Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

бензимидазольные циклы. Большинство полимеров бесцветные, однако

полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют

(

о ч

461

емный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное

троение, быть термопластичными и термореактивными. Сшитая

труктура получается при введении сшивающих агентов.

Полибензимидазолы обладают высокой термостойкостью

температура разложения на воздухе 300—600 °С); хорошими

рочностными показателями; высокими диэлектрическими свойствами.

олокна огнестойки и термостойки. Композиции на основе поли-

ензимидазолов могут использоваться в качестве абляционных

ермозащитных материалов. Антифрикционные материалы —АСП-

ластики обладают термостойкостью и самосмазывающимися

войствами.

Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей

ля специальных костюмов; из АСП-пластиков изготовляют

одшипники, шестерни. Полибензимидазолы могут использоваться

качестве связующих для армированных пластиков.

Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц

связующего) применяют различные термопласты. В качестве

рмирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно,

сбест, органические волокна и ткани. Волокнистые наполнители

бра к розуют в полимере ак бы несущий каркас и этим уп няют

атериал.

В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат,

аполненные мелкорубленым стекловолокном. По сравнению с

енаполненными полимерами стекловолокниты обладают

овышенными прочностью (σ

= 90÷149 МПа; σ

изг

= 110÷

140 МПа;

изг

σ = 150÷ 220 МПа)

и теплостойкостью,

сопротивлением усталости и

износостойкостью, небольшой

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

180 °С.

Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон

(пропиленовое волокно, капрон, вс , винол) являются

ла ан

400 = 280

3. ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

В качестве 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.

В производстве пластмасс широко используют фенолоформаль-

дегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, непредель-

462

ерспективными. 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

озрастает 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

механичес ие свойства: σ

= ÷430 МПа, σ ÷300 МПа, σ

Β сж изг

450÷500 МПа; α = 250÷300 кДж/м

и может работать до 220 °С. Из

волокнистых термопластов изготовляют подшипники, зубчатые

передачи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред и др.

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

тер

к , фи

х пластмасс характеризуются

изо ,

й ц

изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и

аночных, сборочных и

контрольных моделей копиров

дру

стве материала тор-

463

мореактивные пластмассы можно подразделить на следующие

группы: порошковые, волокнистые и слоистые.

Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве

наполнителей применяют органические (древесная мука) и

минеральные (молотый варц, асбест слюда, гра т и др.)

порошки.

Свойства порошковы

тропностью невысокой механической прочностью и низкой

ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными

показателями. Их применяют для нес ловых конструкционных и

электроизоляцион ых деталей.

Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость,

химическую стойкость, повышенные электроизоляционные

свойства, усто чивость к тропическому климату. Компози ии на

основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для

формовочных штампов, корпусов ст

приспос облений, литейных , и

гой оснастки. Их применяют для восстановления

изношенных деталей и

отливок.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе

пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолок-

ниты.

Волокниты представляют собой композиции из волокнистого

наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформаль-

дегидным 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, направ яющие втулки,

шкивы, маховики и т. д.).

Асбоволокниты содержат наполнителем асбест. Связующим

служит в основном фенолоформальдегидная смола.

Пре мущеси твом асбоволокнитов является повышенная

теплостойкость (свыше 200 °С), устойчивость к кислым средам и

высокие фрикционные свойства. Асбоволокниты используют в

каче

мозных устройств; из материала фаолита (разновидность асбово

локнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

Стекловолокниты — это композиция, состоящая из

синтетическ й смолы, являющейся связующим,

стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнител

применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочност

стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметр

(вследствие влияния неод-нородностей и трещин, возникающих

толстых сечениях). Для пр кт ческих целе испо ьзуют во окн

диаметром 5—20 мкм с σ

о и

а и й л л о

е н -

ые е рж е

Материал получается

с е

и .

локниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся

с кни рим изг х

и ППМ (на основе стеклянного

м х

ро ма а

а о

ек р п

х условиях, выдерживать большие

и т

влияют на их механические и электрические свойства. Из них

ан иноформальдеги с

ов ен акс

464

= 600÷3800 МПа и ε = 2÷3,5 %.

Свойства стекловолокна зависят также от содержания в ег

составе щелочи; лучшие показатели у бесщ лоч ых стекол алюмо

боросиликатного состава.

Неориентированн ст кловолокниты соде ат в качеств

наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детал

сложной формы, с металлической арматурой.

изотропными прочностными характеристиками, намного боле

высокими, чем у пресс-порошков и даже волокн тов

Представителями такого материала являютс

стеклово

текловоло ты), которые п еняют для отовления силовы

электротехнических

деталей, деталей машиностроения (золотники

уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве

связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК

(пастообразные) и препреги АП

ата). Препреги можно применять для крупногабаритны

изделий п стых форм (кузова авто шин, лодки, корпус

приборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в вид

длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными

прядями и тщательно склеив ющихся связующим. Эт

обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Ст ловолокниты могут работать п и тем ературах от —60

до 200 °С, а также в тропически

нерционные перегрузки. При старении в течение двух ле

коэффициент старения К

= 0,5÷0,7. Ионизирующие излучени

мало

зготовляют детали высокой точности, с арматурой и резьбой.

Слоистые пластмассы. Слоистые пластмассы являютс

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 феноль-

ных, ил дных и карбамидных мол и

различных сорт бумаги. По назнач ию гетин подразделяют

на электротехнический и декоративный. Гетинакс можно

применять при температуре 120—140 °С. Он устойчив к действию

химикатов,

астворителей, пищевых продуктов: используется для внутренней

блицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных

агонов, кают судов, в строительстве.

Текстолит (связующее — термореактивные смолы,

аполнитель — хлопчатобумажные ткани) среди слоистых

ластиков обладае наибольшей способностью поглощать

ибрационные нагру ки, хорошо сопротивляться раскалыванию. В

ви

п т

в з

за

(

п та

465

симости от назначения текстолита делят на конструкционные

ПТК, ПТ, ПТМ), электротехнические, графитированные, гибкие

рокладочные. Текстолит как конструкционный материал

рименяют для зубчатых колес; шестеренные передачи рабо ют

есшумно при частоте вращения

до 30 000 мин

-1

. Текстолитовые

кладыши подшипников служат в 10—15 раз дольше бронзовых.

днако рабочая температура текстолитовых подшипников

евысока (80—90 °С). Они применяются в прокатных станах,

ентробежных насосах, турбинах и др.

Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов

рев фесного шпона, пропитанных феноло- и крезольно- ормаль-

егидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. Дре-

есно-слоистые пластики имеют высокие физико-механические

войства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют

екстолит, а также цветные металлы и сплавы. Шестерни из ДСП

олговечны,

при работе их в паре с металлическими заметно

нижается шум. Подшипники из ДСП не образуют задиров на

рущейся поверхности металлического вала. Недостатком ДСП

вляется чувствительность к влаге (рис. 215). Из ДСП изготовляют

кивы, втулки, ползуны лесопильных рам, корпусы насосов,

одшипники, детали автомобилей и железнодорожных

16 Лахтин

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

щем

крупн ритных

жания

на ля показана на рис. 217. Макро- и микрострук-

466

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 связую (типа

КАСТ) недостаточно вибропрочен, но зато по сравнению с обычным

текстолитом он более теплостоек и имеет более высокие

электроизоляционные свойства. Стеклотекстолиты на основе крем-

нийорганических смол (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют относительно

невысокую механическую прочность, но отличаются высокой

теплостойкостью и морозостойкостью, обладают стойкостью к

окислителям и

д угим 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 изгото

вления огаба

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

= 460÷500 МПа и E ≥35 000 МПа; при соотношении 10 : 1

= 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/м

). Зависимость

предела прочности стеклопластиков от вида и содер

полните

Н вы ое

стек

р й и м

пол

т астмасс даны в табл. 47.

ура стеклопластиков приведена на

ис. 218. С помощью макро-и

икроструктурного анализа можно

ыявлять дефекты структуры: поры,

аковины и трещины.

аличие пор зывает резк

нижение прочности материала.

ефектность значительно влияет на прочность при межслойном

двиге и продольном сжатии (рис. 219). Механические свойства

лопластиков зависят от угла между направлением

астягивающе силы направление армирующих волокон (рис.

20). Усилить материал в различных направлениях можно

оответствующим расположением наполнителя (трубы, цилиндры,

учаемые способом намотки). Физико-механические

свойства

ермореактивных пл

собенностью стеклопластиков является неоднородность

еханических свойств (разброс показателей достигает 7—15 %), обу-

словленных различными факторами: составом, структурой,

технологией.

Степень анизотропии прочности на разрыв в продольном и

поперечном направлениях σ

/σ

и срез τ

/τ

(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 1,5·10

циклов. Динамическое сопротивление усталости стекло-

текстолитов 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/м

; σ = 2100 МПа; E = 70 000 МПа;

1 /ρ

образом, стеклопластики являются конструкционными

а с

a = 300÷5 0 кДж/м

; ε = ,З÷2,4 %; σ = 96 км.

Таким

материал ми, применяемыми для иловых изделий в различных

отраслях техники: несущие детали летательных аппаратов, ку ова

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

и высокие

470

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/м

Замкнуто-ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть