масле, керосине, устойчивый к действию кислот, щелочей и перекиси водорода. Обладает хорошими электроизоляционными свой­

ствами. При нагревании начинает размягчаться при 120—140°. Способен свариваться, склеиваться, обрабатываться реза­

нием. При температуре 130—150° может формоваться. Приме­ няется винипласт в качестве антикоррозийного, электроизоляци­ онного и конструкционного материала, как заменитель свинца в виде листов, применяемых при футеровке гальванических ванн.

VI. ПЕНОПЛАСТЫ

Пенопласты — пенистые продукты на основе синтетических

смол.

Для получения пенопласта смолу смешивают с парообразо­

вателем (порофором) и нагревают до температуры 160—200°.

При нагревании порообразователи разлагаются и выделяют

большой объем газов. Получается пористая структура, причем

диаметр пор доходит до 2 мм.

В качестве порообразователей (газообразователей) приме­

няют сложные органические вещества, а также углекислый

аммоний или бикарбонат натрия.

183

Наиболее распространенными являются полистироловые и полихлорвиниловые пенопласты; в последнее время разрабо­

таны также пенопласты на основе более термостойких фенольно-

Полихлорвиниловые пенопласты, например ПХВ-1, обладают

несколько меньшей прочностью, но большей стойкостью к дей­

ствию органических растворителей. Кроме того, они способны вызывать коррозию алюминиевых, магниевых и цинковых спла­ вов.

Рассмотренные пенопласты могут эксплуатироваться только

до температуры +60°. Более термостойкими являются пено­

пласты на основе фенольно-формальдегидной смолы, например,

марки ФФ, ФК-20 и ФК-40. Предельная температура этих пено­ пластов в условиях длительной эксплуатации доходит до 120— 150°. Однако при кратковременном тепловом воздействии темпе­

ратура может быть повышена. Например, для плиточного термо­ реактивного пенопласта марки ФФ допускается кратковремен­

ный (до 3 часов) нагрев в трехслойных конструкциях до 300°.

При отрицательных температурах (до —60°) эти пенопласты

сохраняют свойства, типичные для обычной температуры.

Фенольно-формальдегидные пенопласты также не вызывают кор­

розии металлов.

Еще более теплостойким является пенопласт К-40 на основе

поликсилоксановой (кремний-органической) смолы. Он допус­

184

кает нагрев до 200° в течение 200 часов и до 300° в течение

5часов.

Кчислу более.термостойких также относятся пенопласты ПУ-101 и ПУ-101А на основе полиуретановых смол. Их предель­

ные рабочие температуры составляют соответственно 130 и 170°.

Свойства некоторых авиационных пенопластов, имеющих

удельный вес γ = 0,2 a∕ c,u3, приведены в табл. 50.

Таблица 50

Свойства пенопластов

В последнее время разработаны пенокерамики — новые

материалы типа пенопластов на основе керамики. Они обладают

теля в конструкции крыла самолета.

185

Раздел восьмой

МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При конструировании летательных аппаратов, способных вернуться из космоса на поверхность земли, приходится сталки­

ваться с большими трудностями. В ясные ночи можно наблю­

дать. как в воздушный океан земной атмосферы из космоса вле­

тают метеориты. При полете через плотные слои атмосферы они раскаляются и обычно, не долетев до поверхности земли, сго­

рают.

Также сгорают и искусственные спутники Земли, если они не имеют средств для постепенного уменьшения космической

скорости полета и защиты стенок корабля от нагревания при

трении о воздух.

Чтобы летательный аппарат был способен уменьшить косми­ ческую скорость, он должен либо иметь на борту тормозные ра­ кеты, создающие обратную тягу, либо распускать огромные па­

рашюты, способные выдерживать высокие температуры тормо­

жения и большие аэродинамические нагрузки.

При входе в плотные слои атмосферы космические аппараты разогреваются до температур, при которых все известные на

земле тела переходят в газообразное состояние, т. е. испаря­

ются.

Этот процесс испарения твердых тел оказывается можно ис­ пользовать для защиты летательных аппаратов от сгорания при

возвращении из космоса.

Испытания ракет показали, что носовая часть хорошо обте­

каемой ракеты отражает в атмосферу только 50% тепловой энергии; остальное тепло воспринимается корпусом ракеты.

Если поверхность корпуса ракеты покрыть таким веществом, которое для своего плавления, а тем более для испарения, тре­

бует очень много тепла, то ракету можно предохранить от сго­

рания. Мысль покрывать норовую часть корабля таким вещест­

вом родилрсь у ученых при исследовании крупных метеоритов,

прилетевших на землю из космоса. Эти исследования показали,

что поверхность метеоритов оплавлена, а внутреннее строение

осталось без изменения.

187

Для такого поверхностного слоя подходят два типа материа­

лов: материалы, способные поглощать очень много тепла в мо­ мент перехода из твердого состояния в жидкое, а также мате­ риалы, поглощающие очень много тепла при испарении, т. е.

при переходе из твердого состояния прямо в газообразное, ми­ нуя жидкое. Процесс испарения твердых тел называется воз­

гонкой или сублимацией.

На фиг. 123 приведены данные, показывающие способность различных материалов поглощать тепло при нагревании. Высо­ та незаштрихованных столбиков показывает относительное ко­

личество тепла, поглощающего материалами в твердом состоя­ нии до начала плавления.

Фиг. 123. Теплопоглощающая способность различных материалов

Выше всех оказались столбики для углерода, окиси магния, бериллия, окиси циркония и карбида кремния. Высота черных

столбиков соответствует количеству тепла, расходуемого в про­

цессе плавления тел. Высота столбиков с простой, штриховкой

соответствует количеству тепла, поглощаемого веществами

188

в жидком состоянии до начала испарения. И, наконец, высота

столбиков со сложной -штриховкой соответствует количеству

тепла, которое тратится -различными материалами при испарении.

Из приведенных данных следует, что для поверхностного слоя

целесообразнее брать материалы с наибольшей величиной тепло-

поглощения, такие, как углерод, окись магния, бериллий, окись

циркония, карбид кремния. Эти материалы являются самыми

теплоемкими в твердом состоянии. Особый интерес представля­ ет углерод, который при нагревании из твердого состояния пере­ ходит сразу в газообразное, не расплавляясь. При этом он по­

глощает большие количества тепла, в десятки раз больше, чем,

например; тугоплавкие металлы: молибден, хром, платина и др.

Носовая часть ракеты, покрытая теплозащитным слоем, должна оплавляться равномерно, сохраняя нужную аэродина­ мическую форму. Материалы для оплавляющихся головок

защитный слой начинает уже плавиться.

Более перспективным способом защиты космического кораб­

ля от сгорания считается покрытие его носовой части возгоняю­

щимся веществом, так как на превращение твердого тела сразу

в газ расходуется огромное количество тепла, поступающего из

пограничного слоя к обшивке. Это тепло вместе с газом отво­

дится от корабля в пространство.

На фиг. 124 показан космический корабль с носовым кону­

сом из окиси бериллия, возвращающийся из космоса со скоро­

стью 8 км/сек с высоты 480 км. Расчет показывает, что при вхо­ де в атмосферу со скоростью 6,4 км/сек на высоте 160 км про­ исходит испарение окиси бериллия и температура поверхности

конуса корабля достигает 2500oC, но этот разогрев носового ко­ нуса не опасен для конструкции корабля, приборов и экипажа,

поскольку воздействие тепла кратковременно, а теплопровод­

ность окиси бериллия очень низкая.

Вместо окиси бериллия и других дефицитных материалов

в качестве «жертвенного» слоя могут применяться и пластмассы,

которые имеют низкую теплопроводность и способны поглощать

при испарении огромное количество тепла.

■ Материалами, возгоняющимися при высокой температуре,

предполагается покрывать наружные элементы космических ле­ тательных аппаратов: носовую часть фюзеляжа, передние кром­

ки крыльев и хвостовых оперений. На фиг. 125 показана схема профиля крыла космического корабля до и после полета в кос­

мос. Конструктивные элементы 1, воспринимающие нагрузку крыла 2 будут покрыты термозащитным слоем 3 (асбестом или кварцем) и испаряющимся материалом 4. После обгорания но­

совой части лобовое сопротивление летательного аппарата воз­ растает, что приводит к снижению скорости полета.

18θ'∙