Материаловедение и технология конструкционных материалов

характерно снижение прочности с увеличением температуры (лри постоянной скорости деформации) и ростом скорости приложе­ ния нагрузки (при постоянной температуре) (рис. 10.4). Стекло­ образные и кристаллические полимеры могут подвергаться ориентационному упрочнению, которое заключается в ориента­ ции структуры полимера, находящегося в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии, при статическом растяжении и фикса­ ции полученной структуры при температурах ниже tc. Полимеры с направленной структурой получают также направленной полимеризацей.

Рис. 10.4. Влияние температуры * и скорости приложения нагрузки W на характер кривых растяжения для аморфного полимера:

а — f, < t2 < t3; б — Wt > W2 > Ws

Важной характеристикой полимеров является долговечность, под которой понимают период времени от момента приложения нагрузки до разрушения материала.

Долговечность полимеров и пластмасс понижается с ростом напряжения или температуры эксплуатации.

Полимеры обладают также способностью к релаксации меха­ нических напряжений. Вследствие специфики строения в поли­ мерах под нагрузкой происходят структурные изменения, при­ водящие к постепенному снижению напряжений в материале. Время релаксации в зависимости от природы полимера и усло­ вий приложения нагрузки составляет от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет.

К недостаткам полимеров и пластмасс относится их склон­ ность к старению. Под старением понимают самопроизвольное снижение свойств материалов в процессе хранения и эксплуа­ тации.

входят в состав нанокомпозитов на основе керамики и поли­ меров. Качество (уровень свойств) таких материалов опреде­ ляется совместимостью компонентов.

Полимерные композиты многофункционального назначения формируют с введением связующих модификаторов, которые изменяют строение и свойства материала полимерной матрицы. При их создании используют нетрадиционные наполнители: жидкости, жидкокристаллические вещества и твердые ультрадисперсные соединения (керамику), обеспечивающие высокий комплекс свойств (электрических, магнитных, тепловых и др.), которые невозможно реализовать в обычных наполненных по­ лимерах.

Получение нанокомпозитов возможно и по золь-гель техно­ логии, когда исходными компонентами служат алкоголяты не­ которых химических элементов и органические олигомеры. Введение керамики изменяет неорганическую трехмерную сет­ ку. Золь-гель реакция не требует высокой температуры, что по­ зволяет использовать органические соединения — активные олигомеры и готовые полимеры (полистирол, полиимид, поли­ амид, полибутадиен и полиметилметакрилат).

Слоистые нанокомпозиты создают на основе керамики и поли­ меров со слоистой неорганической структурой (монтмориллонит или вермикулит), которая встречается в глинах. Слой монтмо­ риллонита толщиной 1 нм в ходе реакции ионного обмена насы­ щают мономерным предшественником с активной концевой группой (D-капролактамом, бутадиеном, акрилонитрилом или эпоксидной смолой), а затем проводят полимеризацию. Слоистые нанокомпозиты характеризуются высокими механическими свойствами, термической и химической стабильностью.

Нанокомпозиты с участием атомов и кластеров металлов и полу­ проводников имеют уникальные свойства, которые определя­ ются свойствами входящих в их состав кластеров, образованных разным количеством атомов металла или полупроводника — от десяти до нескольких тысяч (размеры включений от 1 до 10 нм). Подобные наноматериалы отличаются по свойствам как от блочного материала, так и от индивидуального атома или моле­ кулы, причем полупроводниковые особенно сильно, даже если размер частицы достигает сотен нанометров, что повышает тем­ пературу плавления материала.

ПКМ применяют в промышленности и электронике в качест­ ве изоляторов. Однако уже созданы полимеры с электропрово­ димостью, большей проводимости железа. Промышленностью выпускаются «органические» батареи, в которых металлы заме­ нены полимерами. Сплавы полимеров сочетают в себе механиче­ ские и оптические свойства обычных полимеров с электрическими свойствами проводящих полимеров. Получены полимеры с внеш­ ней проводимостью за счет введения в них проводящих добавок (порошки, металлические волокна или сажа). Электропроводность обеспечивается переносом заряда через заряженные участки, рассеянные по исходной матрице. На основе полиацетилена соз­ дан полимер с внутренней проводимостью, в котором проводимость создается введением примесей химическим путем (легирование). Используемые примеси не являются проводниками. Полиаце­ тилен, полученный путем химической полимеризации ацетилена, является полупроводником. Легированный полиацетилен обла­ дает почти такой же проводимостью, как металлы (103 Ом4 • см"1). Теоретически такие полимеры смогут стать сверхпроводниками при комнатной температуре.

Появление таких проводящих и прозрачных сплавов явилось решением проблемы электростатической и электромагнитной защиты, создания невидимых для радаров покрытий в авиа­ ции и области радарной защиты.

Однако неустойчивость большинства полимеров-проводников на воздухе и в воде ограничивает их применение.

10.3.1. Состав и классификация пластмасс

Пластмассы разделяют на простые и сложные. Простые пла­ стмассы представляют собой чистые полимеры, например поли­ этилен, органические стекла и др. Сложные пластмассы состоят из связующего вещества, наполнителя, отвердителя, ингибитора, пластификатора, красителя и смазывающих добавок.

В качестве связующего вещества используют синтетические смолы и эфиры целлюлозы. По виду связующего все пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и терморе­ активные (реактопласты). Термопласты отличаются высокой технологичностью и небольшой усадкой при формовке, обладают значительной эластичностью и не склонны к хрупкому разру­

шению. Реактопласты хрупкие и дают большую усадку, по­ этому использование в них наполнителя обязательно.

Н аполнит ель вводят с целью снижения стоимости и обеспе­ чения заданных свойств материала, в первую очередь прочност­ ных. К наиболее распространенным наполнителям относятся древесная или минеральная мука (порошковые наполнители), асбестовое, хлопчатобумажное или другое органическое волок­ но (волокниты). Полимеры с наполнителем стекловолокном на­ зывают стекловолокнитами, листами бумаги — гетинаксами, тканью — текстолитами.

Пластификатор повышает пластичность пластмасс. В каче­ стве пластификаторов применяют эфиры многоатомных спиртов и многоосновных кислот. Отвердители (инициаторы, активато­ ры) ускоряют, а ингибиторы замедляют переход термоактивных смол в неплавкое состояние или термопластичных — в твердое. Смазывающие добавки повышают текучесть материала при пе­ реработке и предупреждают прилипание изделия к формообра­ зующей оснастке.

Термопласты делят на неполярные и полярные. К первым от­ носятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4, ко вторым — органическое стекло, фторопласт-3, поливинилхло­ рид, полиамиды, полиуретайы, поликарбонаты, полиформальде­ гид и др.

Полиэтилен в зависимости от способа полимеризации и дос­ тигаемой плотности подразделяют на полиэтилены низкого и вы­ сокого давления, отличающиеся степенью разветвления молекул (она выше у полиэтилена высокого давления), а также молеку­ лярной массой и степенью кристалличности. Чем выше плот­ ность и кристалличность полиэтилена, тем выше его прочность, ударная вязкость, относительное удлинение и теплостойкость. Газопроницаемость полиэтилена высокого давления выше в 4...8 раз, а химическая стойкость ниже, чем у полиэтилена низкого давления. При нагреве на воздухе (290 °С) полиэтилен подвергается термодеструкции (разложению), под влиянием солнечной радиации — термостарению. Полиэтилен перерабаты­ вается литьем под давлением, прессованием, сваривается и подда­ ется механической обработке. Из него изготавливают кислото­ стойкие трубы, краны, пленки и различную арматуру. Обладает высокими диэлектрическими свойствами и служит в качестве защитных покрытий от коррозии.

Полипропилен обладает высокой стойкостью к многократным изгибам, износостойкостью, стойкостью к агрессивным средам. Является сырьем для получения эластичных и устойчивых к ки­ слотам и щелочам волокон. Из пропилена литьем под давлением, экструзией, прессованием, сваркой, раздувом изготавливают плен­ ки, трубы, детали холодильников, мотоциклов и автомобилей. Его недостатком является невысокая морозостойкость (до -20 °С).

Из полистирола литьем под давлением, экструзией, вакуум- и пневмоформированием получают нити, пленочные материалы, различные легко нагруженные фасонные изделия. Высокие ди­ электрические свойства позволяют применять его в радиотех­ нике и электронике. Полистирол — хрупкий полимер, обладает высокой радиационной стойкостью, подвергается старению, раз­ рушается кислотами, набухает в бензине и керосине. Его недос­ татками являются невысокая теплостойкость и склонность к трещинообразованию.

Фторопласт-4 — линейный полимер аморфно-кристалличе­ ского строения. Наиболее химически стоек из всех полимеров, обладает низким коэффициентом трения и свойствами само­ смазки, относительно мягок, хрупок при низких температурах (-27 °С). Он перерабатывается спеканием предварительно спрессо­ ванных изделий. Подвергается закалке. При переработке степень кристалличности снижается до 45...85 % . Из фторопласта-4 из­ готавливают подшипники, уплотнительные элементы и химиче­ ски стойкие детали: трубы, краны, вентили, мембраны и т.д.

Фторопласт-3 уступает по химической стойкости фторо- пласту-4, но превосходит другие полимеры. Он может работать при температурах не выше 70 °С. Его применяют для изготовле­ ния деталей насосов, счетчиков, клапанов, мембран и диафрагм.

Органическое стекло имеет аморфную структуру. Марки сте­ кол определяются химическим составом и свойствами. А-стекла (высокощелочные) прозрачны, используются для производства емкостей и листового стекла. С-стекла (натрийборсиликатные) химически стойкие, их применяют в химической промышленно­ сти. Е-стекла (алюмоборсиликатные) идут на изготовление тек­ стильного стекловолокна. S -стекла (магнийалюмосиликатные) высокопрочные, их применяют в самолетостроении и ракетострое­ нии. L-стекла (свинцовые) применяют для радиационной защиты.

Из чистой поливинилхлоридной смолы со стабилизаторами получают винипласт — аморфный полимер. Для винипласта

характерна повышенная жесткость и высокая механическая прочность. Этот материал хорошо обрабатывается, сваривается

исклеивается; не поддерживает горение; химически стоек. Из винипласта изготавливают детали запорной арматуры, исполь­ зуемой в химической промышленности, и элементы крупных вентиляционных систем в помещениях с агрессивной средой. Кроме винипласта из поливинилхлорида получают поливинил­ хлоридный пластикат, который в основном используется для изготовления бытовых изделий и в качестве заменителя кожи.

Полиамиды характеризуются высокой усталостной прочно­ стью, сопротивлением к истиранию и ударным нагрузкам, низкой гигроскопичностью, стабильностью свойств при повышенных температурах. Перерабатываются литьем под давлением, экстру­ зией, прессованием, поддаются механической обработке. К поли­ амидам относят капрон, нейлон, фенилон. Из полиамидов изго­ тавливают делали узлов трения, втулки, подшипники, шестерни зубчатых передач. Капрон применяется в авиа- и судостроении. Капроновые волокна используются при изготовлении сетей, строп

ит.д. Нейлон обладает более высокой теплостойкостью и износо­ стойкостью по сравнению с капроном. Используется для произ­ водства синтетического волокна.

Свойства полиамидов стабильны до 300 °С. Они являются диэлектриками. Имеют стабильность при высоких температурах. Обладают низким коэффициентом трения. Перерабатываются литьем под давлением и прессованием.

Поликарбонат оптически прозрачен, обладает низкой гиг­ роскопичностью, сохраняет прочность до 200 °С. Перерабатыва­ ется холодной штамповкой, прокаткой, сваркой, механической обработкой. Из него изготавливают подшипники, шестерни, ме­ дицинское оборудование, радиодетали.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями — волокнистые композиционные материалы — обладают анизотропией меха­ нических свойств. Степень анизотропности определяется длиной волокон и распределением наполнителя. Различают следующие их виды: волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты.

В качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы, а наполнителем являются очесы хлопка, волокна асбе­ ста и стекловолокно. Волокнистые пластмассы отличаются по­ вышенными теплостойкостью (до 280 °С) и ударной вязкостью (25...150 кДж/м2). Их применяют для изготовления фланцев,

шкивов, втулок. Из стекловолокнитов изготавливают детали с резьбой и электромеханические силовые элементы.

Стеклонаполненные термопласты представляют собой арми­ рованные композиционные материалы, состоящие из расплав­ ленного компаунда, коротких стекловолокон (а также углеграфи­ товых, а р а м и д н ы х , асбестовых и других волокон) и наполни­ телей (слюда, тальк, стеклосферы, кремний, песок и т.д.). Под­ шипники скольжения, зубчатые колеса, панели приборов, детали транспортных средств из стеклонаполненных термопластов изго­ тавливают экструзией и литьем под давлением.

Стеклопластики относят к ОКМ на основе термопластичных и термореактивных связующих, армированных стекловолокнами, стеклотканью, пряжей. Они обладают высокой удельной проч­ ностью и жесткостью, усталостной прочностью, особыми химиче­ скими, теплоизолирующими, электрическими свойствами. Детали из них изготавливают штамповкой, формовкой с нагревом, литьем под давлением. Широко применяются в различных отраслях про­ мышленности и технике. Из них изготавливают армированные сэндвичевые конструкции в самолетостроении и судостроении.

Термореактивные пластмассы. В термореактивных пласт­ массах связующим веществом являются термореактивные смолы (феноло-формальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические), а также ненасыщенные полиэфирные и полибутановые смолы. Термореактивные пластмассы с учетом структурного состояния используемого наполнителя делят на порошковые, волокнистые

илистовые.

Вкачестве наполнителей для порошковых пластмасс исполь­ зуют древесную муку, графит, кварц, слюду. Однородное рас­ пределение порошка в связующей массе обеспечивает высокую степень изотропности структуры и механических свойств пласт­ масс. Прочность и пластичность их невысокие: временное сопро­ тивление 30 МПа, предел прочности при изгибе 60 МПа, ударная вязкость 4...6 кДж/м2. Пластмассы с минеральными наполните­ лями обладают химической стойкостью и повышенными электро­ изоляционными свойствами. Материалы на эпоксидной основе используются для «залечивания» отливок и восстановления изно­ шенных деталей при изготовлении инструментальной и литейной оснастки.

Кслоистым пластмассам относятся текстолит, гетинакс, асботекстолит, стеклотекстолит и древесно-слоистый пластик

(ДСП). В текстолите наполнителем служит хлопчатобумаж­ ная ткань. Текстолиты хорошо гасят вибрации и не подвержены раскалыванию, являются отличным материалом для слабонагруженных подшипников и зубчатых колес. В гетинаксе наполните­ лем служит бумага, и он используется в качестве электротехни­ ческого и декоративного (облицовочного) материала. Стекло­ текстолита в зависимости от природы связующего обладают разнообразными свойствами. Древесно-слоистые пластики с наполнителем из листов древесного шпона имеют хорошие меха­ нические свойства и отличаются низким коэффициентом трения.

Феноло-формальдегидные смолы обеспечивают повышенную теплостойкость и электроизоляционные свойства, кремнийорга­ нические смолы — повышенные морозостойкость и химическую стойкость, эпоксидные смолы — высокие механические свойства. Они служат связующим при изготовлении волокнистых реактопластов, например боропластиков (ПКМ, упрочненных борными волокнами), углепластиков (ПКМ, упрочненных а р а м и д н ы - ми волокнами). Детали из полимерных композиционных мате­ риалов применяют в авиации, военной технике, судостроении, автомобилестроении.

Газонаполненные пластмассы. Легкие и сверхлегкие газона­ полненные пластмассы представляют особый класс материалов, состоящих из твердой и газообразной фаз. Такая особенность строения материала обусловливает его высокие теплозвукоизо­ ляционные характеристики. По структуре газонаполненные пластмассы делят на пенопласты, поропласты и сотопласты.

Пенопласты имеют ячеистую структуру, в которой микрообъемы газообразного наполнителя изолированы друг от друга тонкой пленкой связующего. В поропластах формируется откры­ тая пористая структура. Сотопласты изготавливают из гофри­ рованных листов, которые склеиваются в виде сот.

Рабочие характеристики газонаполненных пластмасс (указаны нижние и верхние пределы): кажущаяся плотность 25...300 кг/м3; рабочая температура -60...300 °С; временное сопротивление 0,1...4,5 МПа; предел прочности при изгибе — 0,5...7,0 МПа; ударная вязкость — 0,2... 1,9 кД ж /м2.

Газонаполненные пластмассы используются для теплоизоляции холодильников, трубопроводов, кабин и салонов транспортных средств. Их применяют в строительстве, в радиоэлектронной и других отраслях промышленности.