Раздел 8. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Пластмассы

Пластмассами называют искусственные материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные принимать заданную форму при нагре­вании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Основным компонентом пластмасс, обеспечивающим работу всей компози­ции как единого целого, являются полимерные материалы, или смолы, представ­ляющие собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых (макромоле­кулы) состоят из большого числа (нескольких тысяч) мономерных звеньев.

Полимеры получают в результате синтеза из низкомолекулярных соедине­ний методами полимеризации или поликонденсации.

Наиболее многочисленную группу соединений составляют органические полимеры, например, полиолефины, фторопласты, полиамиды, полиимиды, фенолформальдегидные смолы, полисилоксаны, эпоксидные смолы.

Основу неорганических полимерных материалов составляют соединения Si0₂, CaO, MgO, А1₂0₃ и др. Представителями таких полимеров являются сили­катные стекла, керамика, асбест, слюда.

Свойства полимерных материалов определяются как их химическим соста­вом, так и строением макромолекул.

Присутствие в основных молекулярных цепях атомов других, кроме угле­рода, элементов сообщает полимеру те или иные специфические свойства. На­пример, фосфор и хлор повышают огнестойкость, атомы серы увеличивают газо­непроницаемость, кислород способствует повышению эластичности, фтор обес­печивает высокую химическую стойкость пластмасс.

По строению различают следующие основные типы макромолекул: линей­ные, разветвленные, ленточные, пространственные.

Полимерные материалы с ленточной или разветвленной структурой макро­молекул высокоэластичны. Они обладают термопластичностью, т.е. способно­стью обратимо размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении без уча­стия химических реакций. Такие материалы называют термопластами. Процесс размягчение-затвердевание может протекать многократно.

Полимеры с ленточными и особенно с пространственными макромолекула­ми имеют повышенную тепловую и химическую стойкость. Образование подоб­ной структуры и связанное с ним необратимое затвердевание материала протека­ет при участии химических реакций. Такие полимеры, а также пластмассы на их основе называют термореактивными (реактопласты). Перевести однажды за­твердевшую термореактивную смолу в вязкотекучее или высокоэластичное со­стояние нельзя. Пространственной (редкосетчатой) структурой обладают также ре­зины - продукт вулканизации природного или синтетического полимера - каучука.

В зависимости от химического состава, строения макромолекул, надмоле­кулярной структуры (степени кристалличности) полимеры по электрическим и физическим свойствам могут быть полярными и неполярными. У полярной моле­кулы пространственные положения центров тяжести положительного и отрица­тельного зарядов не совпадают. У неполярной молекулы скрепляющее ее элек­тронное облако распределяется равномерно и центры тяжести разноименных зарядов находятся в одной точке. Полярные полимеры обладают повышенной жесткостью и теплостойкостью, высокой адгезионной способностью, понижен­ной морозостойкостью. Неполярные - являются высококачественными и высоко­частотными диэлектриками. Их свойства мало изменяются при понижении тем­пературы. Они отличаются высокой морозостойкостью.

Наряду со связующим веществом большинство пластмасс содержат наполните­ли и добавки, улучшающие их технологические и эксплуатационные свойства.

Наполнители придают пластмассовым изделиям высокую прочность, хими­ческую стойкость, теплостойкость, улучшают диэлектрические качества, снижа­ют (повышают) плотность, повышают фрикционные (антифрикционные) свойст­ва и т.д. Наполнители могут быть как органическими, так и неорганическими веществами. По структуре наполнители бывают порошкообразными, волокни­стыми, листовыми и газообразными. Пластмассы с ориентированным волокни­стым наполнителем и с листовым наполнителем (слоистые пластмассы) обладают ярко выраженной анизотропией механических свойств. По виду наполнителей различают пластмассы ненаполненные, или простые и наполненные. К последним относятся материалы с наполнителями: порошкообразными (пресс-порошки и литьевые пластмассы); волокнистыми (волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты); листовыми (гетинаксы, текстолиты, асботекстолиты, древесно-слоистые пластики (ДСП), стеклотекстолиты); газообразными (пено- и поропласты).

По назначению пластмассы подразделяют на ряд групп: конструкционные, электроизоляционные, химически стойкие, фрикционные, тепло- и звукоизоляци­онные, светотехнические и др.

Конструкционные пластмассы характеризуются высокими механическими свойствами. К ним относятся, например, ударопрочный полистирол, фенопласты, стеклопластики (стекловолокниты, стеклотекстолиты), используемые в нагру­женных узлах и деталях конструкций. Стеклопластики на основе эпоксидных смол обладают высокими прочностными свойствами, на основе кремнийоргани-ческих смол (полисилоксанов) - высокой теплостойкостью.

Электроизоляционные пластмассы являются хорошими диэлектриками. Их (полиэтилены высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, полистирол, фторо­пласты (фторопласт-3 и фторопласт-4), гетинакс, текстолит) используют при из­готовлении электроизолирующих и диэлектрических деталей, пленок, шлангов, изолирующих покрытий на металлах и т.д.

Химически стойкие пластмассы, например, фторопласт-4, полиэтилен, по-ливинилхлорид (винипласт), асбоволокниты способны сопротивляться действию влаги и различных химических соединений. Из них изготавливают химическую аппаратуру, емкости, трубы, химически стойкие покрытия на металлах и др.

Фрикционные пластмассы обладают в условиях сухого трения высоким ко­эффициентом трения и высокой износостойкостью. К ним относятся, например, асбоволокниты, асботекстолиты, асбокаучуковые материалы. Такие пластмассы работают в узлах, передающих кинетическую энергию (например, фрикционные диски муфт сцепления) или рассеивающих ее (например, накладки, колодки тор­мозных устройств).

Антифрикционные пластмассы имеют малый коэффициент трения и высо­кую износостойкость. В эту группу входят пластмассы, работающие в узлах тре­ния. Высокими антифрикционными свойствами обладают, например, фторопласт-4, полиамиды (капрон), лавсан, текстолиты, древесно-слоистые пластики. Из пласт­масс изготавливают вкладыши подшипников скольжения, зубчатые колеса и др. детали, образующие пары трения. Зубчатые колеса из текстолита работают бес­шумно при частотах вращения до 30 ООО об/мин.

шестерни из ДСП могут переда­вать значительные нагрузки, сравнимые с деталями из цветных металлов.

Тепло- и звукоизоляционные пластмассы, например, пенополистирол, пено­полиуретан, пенополиэпоксид, пенополисилоксан обладают низким коэффициен­том теплопроводности, высокой звукопоглощающей способностью. Их используют для теплоизоляции холодильников, труб; тепло- и звукоизоляции кабин и др. Пласт­массы применяют также в качестве легкого заполнителя силовых элементов кон­струкций; для изготовления труднозатопляемых изделий.

Светотехнические и оптические пластмассы применяют для изготовления оптических деталей и арматуры осветителей. Они стойки к воздействию света и обладают высокими оптическими свойствами. Например, полиметилметакрилат (органическое стекло) применяют для остекления автомобилей, судов, самолетов, для изготовления рассеивателей и других светотехнических изделий; из полисти­рола изготавливают прозрачные колпаки приборов, часовые стекла и т.п.

Декоративные пластмассы, например гетинакс, применяют для отделки (облицовки) мебели, салонов автобусов, самолетов, кабин судов, пассажирских железнодорожных вагонов, вагонов метро и др.

Под действием внешней среды полимерные материалы претерпевают необ­ратимые изменения - стареют. При старении происходит деструкция и структу­рирование полимерных цепей, сопровождающиеся изменением физических, хи­мических, механических характеристик пластмассы. Различают атмосферное, тепловое, радиационное и др. виды старения.

Разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздейст­вии горячего газового потока, называется абляцией. Абляционная стойкость оп­ределяется устойчивостью материала к механической, термической и термоокис­лительной деструкции.

Вопросы для контроля

1. Какие вещества называют полимерами?

2. Какие полимерные материалы называют термопластичными?

3. Какие материалы называют пластмассами?

4. Какие пластмассы называют термореактивными?

5. Какие свойства придают пластмассам наполнители?

8.2. Композиционные материалы

Композиционные материалы - сложные материалы, состоящие из нераство­римых или малорастворимых друг в друге компонентов, сильно отличающихся по свойствам и разделенные в матрице ярко выраженной границей.

Свойства композиционных материалов зависят от свойств компонентов и характера связи между ними. В таких материалах проявляются достоинства каж­дого из компонентов, а также положительные свойства, которыми каждый из компонентов в отдельности не обладает.

Основа (матрица) композиционного материала может быть металлической (композиционные материалы на металлической основе) и неметаллической (ком­позиционные материалы на неметаллической основе). В качестве металлической основы широко применяют алюминий, магний, никель, титан, сталь. Неметалли­ческая основа может быть полимерной, углеродной, керамической.

Матрица объединяет все компоненты композиционного материала в единое целое. От свойств матричного материала зависят такие эксплуатационные свой­ства композиции как рабочая температура, сопротивление воздействию окру­жающей среды, сопротивление усталостному разрушению.

В матрице равномерно распределены компоненты, наполняющие и упроч­няющие композиционный материал - упрочнители и армирующие материалы. Упрочняющие компоненты должны обладать высокой прочностью, твердостью, модулем упругости. По этим характеристикам они должны значительно превос­ходить материал матрицы. По геометрическим параметрам армирующие мате­риалы могут быть нуль-мерными, одномерными и двумерными.

Материалы, армированные нуль-мерными упрочнителями, называют дис­персно-упрочненными. В качестве дисперсных частиц чаще используют тугоплав­кие оксиды, карбиды, нитриды, бориды (А1₂0₃, Th0₂, SiC, BN и др.). Изготавли­вают дисперсно-упрочненные материалы с металлической матрицей главным образом методом порошковой металлургии. При работе дисперсно-упрочненных материалов основную нагрузку воспринимает матрица. Дисперсные частицы, эффективно тормозя движение дислокаций, препятствуют развитию пластиче­ской деформации и, таким образом, упрочняют композиционный материал. Сте­пень упрочнения определяется дисперсностью частиц и расстоянием между ни­ми. Большое упрочнение достигается при размере частиц 0,01... 0,1 мкм и рас­стоянии между ними 0,05... 0,5 мкм.

Среди дисперсно-упрочненных материалов широкое распространение полу­чили, например, спеченные алюминиевые пудры (САП) - материалы с алюми­ниевой матрицей, упрочненные чешуйками А1₂0₃. Содержание оксида в САП находится, в зависимости от марки, в пределах 6... 18%. САП обладают прочно­стью до 400 МПа (САП-3), низкой плотностью, высокой коррозионной стойко­стью. Длительная прочность σ₁₀₀ при температуре 500 °С материалов САП-1 и САП-2 составляет 45... 55 МПа. Наиболее высокую жаропрочность имеют мате­риалы на основе никеля с 2... 3 % двуокиси тория (ВДУ-1) или двуокиси гафния (ВДУ-2). При температуре 1200 °С ВДУ-1 имеет σ₁₀₀ = 75 МПа, а σ₁₀₀ = 65 МПа.

Материалы с одномерными или одномерными и нуль-мерными наполните­лями называют волокнистыми композиционными материалами. Упрочнителями в них могут быть проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Та, высокопрочная сталь), волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких со­единений (С, В, SiC, А1₂0₃, борсик - волокна бора с выращенными на них в целях улучшения сцепления с матрицей кристаллами карбида кремния и др.). В качест­ве матричных материалов могут выступать полимеры (эпоксидные, фенолфор-мальдегидные, полиамидные и др. смолы), керамические и углеродистые мате­риалы, металлы (Al, Mg, Ti, Ni и др.). Например, материалы с алюминиевой мат­рицей армируют стальной проволокой (материалы КАС), борным волокном (ма­териалы ВКА), углеродным волокном (материалы ВКУ).

При растяжении композиционного материала вдоль направления армирова­ния нагрузку в основном воспринимают волокна, матрица же служит средой для передачи усилия. Чем больше соотношение E\E_M (Е_ъ- модуль упругости волокна, Е_м - модуль упругости материала матрицы), и чем выше объемное содержание волокон, тем большая доля нагрузки приходится на волокна.

Временное сопротивление композиционного материала, в общем, тем выше, чем больше в нем упрочняющего компонента. Однако, при очень малых (< 5 %) и очень больших (> 80 %) содержаниях волокна наблюдается обратная зависи­мость.

Вопросы для контроля

1. Какой материал называют композиционным?

2. Какие композиционные материалы называют дисперсно-упрочненными?

3. Как зависит прочность дисперсно-упрочненных композиционных материалов от содержания наполнителя?

4. Каким методом получают дисперсно-упрочненные композиционные материалы?

5. Как влияет увеличение объемного содержания волокнистого наполнителя на прочность композиционного материала?

6. Что такое борсик?

7. К каким материалам относится САП-1?

ЛИТЕРАТУРА

1. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. – 557 с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металловедение, 1994, 4-ое издание.

3. Самохоцкий А.И. и др. Металловедение. – М: Металлургия, 1990. – 416 с.

4. Солнцев Ю.П., Вологжанина С.А. Материаловедение – М.: Академия, 2008. – 493 с.

5. Соломенцев Ю.А. Материаловедение – М.: Высшая школа, 2005. – 456 с.

6. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов. – М: Высшая школа, 2000. – 638 с.