4.4. Неметаллические материалы.

Неметаллическими называют материалы на основе полимеров. Полимеры – это общее название веществ, структура которых состоит из молекул больших размеров – макромолекул. Каждая макромолекула представляет собой цепочку из многих элементарных частей (звеньев), называемых мономерами. Различают природные полимеры (натуральный каучук, целлюлоза, асбест) и синтетические, полученные искусственным путем (полиэтилен, полистирол, синтетические каучуки и смолы, поликарбонаты и др.). Исходным сырьем для получения синтетических полимеров являются продукты химической переработки нефти, природного газа и каменного угля.

В зависимости от химического состава различают органические и неорганические полимеры. Основу органических полимеров составляют атомы углерода и водорода, образующие макромолекулы либо самостоятельно, либо вместе с другими элементами (кислородом, серой, азотом). Органическими полимерами являются смола и каучуки.

Основу неорганических полимеров составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и других элементов. В структуре этих полимеров углеродных макромолекул нет. К неорганическим полимерам относят силикатные стекла, керамику, слюду.

По структуре макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные, ленточные и пространственные (сетчатые). Линейная или разветвленная структура макромолекул придает полимерам высокую эластичность, обеспечивает их способность неоднократно размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать. Такие полимеры называют термопластичными, а материалы на их основе называют термопластами. К ним относят полиэтилены, капрон, полипропилен, оргстекло.

Полимеры с сетчатой структурой макромолекул называют термореактивными, а материалы на их основе – реактопластами. К реактопластам относят материалы на основе термореактивных синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных и др.).

Неметаллические материалы применяют вместо металлических сплавов с целью снижения массы машин или для повышения их коррозионной стойкости в условиях воздействия агрессивной среды при эксплуатации. В ряде случаев эти материалы незаменимы (стекла, РТМ, клеи), кроме того, применение неметаллических материалов упрощает технологию и снижает трудоемкость изготовления деталей, а также уменьшает затраты на технологическую оснастку. Наиболее востребованными из неметаллических материалов в машиностроении являются пластмассы.

4.4.1. Пластмассы.

Пластмассами (пластиками) называют синтетические материалы, получаемые на основе органических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагреве под давлением, и сохраняющие ее после охлаждения. Различают в зависимости от состава ненаполненные и наполненные пластмассы. По типу матричного полимера и технологическим свойствам различают термопластичные и термореактивные пластмассы (термопласты и реактопласты)

Отдельную группу составляют газонаполненные пластмассы, в которых наполнителем является воздух или нейтральные газы.

Ненаполненные пластмассы представляют собой матричные полимерные материалы (полиэтилен, полиамид и др.) без каких-либо добавок. Наполненные (армированные) пластмассы являются фактически композиционными материалами с полимерной матрицей и наполнителем в виде порошка, волокон, тканей или других слоистых материалов. В соответствии с этим различают порошковые, волокнистые и слоистые наполненные пластмассы. Количество наполнителя может изменяться от 15…20 до 70…75%. Кроме наполнителя, в состав этих пластмасс входят отвердители, пластификаторы, красители, стабилизаторы и другие добавки.

Жесткость и прочность наполненных (армированных) пластмасс существенно выше по сравнению с ненаполненными. Это объясняется значительно большей жесткостью и прочностью элементов наполнителя по сравнению с матричным полимером.

В современном машиностроении более востребованы армированные пластмассы, как термопластичные, так и термореактивные. Их используют для изготовления мало- и умеренно нагруженных деталей (шестерни, втулки, шкивы, кузовные детали). Ненаполненные пластмассы, в первую очередь, полиэтилены, применяют исключительно для малонагруженных деталей (топливные баки, корпусные детали и др.).

Отличительными особенностями пластмасс являются малая плотность, стойкость к агрессивным средам, вибростойкость, шумопоглощающие и звукоизолирующие свойства, хорошие технологические свойства. Вместе с тем для изделий из ненаполненных пластмасс характерны невысокие жесткость и прочность, что обусловлено низкими значениями модуля упругости (Е не более 3 ГПа) и временного сопротивления разрушению (не более 100 МПа) этих материалов. Для многих пластмасс также характерны сравнительно невысокая (до 200…300°С) теплостойкость и низкая теплопроводность, склонность к старению и ползучести. Механические свойства некоторых пластмасс приведены в таблице 7.

Таблица 7.

Механические свойства некоторых пластмасс.

Материал	Плотность, г/см3	Механические свойства				Рабочая температура, °С
		, МПа	δ, %	Твердость НВ	KCU, МДж/м2
Термопласты: Полиэтилен ВД Полиэтилен НД Фторопласт-4 Органическое стекло Полиамид* Капрон*	0,93 0,95 2,3 1,5 1,3 1,3	18…35 10…17 15…35 60…100 140 420	250…1000 50…600 250…500 2,5…20 1…1,5 2,5	1,4…2,5 4,5…5,8 3…4 17 - -	Не разру- шаются 1,0 0,2 2,0…3,0 2,5…3,0	от -70 до 120 от 250 до -269 от -60 до 160 до 150 до 220
Реактопласты: Текстолит Гетинакс Стеклотекстолит Стеклопластик СВАМ** Карбоволокнит (углепластик)	1,4 1,4 1,6 1,8…2,0 1,3…1,5	65…100 80…100 250…600 350…1000 380…1000	1-3 1-3 - - 0,4…0,6	- - - 180…500 -	0,3 0,2 0,5…2,0 4,0…6,0 0,4…0,8	до 125 до 150 до 300 до 200 до 300

Основными способами изготовления изделий из термопластов являются литье под давлением, экструзия, вакуумное формование и некоторые другие технологии. Применение литья под давлением оправдано при массовом производстве деталей сложной конфигурации, изготовление которых из металла сопряжено с трудоемкой механической обработкой. Основными операциями при этом являются нагрев полимера до вязкопластического состояния, впрыск полимера в герметичную форму, охлаждение изделия в форме с последующим извлечением готового изделия из формы. Экструзия заключается в нагреве полимера до пластического состояния с последующим его выдавливанием через формообразующее отверстие (фильеру) в виде профиля того или иного сечения и охлаждением в воде или на воздухе. Метод вакуумного формования применяют для изготовления крупногабаритных изделий из листовых термопластов толщиной 0,5…10мм.

Для массового изготовления деталей из реактопластов применяют прессование на гидравлических и механических прессах. Используются прессматериалы (пресспорошки или прессволокниты), которые при нагреве в процессе прессования становятся пластичными. В результате прессматериал приобретает заданную конфигурацию, а термореактивная матрица при последующим отверждении переходит в неплавкое и нерастворимое состояние.