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

Подождите немного. Документ загружается.

тепло

ни

не

р т

пе

те

Те

и температуры

120— а

кр

вы температуру 300 °С. Самовспенивающимися

матер

пе

вы низким

водоп

ко

п.

де

пе

тр изделий. Пенопласт, являясь легким

заполнителем, повышает удельную прочность, жесткость и

вибростойкос пользуется в

авиастроении

транспорте

и т. д. М ы

пр

ст в

вк

ат

ПП

фо

водоп

ко

скл х

слу

свя .

Сот

пан

нес

же

сот

электроизоляционные

471

изоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности

зкий — от 0,003 до 0,007 Вт/(м·К). Прочность пенопластов

высока и зависит от плотности материала.

Наиболее аспространенными термоплас ичными

нопластами являются пенополистирол (ПС) и

нополивинилхлорид (ПВХ), которые могут использоваться при

мпературах ±60 °C, пенополистирол радиопрозрачен.

рмореактивные на основе фе-нолоформальдегидной смолы (ФФ)

фенолокаучуковые (ФК) пенопласты работают до

160 °С. Введением в их состав люминиевой пудры (ФК-20-

-20) удается повысить рабочую температуру пенопласта до 200—

0 °С. Термостоек

и термостабилен пенопласт К-40 на

емнийорганическом связующем, который кратковременно

держивает

иалами являются пенополиуретан (ППУ) и

нополиэпоксиды (ПЭ), отличающиеся химической стойкостью,

сокими электроизоляционными свойствами,

оглощением.

Пенопласты применяют для теплоизоляции кабин,

нтейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и т.

Пенополиуретаны и пенополиэпоксиды используют для заливки

талей электронной аппаратуры. Широкое применение

нопласты получили в строительстве и при производстве

удноза-топляемых

ть силовых элементов конструкций. Он ис

, судостроении, на железнодорожном

ягкие и эластичные пенопласт (типа поролона)

именяют для амортизаторов, мягких сидений, губок.

Физико-механические свойства пенопластов приведены в табл.

48.

Поропласты (губчатые материалы) с открытопористой

руктурой, вследствие чего присутствующие них газообразные

лючения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей

мосферой. Их кажущаяся плотность изменяется от 25—60 до

0— 500 кг/м

. Поропласты выпускаются эластичными, например

У-Э (на основе сложного полиэфира). На основе поливинил-

рмалей выпускается поропласт ТПВФ, обладающий

оглощением 400—700 % за 2 ч.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов,

торым придается вначале вид гофра, а затем листы гофра

еивают в виде пчелины сот. Материалом для сотопластов

жат различные ткани, которые пропитываются различным

зующим (фенолоформальдегидным, полиимидным и др.)

оп

ласты используют как легкие заполнители в трехслойных

елях, состоящих из слоев сотопласта и приклееной к ним

ущей

обшивки. Такая конструкция обеспечивает высокую

сткость и предохраняет от потери устойчивости. Для

опластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные,

свойства и радиопрозрачность.

Сотопласты применяют в виде заполнителей многослойных

панелей в авиа- и судостроении для несущих конструкций; при

создании наружной теплозащиты и теплоизоляции космических

кораблей; в антенных обтекателях самолетов и др. Сотопласты из

полиэтилентерефталатной пленки находят применение для

теплоизоляции сосудов в криогенной технике.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

ПЛАСТМАСС

Целесообразность применения пластмасс в

конструкциях машин часто диктуется техническими

соображениями, но при этом весьма сушественную роль играет

экономичность решения. Иногда эффективность применения

пластмасс не поддается денежной оценке (например, при

улучшении условий труда, экономии остродефицитного

материала, энергии и др.).

Применение пластмасс значительно сокращает

капиталовложения, так как уменьшается трудоемкость проектных

работ и потребность в оборудовании. Экономичность применения

пластмасс в производстве выражается в снижении себестоимости,

массы и уменьшении затрат на материал (материалоемкости),

уменьшении трудоемкости изготовления деталей из пластмасс

по сравнению с металлическими (уменьшение величины зарплаты

на единицу изделия); сокращения производственного цикла и

сроков проектирования и освоения новых конструкций.

Экономичность применения пластмасс в эксплуатации

выражается в снижении массы конструкции, уменьшении

эксплуатационных затрат (на смазывание, ремонт и т. д.),

повышении эксплуатационной надежности машин, расширении

технических возможностей работы конструкции и повышении ее

технико-экономических параметров (грузоподъемности, КПД,

срока службы и т. д.).

Снижение материалоемкости конструкции и связанная с этим

экономия металлов являются важнейшей народнохозяйственной

задачей.

Пластмассовые детали снижают материалоемкость в связи

с малой массой и значительно более высоким коэффициентом

полезного использования материала (в среднем K

исп

= 0,9÷0,95; при

прессовании 0,9; при литье и выдавливании 0,95). Затраты на

материал составляют 40—75 % всех затрат на изготовление

машин, поэтому экономия материала — один из важнейших

резервов снижения себестоимости машин. Иногда вследствие

высокой стоимости некоторых пластмасс снижение массы

материала на конструкцию не приводит к уменьшению затрат

на материал, но при этом необходимо учитывать и другие выгоды.

При использовании металлических деталей требуется три вида

обработки (литье, термообработка, механическая обработка) с

большим числом операций (до 30—50), а пластмассовых деталей

— только один вид обработки — формообразование детали

методом пластической деформации.

473

Таким образом, замена металлических деталей

пластмассовыми весьма эффективна. При этом уменьшается масс

конструкции в 4—5 раз; снижается трудоемкость изготовления

деталей примерно в 4—5 раз; число операций и их трудоемкость

уменьшается в 5—6 раз, ч о сокращает длительность

производственного цикла и высвобождает об

оротные средства.

Капиталовложения (затраты на здания, оборудование, инвентарь)

также у

снижает

Детал только е де х

и з

а.

в,

и.

е.

го

меньшаются в 4—6 раз. Себестоимость продукции

ся в 2—3 раза.

и из пластмасс не дешевл талей из цветны

металлов в 4—9 раз, но в отдельных случаях (л тьевые) в 2—6 ра

дешевле деталей из черных металлов.

В конструкциях летательных аппаратов, двигателей и

приборов пластмассы другие неметаллические материалы

находят все большее применение, в среднем они составляют 7—25

% массы дозвуковых транспортных самолетов и до 20—50 %

массы ракеты (без топлива) [

В сельскохозяйственном машиностроении замена металлоке

рамических деталей на детали из сополимеров этилена позволяе

увеличить срок службы подшипниковых втулок культиваторо

в 2,4—3 раза. В цементном производстве футеровка сополимерами

взамен стальных листов увеличивает срок службы бункеров

лотков, желобов в несколько раз.

Экономический эффект достигается на горно-обогатительны

предприятиях, заводах черной и цветной металлургии (1 т листа и

полиэтилена низкого давления или сополимеров этилен

а позволяе

экономить 16—20 т легированной стали и т. д.) [9].

Ориентировочно цена типовых термопластов составляет о

0,34—1,05 до 21 руб. за 1 кг, наиболее дорогими являютс

фторопласты, поликарбонат и пентапласт (5,5—59 руб и более за 1

кг). Цена термореактивных пластмасс колеблется от 0,25 до 1

руб. за 1 кг.

Из пленочных материалов наиболее дешевые полиэтиленовые

и поливинилхлоридные (0,02—0,5 руб. за 1 м

), более дороги

фторопластовые, поликарбонатовые (12—15 руб.) и самые дороги

ленки полиимидные (265—385 руб. за 1 кг) [3].

Вопросы для самопроверки

Дайте определение пластмасс. Назовите их состав и общие свойств

Как классифицируют пластмассы по связующему и наполнителю?

2. Назовите основные термопластичные пластмассы, их соста

разновидности, свойства и применение.

3. Назовите термореактивные пластмассы с органическими наполнителям

Каковы их свойства?

4. Что такое стеклопластики? Назовите их состав, свойства и применени

Как влияет вид наполнителя и связующего вещества на физико-механически

свойства стеклопластиков?

5. Какие пластики являются термостойкими, каковы их разновидност

и свойства?

6. Назовите свойства органического стекла и способы повышения е

качества.

474

7. зыв нап и аков

ра

на ч

ис

Из

эп

ма

си

св

сл

ор

ка

(п ж

ко

со

X бороволокниты

волокна, нити, ленты, пропитанные

связу

п м е

ва

со

св

ук

Что на ается газо олненным пластмассами? К ы их

зновидности, свойства и применение в технике.

8. Приведите примеры эффективности применения пластмасс.

ЛАВАXXVIII КОМПОЗИЦИОННЫНЕ МАТЕРИАЛЫ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ

О1. БЩИЕ СВЕДЕНИЯ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

шли ен ве

широкое примен ие. В качест неметалли еских матриц

пользуют полимерные, углеродные и керамические материалы.

полимерных матриц наибольшее распространение получили

оксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные

трицы коксованные или пироуглеродные получают из

нтет

ических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица

язывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями

ужат волокна: стеклянные, углеродные, борные

ганические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов,

рбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические

роволоки), обладающие высокой прочностью и есткостью.

Св иойства композ ционных материалов зависят от состава

мпонентов, их сочетания, количественного соотношения и

рочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть

виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах

оставляет 60—80 об. %, в неориентированных (с дискретными

олокнами и нитевидными кристаллами)—20—30 об. %. Чем

ыше прочность и модуль упругости волокон, тем выше

рочность и жесткость композиционного материала. Свойства

атрицы

определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и

противление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы

лассифицируют на стекловолокниты (они рассмотрены в гл.

XVII), карбоволокниты с углеродными волокнами,

орга-новолокниты.

В слоистых материалах

ющим, укладываются параллельно друг другу в плоскости

клад ои в Ски. Плоскостные сл собираются пластины. войства

олучаются анизотропными. Для работы атериала в изд лии

жно учитывать направление действующих нагрузок. Можно

здавать материалы

как с изотропными, так и с анизотропными

ойствами. Можно укладывать волокна под разными углами,

арьируя

свойства композиционных материалов. От порядка

лад

ки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные

есткости материала.

475

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более

нитей (рис. 222). Наибольшее применение имеет структура из трех

взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут

располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные атериалы могут быть любой толщины в виде

блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на

отр ыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система

из

ниты (углепласты) представляют собой

композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы

упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С—С углеродных волокон позволяет им

сохранять прочность при очень высоких температурах (в ней-

476

четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по

диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет

повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако

создание четырехнаправленных

материалов сложнее, чем трех-

направленных. Зависимость механических свойств

композиционных материалов от схемы армирования приведена на

рис. 223.

2. КАРБОВОЛОКНИТЫ

Карбоволок

) и

тральной и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких

температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют

защит

во

по

ув о

со

пр

чт

ра

ка

(к

(п

уг лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном

нитевидным гут длительно работать при

температуре

Карбоволо -

ли

тем книты

КМУ

пр

им

сопротивлением усталости (рис. 224), сохраняют это свойство при

нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность

волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего

трения). Они водо- и химически стойкие. После

ными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных

локон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая

верхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом

еличивается степень активирования углеродных волокон п

держ к н ланию карбо сильной группы а их поверхности. Межс ойная

очность

при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6—2,5 раза

рименяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO

, A1N и Si

о дает увеличение меж-слойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8

за. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные

рбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу

оксованные карбоволокниты); пиролитический углерод

ироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный

леродной

и кристаллами, мо

до 200 °С.

книты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани

ноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при

пературе до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволо

-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно

именять при температуре до 300 °С.

боволокниты отличаются высоким статическим и динамическКар

воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ

изг

и Ε почти

не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5—2 раза выше, чем

теплопроводность стеклопластиков . Они имеют следующие

электрические свойства: ρ

= 0,0024÷0,0034 Ом·см (вдоль

волокон); ε = 10 и tg δ = 0,01 (при частоте тока 10

Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными

стеклянные волокна, что удешевляет материал. Зависимость

механических свойств модифицированного карбоволокнита от

содержания углеродных волокон показана на рис. 225.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные

материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов,

подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной

атмосфере. При температуре 800—1500 °С образуются

карбонизированные, при 2500—3000 °С графитированные

карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов

упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в

печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан).

При определенном режиме (температуре 1100 °

С и остаточном

давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся

пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя,

связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет

высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В

связи с этим композиционный материал обладает высокими

механическими и абляционными свойствами, стойкостью к

термическому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по

значениям прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит

специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и

вакууме он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе

окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия.

Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной

матрицей по другому высок (0,35—0,45), а износ

мал (0,7—1 мкм

на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и

автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные

винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления,

спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные

карбоволокниты применяют для изготовления деталей

авиационной техники, аппаратуры для химической

промышленности, в рентгеновском оборудовании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные

типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков

авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены

в табл. 49.

479

с м

м ь

б н

о е

б я

м е.

Б й

р т

в е

в р .

о й

б и

эл

БОРОВОЛОКНИТЫ

Бороволокниты представляют собой композиции из

олимерного связующего и упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии

двиг че рд тье и срезе, низкой ползу стью, высокими тве ос ю и модуле

пругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая

икроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочност

ри сдвиге на границе раздела с матрицей.

П о б к яюомимо непрерывн го орного воло на примен т комплексны

оростеклониты, в которых несколько параллельных борных волоко

плетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применени

оростеклонитей облегчает технологический процесс изготовлени

атериала.

В качестве матриц для получения бороволокнитов использую

одифицированные эпоксидные и полиимидные связующи

ороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительно

аботы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требую

ысокого давления при переработке и могут работать при температур

е свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Влияние на механические свойства бороволокнита содержани

олокна приведено на ис. 226, а влияние различных матриц — на рис

27.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости

ни стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителе

горючесмазочных материалов.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то

ороволокниты обладают повышенной теплопроводностью

ектропроводимостью: λ = 43 кДж/(м·К); α = 4·10

-6

-1

(вдол

олокон); ρ

= 1,94·10

Ом·см; ε = 12,6÷20,5 (при частоте тока 10

ц); tg δ = 0,02÷0,051 (при частоте тока 10

Гц). Для боро-