8.1. Пластмассы.
8.1.1. Строение и свойства полимеров. Полимерами называют вещества, построенные из гигантских молекул (макромолекул), состоящих из элементарных повторяющихся звеньев (цепей). Длина таких звеньев составляет несколько тысяч ангстрем (1Å=10-10, 1мкм=10-6), а ширина – несколько ангстрем. По элементам, составляющих макромолекулы, полимеры разделяют на: 1). Органические, состоящие, в основном, из атомов углерода и водорода. 2). Неорганические, не содержащие атомов углерода и водорода (кремнийсодержащие – силикатные стекла и т.п.). Их отличает очень высокая теплостойкость (до 2000°С). 3). Элементоорганические, содержащие помимо атомов углерода и водорода атомы других элементов (атомы кремния, титана, бора, олова и т.д.).
По форме строения макромолекул полимеры делятся на: 1). Линейные, имеющие длинные цепи макромолекул нитевидной формы, и обладающие эластичностью.
формула -А-А-А-А-А-А-А-
Большинство линейных полимеров можно многократно переводить в пластическое состояние, т.е. при нагреве они размягчаются, при охлаждении – затвердевают. Такие полимеры называют термопластичными. Линейные полимеры могут иметь аморфное и кристаллическое (с молекулярной связью) строение. Увеличение кристаллической фазы способствует увеличению прочности, термостойкости, но при этом также растет и хрупкость полимера. Процесс вытяжки линейного полимера в нагретом состоянии аналогичен прокатке металла и также повышает прочность материала, вытягивая макромолекулы в направлении растягивающих усилий. На этом принципе основаны методы получения пленок, волокон, а также высокопрочного оргстекла. Помимо материала линейные полимеры могут служить добавками в растворенном виде при изготовлении лаков и склеивающих пленок. Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в густые жидкости: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т.п.
2). Разветвленные полимеры, имеющие длинные цепи с боковыми ответвлениями.
ААформула -А-А-А-А-А-А-А-А-А- А А
Структура таких полимеров приобретает рыхлость, а наличие боковых соединений способствует снижению прочности и теплостойкости. 3). Пространственные или сетчатые полимеры, построенные из длинных цепей, соединенных между собой в трехмерном измерении (в пространстве) прочными поперечными химическими связями.
-А-А-А-А-формула -А-А-А-А-А-А-А-А-А- -А-А-А-А-А-А-А-
Полимеры, способные при определенных условиях переходить из линейной формы в пространственную, называют термореактивными. Например, смола (эпоксидная) размягчается только при первом нагреве, а при дальнейшем нагреве приобретает пространственную структуру и становится твердым, неплавящимся и нерастворимым материалом, т.е. термостабильной и при повторном нагреве не может переходить в пластическое состояние. Такие полимеры обычно нерастворимы в растворителях и при нагревании не плавятся, а при температуре около 300°С только обугливаются. Процесс превращения линейных полимеров в пространственные в технологии пластмасс и клеев называют отверждением, в технологии производства резин – вулканизацией, в технологии лакокрасочного производства – сушкой.
Полимеры могут быть получены в результате реакции полимеризации или поликонденсации с образованием больших молекул из меньших или из различных веществ с меньшей молекулярной массой. Смолы в первом случае образуются при нагреве исходных мономеров под давлением. Пример второй реакции – взаимодействие фенола и формальдегида с образованием различных фенольно-формальдегидных смол. В зависимости от условий реакции полимер может быть сплошным блоком стекловидной массы, лаком (т.е. его раствором в каком-либо растворителе) или в виде мелкого порошка, удобного для дальнейшей переработки.
Для полимеров характерны три основных состояния при различных температурах: - стеклообразное (упруготвердое, аморфное), - высокоэластичное (с высокой упругостью и пониженной твердостью) и - пластичное (вязкотекучее, напоминающее жидкое, но с большей вязкостью, т.к. подвижна вся макромолекула).
8.1.2. Пластмассы и их свойства.
Основой пластмасс являются смолы как связующее звено, а наполнителями могут быть стекловолокно, стеклоткань, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесная мука, слюда, тальк, камфара, стеарин и различные красители.
Применение пластмасс обусловлено их следующими свойствами: 1). Малая плотность – практически не превышает 2,5 г/см3, например, плотность пенопластов < 0,05 г/см3, полиэтилена < 1 г/см3, фторопласта < 2 г/см3. 2). Высокая удельная механическая прочность обычно в направлении вытянутых молекул (как при прокатке металлов); по ее значению многие пластмассы стоят выше высокопрочных сплавов (до 1000 МПа). 3). Высокие диэлектрические свойства: высокое удельное сопротивление и электрическая прочность. 4). Высокая коррозионная и для большинства – химическая стойкость. 5). Медленное старение под действием окружающей среды (старение пластмасс приводит к их деструкции – разрыву молекул на куски). Термопласты стареют быстрее, чем реактопласты. 6). Хорошие технологические свойства – обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость, склеиваемость. 7). Низкая теплопроводность, поэтому многие пластики являются теплоизоляционными материалами. 8). Светопрозрачность. 9). Радиопрозрачность. 10). Наличие фрикционных и антифрикционных свойств.
Главными недостатками пластмасс являются: 1). Низкая упругость (в 100…1000 раз меньше, чем у металлов), 2). Зависимость свойств от температуры: с ее повышением прочность уменьшается, а с понижением растет хрупкость. Как следствие этого – низкая усталостная прочность, т.е. при длительном действии нагрузки прочность может резко уменьшаться и появляться ползучесть. 3). Образование у многих пластмасс при трении статического заряда и долгое его сохранение на поверхности (не электризуются пластмассы, наполненные графитом или порошками металлов). 4). Способность некоторых пластмасс, за исключением полистирола, оргстекла, фторопластов и кремнийорганических элементов, разрушаться под действием электрических разрядов с образованием на поверхности токопроводящего слоя (так, например, происходит на текстолитовой плате при коротком замыкании, и она перестает быть диэлектриком). 5). Снижение электрических свойств при нагреве. По этой причине не рекомендуется использовать пластмассы в СВЧ технике, за исключением фторопласта, полиэтилена, полистирола и некоторых других.
В зависимости от свойств, пластмассы в авиастроении применяются для изготовления: - многослойных конструкций силовых деталей с заполнителями в виде сот и пенопластов (рули, элероны, отсеки крыла, стабилизатора, фюзеляжа, полы, перегородки), - деталей остекления, - трубопроводов, топливных баков, - облицовочно-декоративных и теплоизоляционных материалов кабины и салона, - электроизоляционных и уплотнительных материалов.
8.1.3. Термопластичные пластмассы. Полиэтилен – продукт полимеризации бесцветного газа – этилена. Водостоек и стоек к щелочам, большинству кислот, к топливу и маслам. Хороший диэлектрик, в том числе, при частотах свыше 1 ГГц. Рабочие температуры от -60 до +100°С. В самолетостроении применяется для изготовления коррозионностойких труб, контейнеров и уплотнителей, для изоляции проводов и защитных оболочек кабелей и деталей СВЧ аппаратуры. Недостатки: подверженность старению и затвердевание при радиоактивном облучении. Полипропилен – продукт полимеризации пропилена. Обладает теми же свойствами, что и полиэтилен, но более прочный и жесткий. Рабочая температура до 150°С. Недостаток – склонен к окислению. Предназначается для изготовления труб, пленки, канатов, корпусов приборов. Полипропиленовый канат используют для обвязки айсбергов (весом до 4 млн. тонн) при их буксировке с целью защиты буровых нефтяных и газодобывающих установок от столкновения с ними. Полистирол – твердый продукт полимеризации стирола с плотностью =1,05 г/см3. Имеет исключительно высокие диэлектрические свойства при температурах от -60 до +60°С, прозрачен и водостоек. Недостатки: набухает в топливе и маслах, хрупок, склонен к растрескиванию, стареет на воздухе, горюч. Широко применяется для изоляции деталей высокочастотной части радиоаппаратуры, помимо этого – для производства электротехнического оборудования (ламповые панели, патроны, корпуса, ручки и т.д.). Винипласт – твердый поливинилхлорид плотностью 1,2…1,6 г/см3. Имеет высокую прочность, упругость, химическую стойкость и электрическую прочность. Недостатки: при нагреве разупрочняется, при низких температурах становится хрупким. Применяется как защитное покрытие проводов, труб, гальванических ванн, металлических емкостей.
Полиамиды – твердые кристаллизирующиеся полимеры с плотностью до 1,14 г/см3. Полиамидные пластмассы принадлежат к наиболее прочным, жестким и вязким термопластам. Обладают высокой виброустойчивостью, антифрикционными свойствами (коэффициент трения < 0,05) и низкой гигроскопичностью. Рабочие температуры от -50 до +150°С. Недостаток – подверженность старению. Известные полиамиды – капрон и нейлон используют в виде синтетического волокна для производства кордной ткани авиапокрышек и строп парашютов. Другие полиамидные материалы применяются как уплотнители гидросистем, износоустойчивые покрытия, наносимые на металлы методом напыления. Из них изготавливают также маслобензопроводы, втулки, подшипники, шестерни, крепеж. Полиуретаны – полимеры, содержащие в цепи атомы кислорода, придающие им эластичность. Свойства полиуретанов близки к свойствам полиамидов. Рабочие температуры от -70 до +170°С. Достоинством их является высокая адгезия (сцепляемость) к металлической поверхности, оргстеклу и другим материалам, поэтому применяется при производстве уплотнительной пленки и изоляции. Фторопласты – полимеры, состоящие преимущественно из углерода и фтора, плотностью 1,5…2,5 г/см3. Обладают высокой эластичностью, лучшими, чем у полиэтилена и полистирола, диэлектрическими свойствами и широким интервалом рабочих температур, например, для «фторопласта-4» -195…+250°С. Важным достоинством является абсолютная стойкость против действия агрессивных сред, включая концентрированную азотную кислоту, царскую водку и т.п. Применяются в радиооборудовании самолета и как защитное покрытие на металлах при изготовлении химически стойких труб, шлангов, клапанов. Органическое стекло – термопласт на основе сложных эфиров плотностью до 1,19 г/см3. Для разных целей выпускается множество различных марок стекол с диапазоном рабочих температур от -60 до +300°С, а также с различной прочностью или хрупкостью. Все они, как правило, хорошо шлифуются, обрабатываются резанием, склеиваются или свариваются. Недостаток – склонность к растрескиванию под напряжением. Безосколочное стекло триплекс изготавливается из двух листов оргстекла марки СОЛ и бутварной (полиуретановой) пленки. Применяются стекла для остекления кабин, а также для производства приборных панелей, сигнальных огней, шлемов и т.д. Пенопласт – хлоросодержащий полиэфир. Устойчив к нагреву до 180°С. Применяется для изготовления гибких труб и шлангов. Полиимиды – сложные по структуре полимеры, имеющие уникальные свойства: стойкость к радиационному облучению и диапазон рабочих температур от -200 до +400°С. В сочетании с высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами они являются незаменимым материалом в приборостроении. Материалы на основе эфиров целлюлозы – получаются путем обработки целлюлозы кислотами или спиртами. Применяются для изготовления прочных и легких деталей управления самолетом: штурвалов, рукояток, прозрачных щитков приборов и т.д.
8.1.4. Термореактивные пластмассы. При их производстве используют эпоксидные, кремнийорганические, фенольно-формальдегидные и полиэфирные и смолы. Смола склеивает как отдельные слои наполнителей, так и элементарные волокна материалов и воспринимает нагрузку одновременно с ними, поэтому после затвердевания должна обладать прочностью на отрыв при расслаивании материала. Для придания этих свойств в смолу добавляют различные отвердители, пластификаторы и растворители.
1). Наибольшей адгезией к растворителю обладает эпоксидная смола, что позволяет получать пластмассы с высокой механической прочностью. Отверждение эпоксидов происходит при помощи щелочных и кислотных отвердителей. Эпоксидные смолы сохраняют свою консистенцию при хранении, обладают высокой адгезией к металлам, минеральному стеклу, пластмассам, имеют малую усадку, высокую химическую стойкость, диэлектрические свойства. Эпоксидные полимеры и смеси (компаунды) в самолетостроении применяют для герметизации электронной аппаратуры, покрытий на металлах, клеев. Недостатки – высокая стоимость и токсичность исходных веществ.
2). Кремнийорганическая смола позволяет получить теплостойкость пластика до 400°С, но его механическая прочность будет сравнительно невелика. Кремнийорганические полимеры (силиконы) по водостойкости превосходят все остальные и обладают удовлетворительной адгезией к минеральному стеклу, слюде. Затвердевание ведется при нагреве до 250°С. Основное применение – теплостойкие стеклопластики, лаки, клеи, герметики (заливка электрооборудования).
3). Фенольно-формальдегидные смолы (фенопласты) теплостойки, стойки против агрессивных растворов и топлива. Основной их недостаток – повышенная хрупкость. Фенопласты используют для изготовления ручек, кнопок, корпусов приборов и электроарматуры с порошковым наполнителем, а также шкивов, маховиков, фланцев, направляющих втулок с волокнистым наполнителем, т.е. тех деталей, где нет переменно-знаковых нагрузок.
4). Полиэфирные смолы (алкидные) – это жидкие вещества, которые быстро затвердевают при небольшом нагреве (до 60°С). Преимущества полиэфиров – прозрачность, хорошая сцепляемость со стекловолокном, стойкость против старения, легкость обработки. Недостатки – горючесть, большая усадка и небольшая теплостойкость. Применяются для герметизации оборудования и для получения стеклопластиков, из которых производят баки, контейнеры, трубы, обшивки.
В производстве пластмасс в качестве наполнителей используются: 1). Порошки: древесная, кварцевая мука, молотая слюда. 2). Волокно: хлопок, стекло, кремнеземная нить. 3). Слоистые материалы: стеклоткани, стеклопластики, хлопчатобумажные ткани (текстолит), стеклотекстолит, плотная бумага (гетинакс), древесина (шпон) и т.д.
Стеклотекстолит принадлежит к числу наиболее прочных авиационных материалов. Его плотность 1,5…1,9 г/см3, предел прочности – до 600 МПа. По удельной прочности он превосходит титановые сплавы, имеет высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства, обладает высокой стойкостью к керосину, бензину, авиационным маслам и воде. Недостаток – низкая упругость. Предназначен для производства деталей, работающих при высоких механических нагрузках и нагреве до 200°С (обшивок фюзеляжа, полок лонжеронов, деталей оперения), а также лючков, коробок и деталей приборов.
Стеклопластик изготавливают из стеклянных волокон, которые сразу после вытяжки в плавильном агрегате покрывают полимерным связующим. Путем горячего прессования листов стеклошпона, расположенных относительно друг друга под углом 90°, получают анизотропный материал – стеклофанеру. Стеклопластик СВАМ имеет очень высокий предел прочности на растяжение (до 1000 МПа), обладает высокими диэлектрическими характеристиками, водо- и теплостойкостью. Применяется в виде силовых и теплоизоляционных панелей с легким заполнителем.
Текстолит – слоистый материал, получаемый путем горячего прессования легких сортов хлопчатобумажной ткани, пропитанной резольной смолой. Выпускается в виде плит, листов, стержней. Имеет плотность 1,3…1,4 г/см3 и отличается повышенными механическими, антифрикционными и диэлектрическими свойствами, повышенным пределом усталости (хорошо поглощает энергию вибрации), износостоек, теплостоек до 130°С. Из текстолита изготавливают шестерни и ролики (марка ПТК – конструкционная), которые могут работать бесшумно при частоте вращения до 30000 об/мин, амортизационные прокладки (гибкий прокладочный текстолит марки МА), работающие в среде керосина, бензина и масла. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10…15 раз дольше бронзовых, однако при больших скоростях и удельных давлениях их применять не следует. Для электротехнических целей применяются марки А, Б, Г и ВЧ.
Гетинакс – слоистый пластик, полученный путем горячего прессования слоев сульфатной бумаги, пропитанной фенольно-формальдегидной смолой. Его марки А, Б, Г и АВ применяют преимущественно для деталей электрооборудования. Выпускается также декоративный гетинакс, который может иметь различные цвета и текстуру, имитирующую древесные породы, и применяется для облицовки авиационных кабин, кают судов, пассажирских вагонов.
Древеснослоистые пластмассы (ДСП) – состоят из древесного шпона, пропитанного смолой. Древесный шпон – это тонкий широкий лист древесины, полученный на деревообрабатывающем станке. Для ДСП с фенольно-формальдегидным или другим связующим, способным вызвать при эмиссии (испарении) аллергическую или иную нездоровую реакцию у человека, используют в качестве дополнительной характеристики коэффициент эмиссии материала. Чем ниже коэффициент, тем слабее эмиссия его компонентов. Так, например, для материалов, применяемых в производстве детской мебели, этот коэффициент должен быть наименьшим и обязательно присутствовать в обозначении – «Е1».
8.1.5. Газонаполненные пластмассы состоят из твердой и газообразной фаз, что обеспечивает их малую массу и высокие теплозвукоизоляционные свойства. Образование пенистой структуры достигается введением газообразователей, разлагающихся при нагревании. Различают две группы:
Пенопласты – материалы с ячеистой структурой, в которых поры изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Плотность пенопластов колеблется от 0,01 до 0,2 г/см3, а механическая прочность невелика. Рабочие температуры для термопластичных пенопластов (на основе полистирола - ПС-1 … ПС-6) от -60 до +60°С, для термореактивных пенопластов (на основе фенольно-формальдегидной смолы – ФФ и фенольно-каучуковые - ФК) – до +160°С. Добавка в них алюминиевой пудры (марка ФК-20-А-20) повышает рабочую температуру до 250°С. Пенопласт на кремнийорганическом связующем термостоек до 300°С. Пенополиуретаны (ПУ-101, ПУ-104 …) – самовспенивающиеся материалы с рабочей температурой до 200°С. Пенопласты хорошо обрабатываются резанием, склеиваются с металлами и с другими пластмассами. Используются как заполнители конструкций элеронов, рулей, обтекателей радиолокационных антенн и т.д., теплоизоляционных панелей и перегородок, а также для изготовления спасательных средств. Мягкие пенопласты (поролон) применяются для мягких сидений. Пеноуретаны и пеноэпоксиды широко используются для заливки деталей электронной аппаратуры.
Поропласты – материалы с губчатым строением, в которых внутренние полости сообщаются между собой и окружающей средой, поэтому обладают эластичностью. Чаще используются как упаковочный материал.
8.1.6. Полимерные и композиционные материалы. В последние годы были созданы перспективные материалы на основе полимеров, которые предназначены для работы в тяжелых условиях, а также которые могут иметь некоторые свойства металлов. Так, полимеры с атомами меди, титана, циркония, гафния способны быть полупроводниками и обладают при этом высокой теплостойкостью до 1300°С. Композиционные материалы – многослойные конструкции, склеенные с листами или сотами металлов и пластиков, обеспечивают получение высокой удельной прочности и используются в обшивках самолетов. Применяется также армирование металлов керамическими и угольными волокнами, повышающими рабочую температуру металла до 2000°С. Плазменное напыление слоев волокон бора на алюминиевые сплавы (бороалюминиевые композиты) обеспечивает низкую плотность и высокую пластичность материала. Разработанные тонкостенные трубы из боропластика и бериллия при их применении в слабонагруженных ферменных конструкциях дает до 50% экономии массы в сравнении с алюминиевыми конструкциями. О применении композиционных материалов будет сказано ниже.
8.1.7. Изготовление пластмасс.
Литьевое прессование применяется, главным образом, для формообразования тонкостенных деталей, но требует сложных пресс-форм. Литье под давлением (экструдером) в основном деталей из термопластов отличается высокой производительностью (цикл длится около 10 секунд, и за смену на автоматических литьевых машинах производится до 20 тысяч деталей). Детали, получаемые литьем под давлением, почти не требуют дальнейшей обработки. Штамповка листовых материалов: оргстекла, полистирола, полиэтилена и некоторых материалов на основе термореактивных смол позволяет формовать крупногабаритные детали сложной формы (например, детали остекления). Для получения труб и пустотелых тел вращения используется метод намотки стеклонитей и стеклотканей на вращающуюся форму с одновременной пропиткой. Для уплотнения материала стеклонити наматывают под натяжением.
Обработка пластмасс.
Оборудованием для механической обработки пластмасс служат обычные металлорежущие и деревообрабатывающие станки с применением специальных зажимных устройств. Специфика обработки резанием пластмасс заключается в том, что при малых скоростях поверхность детали получается шероховатой, а при высоких – образуются прожоги. При сверлении, во избежание «затягивания» и «заедания» следует применять несколько изношенный инструмент, а для предупреждения прожогов инструмент периодически охлаждают и освобождают от стружки. Термореактивные пластмассы обрабатываются, в основном, без охлаждения, а термопласты – при охлаждении сжатым воздухом. Шлифование (для получения гладкой поверхности) производится на обычных станках с корундовыми кругами или более стойкими карборундовыми кругами. Полирование (для получения зеркальной поверхности) производится на матерчатых (войлочных и фетровых) кругах с применением специальных полировальных паст или без них. Сварка газопламенная, ультразвуковая, контактная схожа со сваркой металлов. Нанесение покрытий из пластика на металл (для улучшения его свойств) производят методом напыления.
8.2. Резиновые материалы.
Резиной называется продукт обработки (вулканизации) смеси натурального или синтетического каучука и серы с различными добавками (пластификаторы, противостарители, красители). 8.2.1. Особенные свойства резины и применение: 1). Способность к очень большим деформациям и сохранение высокоэластичного состояния в широком диапазоне температур. 2). Гашение колебаний, ударов в амортизационных устройствах. 3). Сопротивление истиранию в шинах колес самолетов. 4). Уплотняющая способность, сопротивляемость различным средам и способность набухать в этих средах. 5). Газо- и водонепроницаемость, стойкость к действию топлива и масел. 6). Электроизолирующие свойства, в том числе, высоковольтной аппаратуры. 7). Токопроводимость некоторых специальных типов резин позволяет использовать их для производства противообледенительных устройств, при производстве токосъемных контактов аппаратуры, шлангов и покрышек с целью отвода зарядов статического электричества.
Для резины характерна резко выраженная зависимость механических свойств от температуры. Усталостная прочность резин определяется их утомлением, когда под действием механических напряжений, тепла, света, агрессивных сред происходит разрушение. Усталостному разрушению сильно способствует действие озона, вызывающее растрескивание поверхностного слоя большинства резин.
8.2.2. Основные типы резин:
Натуральный каучук (НК) содержится в млечном соке дерева гевеи – латексе. После обработки латекса кислотами получают каучук с формулой полимера (С5Н8)n. Натуральный каучук легко растворяется в бензине и других органических растворителях, при нагревании до 70°С размягчается, при -70° становится хрупким. При длительном хранении возможна кристаллизация. Резина на основе НК отличается высокими электроизоляционными свойствами, прочностью, эластичностью и газонепроницаемостью.
Синтетический каучук бутадиеновый (СКБ) – основан на переработке этилового спирта, сходен по свойствам с НК, но менее морозоустойчив.
Синтетический каучук бутадиенстирольный (СКС) – морозоустойчивый (СКС-10 до -75°С), с высоким сопротивлением старению.
Синтетический каучук бутадиеннитрильный (СКН) – повышенной механической прочности (к истиранию) с высокой керосино-, масло-, бензо- и водостойкостью. Рабочие температуры -40…+130°С.
Наирит – хлоропреновый каучук с высокой стойкостью против действия масла, бензина, керосина и озона. Рабочие температуры -40…+130°С. Имеет наихудшие показатели при тепловом старении.
Бутилкаучук – обладает газонепроницаемостью, прочностью в интервале температур -70…+150°С. Практически не подвержен озоновому растрескиванию. Основное назначение – работа с концентрированными кислотами, производство камер шин и т.д.
Тиокольный каучук (полисульфидный) – идеальный герметик, имеющий высокую адгезию к металлам.
Силиконовый каучук (СКТ) – кремнийорганическое соединение применяется для изготовления уплотнителей и гибких соединений. Рабочие температуры -60…+250°С. При повышении температуры до 150°С органические резины теряют прочность, а СКТ может длительно работать, т.к. с увеличением температуры его прочностные свойства возрастают (при комнатной температуре СКТ имеет сравнительно низкую прочность). Также при тепловом старении у СКТ может происходить некоторое упрочнение.
Полиуретановый каучук – высокопрочный, имеющий газонепроницаемость в 20 раз большую, чем у НК, но к воде не стоек. Рабочие температуры -30…+130°С.
Фторосодержащие каучуки (СКФ) – устойчивы к тепловому старению, т.е. имеют длительную теплостойкость до 300°С, а также к маслам, топливу и различным растворителям.
Эбонит – твердая резина, получаемая при вулканизации каучука с большим количеством серы (25…35%). Отличается высокой водостойкостью и большей химической инертностью, чем мягкие резины. Характеризуется также хорошими электроизоляционными и механическими свойствами, хорошо обрабатывается. Недостаток – низкий диапазон рабочих температур – до 90°С. Сравнительно дорогой материал, может быть заменен пластмассами на основе хлорвинила. Из эбонита изготавливают аккумуляторные баки, панели, электротехнические детали.
Эскапон – бессернистый эбонит, получаемый полимеризацией бутадиенового каучука СКБ. По сравнению с эбонитом обладает более низкими диэлектрическими потерями и более высокими рабочими температурами – до 130°С и кратковременно – до 200°С. Применяется как электроизоляционный материал в высокочастотной аппаратуре.
8.2.3. Технология изготовления резиновых изделий состоит из вальцевания (пластикации) каучука, приготовления смеси - сырой резины, формования и вулканизации. Основные методы изготовления резиновых изделий: 1). Каландрирование – прогонка сырой резины через нагретые валки и получение листов с глянцевой поверхностью или рифлением, которые наматываются на деревянные катушки вместе с куском прокладочной ткани для предупреждения слипания слоев. В дальнейшем из листов формуют различные изделия. 2). Выдавливание на червячном прессе с нагревом до 100…110°С – используется для производства трубок, стержней и шнуров из резиновой смеси. 3). Литье под давлением – для изготовления деталей сложной конфигурации. По сравнению с формованием пластмасс, где требуется давление более 5 МПа, в большинстве случаев изделия из резины формуют при давлении 1…2 МПа. 4). Конфекция – для получения резиновых изделий из последовательно склеенных слоев резины и ткани: прорезиненных тканей, шинных покрышек, ремней. Для получения авиапокрышек резиновую смесь наносят на высокопрочные ткани (корд) из полиэфирного или полиамидного волокна, а затем напрессовывают другие слои. Многие резиновые изделия армируют металлами. Для адгезии металлической арматуры к резине на металл наносят клей или латунируют (т.к. латунь обладает адгезией к резине).
Вулканизация состоит в химическом взаимодействии каучука с серой, в результате чего каучук превращается в резину. Сера образует «мосты» между линейными макромолекулами каучука, и в результате этого образуется пространственная сетка, которая дает резкое возрастание прочности и эластичности материала (пластичность каучука, т.е. способность его к деформациям, при этом почти полностью исчезает). Количество серы составляет для обычной резины 5…7%, а для твердой (эбонита) – около 25…35%. Различают: - горячую вулканизацию – при температурах 120…150°С, давлениях 2,5…7,5 МПа и продолжительностью процесса 10…180 минут; - холодную вулканизацию (применяемую для тонкостенных изделий), которая заключается в обработке изделий в течение нескольких минут раствором хлористой серы, иногда с совместным гамма-облучением, что значительно увеличивает прочность.
Хранить резиновые изделия из-за ее склонности к старению следует в защищенных от солнца помещениях при температуре 5…20°С и влажности воздуха от 40 до 65%.
8.2.4. Резиновые материалы и изделия, применяемые в авиастроении.
Марки и примерное назначение авиарезин.
| Марка резины | Тип каучука | Назначение |
| 3827, 3853 | НК | Электроизоляционные |
| 551, 2542, 4061, ВИАМ-103, ВИАМ-106 | СКСВ (севанитовый) | Светостойкие для масла, топлива, бензина |
| 3826, 3834, 4069, 9831 | СКСВ, СКН | Для масла и топлива |
| 2696, 3491, 4094 | СКСВ, СКВ | Для уплотнителей |
| 922, 1432, 1448, 2005, | СКБ | Уплотнительные для воздуха и спиртоглицериновой смеси |
| 1651, 2671, 14К-10, 14К-22, НО-68-1 | СКБ, СКС-10 | Морозостойкие для амортизационных деталей |
| 1847, 2462, 2959, 3311, 3703, ВИАМ-2.56, ВРГ-14 | НК | Износостойкие для амортизационных деталей |
| 3687, 3825, 4327, 4410, 5168, ИРП-1078 | НК, СКБ, СКН | Теплостойкие |
Авиапокрышка – воспринимает толчки, удары и способствует торможению. Протектор – рабочая часть покрышки состоит из толстого слоя резины с рельефом на поверхности, поэтому он должен обладать большим сопротивлением истиранию и фрикционными свойствами. Каркас покрышки и брекер – подушечный слой состоят из прорезиненного капрона и слоев резины. Покрышки изготавливают из высокопрочной морозостойкой резины на основе дивинилстирольного каучука СКС-10 и натурального каучука, после чего их покрывают лаком-противостарителем. Коэффициент старения резины (отношение упругости до старения к упругости после старения) выбирают ˃ 0,8. Естественное старение авиарезины происходит в течение трёх лет.
Резиновые рукава (гибкие шланги) служат для соединения трубопроводов топливных, масляных, гидравлических и воздушных систем. Резиновые рукава из прорезиненной ткани (дюритовые шланги) имеют низкие характеристики по рабочему давлению – до 0,15 МПа, а рукава оплеточной конструкции (с металлической или пластиковой арматурой) выпускаются трех видов: для низкого давления – не более 1,5 МПа, для среднего – не более 5 МПа и для высокого – не более 12 МПа.
Амортизаторы как более распространенные – пластинчатой структуры, устанавливают в крепления двигателей и отдельных агрегатов. Амортизаторы, не соприкасающиеся при работе с горючим, изготавливают из резины на основе натурального или бутадиенового каучука. Часто встречаются демпферы (сайлент-блоки, т.е. бесшумные, не вызывающие скрипа, скрежета), склеенные с металлическими деталями методом привулканизации (поверхностной обработки давлением).
Мягкие топливные баки – применяются на некоторых типах самолетов и вертолетов. Стенки баков состоят из нескольких слоев топливостойкой резины и наружного слоя прорезиненной капроновой ткани. На военной технике между резиновым и наружным слоем вставляют слои протектора из набухающей резины, при повреждении бака от вытекающего на него горючего протектор набухает и затягивает отверстие. В конструкциях крыла многих самолетов имеются кессонные баки (топливные отсеки), где выгодно используется емкость и силовая конструкция крыла. Герметичность при этом достигается применением специальных герметиков.
8.3. Стекло и керамика.
Неорганическое стекло – однородное аморфное вещество, полученное при затвердевании сплава окислов SiO2, B2O3, P2O5, Al2O3. Соответственно, по составу стекло бывает силикатным, боросиликатным, алюмосиликатным и т.д. Стекло не имеет определенной температуры плавления как у металлов, а переходит из одного состояния в другое в их сравнительно большом интервале, характеризуется хрупкостью, химической стойкостью, газо- водонепроницаемостью, прозрачностью и изотропностью (одинаковостью свойств в разных направлениях). Предел прочности стекла на растяжение – до 80 МПа, а на сжатие – до 800 МПа. Прочность существенно понижается при наличии в нем остаточных внутренних напряжений. Важнейшей характеристикой стекла является коэффициент линейного расширения: чем он больше, тем большие термические расширения оно может испытывать при смене температур. Особенно данное свойство проявляется при сваривании стекол разного состава. Наибольший коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло, выдерживающее при температуре 1000°С закалку в воде. Термостойкость для стекол определяется разностью температур, которую они выдерживают при охлаждении. Термостойкость технических стекол =100…300°С, а термостойкость кварцевого стекла достигает 800°С.
Керамика – неорганический материал, получаемый формованием изделий из минеральных компонентов с последующим обжигом (спеканием). В ее составе могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газообразная фазы, но основу всегда составляет кристаллическая, которая определяет ее механическую прочность, термостойкость и т.п. Корунд – керамический материал из Al2O3, обладающий высокой прочностью, химической стойкостью, огнеупорностью и диэлектрическими свойствами, что обуславливает его использование для производства свечей зажигания. Керамика из окиси магния (MgO) применяется для футеровки печей, из окиси бериллия (BeO) – для оболочек атомных реакторов. Бескислородные соединения – карбиды, бориды, нитриды и силициды, отличаются огнеупорностью (tПЛ.=2500…3500°С); так, бориды и карбид кремния или карборунд (SiC) используют в качестве нагревательных стержней и абразива, дисилицид молибдена (MoSi2) – в качестве защитного покрытия тугоплавких металлов, например, для оболочек термопар. По электрическим параметрам керамика применяется в изоляторах (электрофарфор, стеатит – получаемый прессованием талька и применяемый в ВЧ технике), в конденсаторах (керамика на основе TiO2) и в пьезоэлектриках. Пьезоэлектрики – это вещества, у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект) и под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект) и, следовательно, резонансная частота материала.
8.4. Лако