Лахтин_Матеориаловедение

бензимидазольные циклы. Большинство полимеров бесцветные, однако полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют темный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное строение, быть термопластичными и термореактивными. Сшитая структура получается при введении сшивающих агентов.

Полибензимидазолы обладают высокой термостойкостью (температура разложения на воздухе 300—600 °С); хорошими прочностными показателями; высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Композиции на основе полибензимидазолов могут использоваться в качестве абляционных термозащитных материалов. Антифрикционные материалы —АСП- пластики обладают термостойкостью и самосмазывающимися свойствами.

Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов; из АСП-пластиков изготовляют подшипники, шестерни. Полибензимидазолы могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков.

Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц

(связующего) применяют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере как бы несущий каркас и этим упрочняют материал.

В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. По сравнению с ненаполненными полимерами стекловолокниты обладают повышенными прочностью (σВ = 90÷149 МПа; σизг = 110÷

461

140 МПа; σизг = 150÷ 220 МПа)

и теплостойкостью, сопротивлением усталости и износостойкостью, небольшой

ползучестью (рис. 214). Интервал рабочих температур от —60 до

180 °С.

Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (пропиленовое волокно, капрон, лавсан, винол) являются перспективными. Такие волокна имеют близкую со связующими химическую природу, и упрочнение получается высоким (волокна и связующее работают совместно). Ползучесть волокнистых термопластов уменьшается почти в 5 раз, длительная прочность возрастает в десятки раз.

Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Для получения высокопрочных пластмасс применяют полиамиды, армированные стеклотканью. Капрон (П-6), армированный стеклотканью, имеет высокие механические свойства: σΒ = 400÷430 МПа, σсж = 280÷300 МПа, σизг = 450÷500 МПа; α = 250÷300 кДж/м2 и может работать до 220 °С. Из волокнистых термопластов изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред и др.

3.ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Вкачестве связующих веществ применяют термореактивные смолы, в которые иногда вводятся пластификаторы, отвер-дители, ускорители или замедлители, растворители. Основными требованиями к связующим веществам являются высокая клеящая способность (адгезия), высокие теплостойкость, химическая стойкость и электроизоляционные свойства, простота технологической переработки, небольшая усадка и отсутствие токсичности (вредности). Смола склеивает как отдельные слои наполнителя, так и элементарные волокна и воспринимает нагрузку одновременно с ними, поэтому связующее вещество после отверждения должно обладать достаточной прочностью на отрыв при расслаивании материала. Для обеспечения высокой адгезии связующее должно быть полярным. Необходимо, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения связующего и наполнителя были близки по величине.

Впроизводстве пластмасс широко используют фенолоформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, непредель-

462

ные полиэфиры и их различные модификации. Более высокой адгезией к наполнителю обладают эпоксидные связующие, которые позволяют получать армированные пластики с высокой механической прочностью. Теплостойкость стеклопластиков на кремний-органическом связующем при длительном нагреве составляет 260—370 °С, на фенолоформальдегидном до 260 °С, на эпоксидном до 200 °С, на непредельном полиэфирном до 200 °С и на полиимид-ном связующем 280—350 °С. Важным свойством непредельных полиэфиров и эпоксидных смол является их способность к отверждению не только при повышенной, но и при нормальной температуре без выделения побочных продуктов с минимальной усадкой. Из пластмасс на их основе можно получать крупногабаритные изделия.

В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые.

Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителей применяют органические (древесная мука) и минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит и др.) порошки.

Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными показателями. Их применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.

Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату. Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и другой оснастки. Их применяют для восстановления изношенных деталей и отливок.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.

Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидным связующим. По сравнению с пресс-порошками они имеют несколько повышенную ударную вязкость. Применяют для деталей общего технического назначения, работающим на изгиб и кручение (рукоятки, стойки, фланцы, направляющие втулки, шкивы, маховики и т. д.).

Асбоволокниты содержат наполнителем асбест. Связующим служит в основном фенолоформальдегидная смола. Преимуществом асбоволокнитов является повышенная теплостойкость (свыше 200 °С), устойчивость к кислым средам и высокие фрикционные свойства. Асбоволокниты используют в качестве материала тор-

463

мозных устройств; из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

Стекловолокниты — это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неод-нородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5—20 мкм с σρ = 600÷3800 МПа и ε = 2÷3,5 %.

Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотропными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от —60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. При старении в течение двух лет коэффициент старения Кс = 0,5÷0,7. Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой точности, с арматурой и резьбой.

Слоистые пластмассы. Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Гетинакс получается на основе модифицированных фенольных, анилиноформальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги. По назначению гетинакс подразделяют на электротехнический и декоративный. Гетинакс можно применять при температуре 120—140 °С. Он устойчив к действию химикатов,

464

растворителей, пищевых продуктов: используется для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве.

Текстолит (связующее — термореактивные смолы, наполнитель — хлопчатобумажные ткани) среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию. В зависимости от назначения текстолита делят на конструкционные (ПТК, ПТ, ПТМ), электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные. Текстолит как конструкционный материал применяют для зубчатых колес; шестеренные передачи работают бесшумно при частоте вращения до 30 000 мин-1. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10—15 раз дольше бронзовых. Однако рабочая температура текстолитовых подшипников невысока (80—90 °С). Они применяются в прокатных станах, центробежных насосах, турбинах и др.

Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло- и крезольно-формаль- дегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. Дре- весно-слоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют текстолит, а также цветные металлы и сплавы. Шестерни из ДСП долговечны, при работе их в паре с металлическими заметно снижается шум. Подшипники из ДСП не образуют задиров на трущейся поверхности металлического вала. Недостатком ДСП является чувствительность к влаге (рис. 215). Из ДСП изготовляют шкивы, втулки, ползуны лесопильных рам, корпусы насосов, подшипники, детали автомобилей и железнодорожных

вагонов, лодок, детали текстильных машин, матрицы для вытяжки и штамповки.

Зависимость прочности фенопластов от температуры дана на рис. 216.

Асботекстолит содержит 38—43 % связующего, остальное асбестовая ткань. Асботекстолит является конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом. Наиболее высокой теплостойкостью обладает материал на кремнийорганическом связующем (300 °С), а механическая прочность выше у фенольных асбопластиков. Из асботекстолита делают лопатки ротационных бензонасосов, фрикционные диски, тормозные колодки (без смазывания коэффициент трения f = 0,3÷0,38, со смазыванием маслом f = 0,05÷0,07).

Асботекстолит выдерживает кратковременно высокие температуры и поэтому применяется в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала (в течение 1—4 ч выдерживает температуру 250—500 °С и кратковременно 3000 °С и выше).

В стеклотекстолитах применяют в качестве наполнителя стеклянные ткани. На основе нетканых ориентированных материалов (нити в которых не перегибаются) получают стеклотекстолиты (типа ВПР-10), имеющие те же показатели, что и у стеклотексто-литов на основе стеклотканей, а себестоимость их ниже на 20 %.

Стеклотекстолит на фенолоформальдегидном связующем (типа КАСТ) недостаточно вибропрочен, но зато по сравнению с обычным текстолитом он более теплостоек и имеет более высокие электроизоляционные свойства. Стеклотекстолиты на основе кремнийорганических смол (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют относительно невысокую механическую прочность, но отличаются высокой теплостойкостью и морозостойкостью, обладают стойкостью к окислителям и другим химически активным реагентам, не вызывают коррозии металлов. Эпоксидные связующие (ЭД-8, ЭД-10) обеспечивают стеклотекстолитам наиболее высокие механические свойства и позволяют изготовлять из них крупногабаритные детали. Стеклотекстолиты на основе ненасыщенных полиэфирных смол (ПН-1) также не требуют высокого давления при прессовании и применяются для изготовления крупногабаритных деталей.

Материал СВАМ представляет собой стекловолокнистый анизотропный материал, в котором стеклянные нити сразу по выходе из фильер склеиваются между собой в виде стеклянного шпона и затем укладываются как в фанере. Связующие могут быть различными.

При соотношении продольных и поперечных слоев шпона 1 : 1 σΒ = 460÷500 МПа и E ≥35 000 МПа; при соотношении 10 : 1 σΒ= 850÷950 МПа и Ε = 58 000 МПа. Это характеризует СВАМ как конструкционный материал, обладающий большой жесткостью и высокой ударной вязкостью (а = 400÷600 кДж/м2). Зависимость предела прочности стеклопластиков от вида и содержания наполнителя показана на рис. 217. Макро- и микрострук-

466

тура стеклопластиков приведена на рис. 218. С помощью макро-и микроструктурного анализа можно выявлять дефекты структуры: поры, раковины и трещины.

Наличие пор вызывает резкое снижение прочности материала.

Дефектность значительно влияет на прочность при межслойном сдвиге и продольном сжатии (рис. 219). Механические свойства стеклопластиков зависят от угла между направлением растягивающей силы и направлением армирующих волокон (рис. 220). Усилить материал в различных направлениях можно соответствующим расположением наполнителя (трубы, цилиндры, получаемые способом намотки). Физико-механические свойства термореактивных пластмасс даны в табл. 47.

Особенностью стеклопластиков является неоднородность механических свойств (разброс показателей достигает 7—15 %), обу-

словленных различными факторами: составом, структурой, технологией.

Степень анизотропии прочности на разрыв в продольном и поперечном направлениях σ0/σ90 и срез τ0/τ90 (между слоями) для стеклопластиков достигает 2—10, что выше, чем для металлов. Анизотропия упругих свойств выражена слабее, чем анизотропия предела прочности. Механические свойства стеклопластиков зависят от температуры, с повышением температуры прочность снижается.

Длительно стеклопластики могут работать при температуре 200— 400 °С, однако кратковременно в течение нескольких десятков секунд стеклопластики выдерживают несколько тысяч градусов, являясь аблирующими теплозащитными материалами. Они применяются в авиационной и

ракетной технике.

Длительная прочность стеклопластиков зависит от их состава и внешних условий. Лучшие свойства имеют материалы на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол. Работоспособность стеклопластиков выше, чем работоспособность металлов. Некоторые стеклотекстолиты обладают выносливостью при изгибе до 1,5·107 циклов. Динамическое сопротивление усталости стеклотекстолитов на различных связующих приведена на рис. 221. Стеклопластики обладают высокой демпфирующей способностью, хорошо работают при вибрационных нагрузках.

Недостатком стеклопластиков является невысокий модуль упругости: Ε = 20 000÷58 000 МПа. Однако по удельной жесткости (Е/ρ) они не уступают сталям, алюминиевым сплавам и титану, а по удельной прочности (σ/ρ) при растяжении превосходят металлы.

Однонаправленные стекловолокниты на высокомодульных волокнах имеют ρ = 2200 кг/м3; σΒ = 2100 МПа; E = 70 000 МПа; a = 300÷500 кДж/м2; ε = 1,З÷2,4 %; σ/ρ = 96 км.

Таким образом, стеклопластики являются конструкционными материалами, применяемыми для силовых изделий в различных отраслях техники: несущие детали летательных аппаратов, кузова и кабины автомашин, автоцистерны, железнодорожные вагоны, корпуса лодок, судов. Из стеклопластиков изготовляют корпуса машин, кожухи, защитные ограждения, вентиляционные трубы, контейнеры и др.

4. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура таких пластмасс образована твердым, реже эластичным полимером — связующим, которое образует стенки элементарных ячеек или пор с распределенной в них газовой фазой — наполнителем. Такая структура пластмасс обусловливает некоторую общность их свойств, а именно — чревычайно малую массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на пенопласты, поропласты и сотопласты.

Полимерные связующие могут быть как термореактивными, так и термопластичными. Для термопластичных пенопластов наиболее опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала и избыточное давление газа внутри ячеек может разрушить пенопласт. Для получения эластичных материалов вводят пластификаторы.

Пенопласты —материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Объемная масса пенопластов колеблется от 20 до 300 кг/м3. Замкнуто-ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие

470