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

Подождите немного. Документ загружается.

причем большое влияние оказывает вид клея и характер

напряженного состояния. Коэффициент Пуассона клея µ = 0,3;

модуль сдвига G = 0,38 Е; модуль упругости E = 2000÷4000

МПа; удлинение отвержденной пленки около 3,5 %.

Теплостойкость клеев различна. Фенолокаучуковые и

эпоксидные клеи работают длительно (до 30 000 ч) при

температуре 150 °С и выше. Полиароматические и

элементоорганические клеи выдерживают температуру 200—400 °С

в течение 2000 ч; карборансодержа-щие клеи — до 600 °С в

течение сотен часов.

Клеящие материалы со временем «стареют». В условиях

эксплуатации и при хранении склеенных изделий наступает

охрупчи-вание клея, которое протекает тем быстрее, чем выше

температура (рис. 232). Увеличение жесткости клея вызывает

возрастание концентрации напряжений, вследствие чего прочность

падает. Наиболее высокой термостабильностью обладают

полиимидные и полибензимидазольные клеи. Некоторые клеи при

действии переменных температур теряют

8—20 % прочности.

Выносливость — число циклов до разрушения клеевого шва —

зависит от вида клея. В среднем при несимметричном цикле

нагружения число циклов до разрушения составляет 10

—10

Стойкость клеевых соединений к длительному действию

нагрузок может быть повышена при армировании клея

волокнистыми наполнителями (рис. 233).

Физико-механические свойства конструкционных смоляных

клеев даны в табл. 51.

5. ГЕРМЕТИКИ

Герметики применяют для уплотнения и герметизации

клепаных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков

и баков, различных металлических конструкций, приборов,

агрегатов.

Тиоколовые герметики получают на основе полисульфидного

каучука. Сера, входящая в состав основной молекулярной цепи,

сообщает пленке высокую газо- и паронепроницаемость. У них

высокая адгезия к металлам, древесине, бетону. Они стойки

к топливу и маслам.

Промышленностью выпускаются тиоколовые герметики У-ЗОМ

и УТ-31. Срок службы герметиков 25 лет. Их применяют в

авиационной и автомобильной промышленности, в судостроении,

для строительной техники.

Анаэробные герметики получают на основе полиакрилатов.

Эти герметики выпускаются под названиями анатерм и унигерм,

за рубежом они называются локтайдами. При отверждении они

не дают усадки и не требуют больших давлений. Пленка герметиков

стойка к вибрации и ударам, они могут работать в агрессивных

средах и при высоких давлениях, длительно при температуре от

—200 до 200 °С, кратковременно до температуры 300 °С. Проч-

502

ность соединения при сдвиге в случае использования анатерма

составляет 6—17,5 МПа.

Анаэробные герметики применяют для герметизации

микродефектов в сварных соединениях, отливках, штампованных

деталях, для контровки болтов, резьбовых соединений,

герметизации трубопроводов и др.

Недостатком этих герметиков является высокая стоимость.

Кремнийорганические герметики отличаются повышенной

теплостойкостью. Представителями их являются виксинт и

эластосил. Виксинт применяется для поверхностной герметизации

металлических соединений, электро-, радиоаппаратуры, для

внутришовных клепаных и сварных соединений; может работать

при температуре от —60 до 250 °С; стоек в различных

климатических условиях; выдерживает вибрацию и удары.

Эластосил применяется для герметизации металлов,

органических и силикатных стекол, керамики, бетона; водо-, тепло-,

атмосферостоек при температуре от —60 до 200 °С, является

диэлектриком.

Эпоксидные герметики могут быть холодного и горячего

отверждения; работают в условиях тропической влажности, при

вибрационных и ударных нагрузках; применяются для

герметизации металлических и стеклопластиковых изделий.

Герметик УП-5-197С применяется в судовых конструкциях, УП-6-

103 в шахтной аппаратуре, УП-5-105-2 в электрорадиотехнических

изделиях, УП-5-122АТ стоек к топливу и маслам. Герметики

холодного отверждения

могут работать длительно при температуре

от —60 до 75 °С, горячего отверждения при температуре от —60 до

140 °С.

503

Фторкаучуковые герметики тепло-, масло-, топливостойки,

работают в агрессивных средах. Основой их служат низко- и

среднемолекулярные каучуки (Ф-4Д, СКФ-26 и др.), у них

исключительно высокие герметизирующие свойства, кислото- и

паростойкость. Длительно они могут работать при температуре 250

°С, а 100—200 ч при температуре 300 °С; негорючи; применяются

марки СКФ-260НМ, СКФ-260НМ-2 и

др. Недостатками этих

герметиков являются неудовлетворительная морозостойкость (—22

°С), хотя они не растрескиваются при температуре до —60 °С,

кроме того, они нестойки к большинству тормозных жидкостей;

недостаточно пластичны, имеют высокую стоимость. Основное

применение фторкаучуковые герметики находят в автомобильной и

авиационной промышленности.

Из полиуретановых герметиков применяют вилад-13-2М, из

полиэфирных — ПН-33, герметик холодного отверждения,

используемый для герметизации металлических отливок. Свойства

герметика: σ

= 10÷15, σ

изг

= 15÷21 МПа, а = 5÷10 кДж/м

Физико-механические свойства герметиков приведены в

табл 52.

Вопросы для самопроверки

1. Укажите достоинства и недостатки клеевых соединений.

2. Как классифицируются клеящие материалы?

3. Назовите смоляные клеи для склейки металлов, их разновидности и

свойства.

4. Какие знаете теплостойкие клеи, каковы их свойства?

5. Каково назначение герметиков и требования, предъявляемые к ним?

6. Назовите основные виды герметиков, их состав, свойства и применение.

ГЛАВАXXXI. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неорганическим полимерным материалам относятся

минеральное стекло, ситаллы, керамика и др. Этим материалам

присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая

стойкость, неподверженность старению, большая твердость,

хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они

обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену

температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим

усилиями имеют большую плотность по сравнению с

органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным

образом оксиды и бескислородные соединения металлов.

Поскольку большинство неорганических материалов содержит

различные соединения кремния с другими элементами, эти

материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее

время применяют не только соединения кремния, но и чистые

оксиды алюминия,

504

магния, циркония и другие, обладающие более ценными

техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

В группу неорганических полимеров входит также графит.

Неметаллические материалы подразделяют на графит,

неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы — ситаллы

и керамику.

1. ГРАФИТ

Графит является одной из аллотропических

разновидностей углерода. Это полимерный материал

кристаллического пластинчатого строения. Он образован

параллельными слоями гексагональных сеток (плоскостей) (рис. 234).

В узлах каждой ячейки располагаются атомы углерода. Межатомное

расстояние равно 0,143 нм. Между атомами действуют силы прочной

ковалент-ной связи. Отдельные плоскости расположены на

расстоянии 0,335 нм и связаны между собой ван

-дер-ваальсовыми

силами. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними

плоскостями обусловливают анизотропию всех свойств кристаллов

графита во взаимно перпендикулярных направлениях. Между

отдельными пластинками в решетке графита имеются свободные

электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность,

ме

су ой

зна ие

уг

10 МПа).

Графит встречается в природе, а также получается искусственным

путем. Качества природного

много примесей, порист, свойства

по т

т е

таллический блеск.

Графит не плавится при атмосферном давлении, а при 3700 °

блимирует (испаряется), минуя стадию плавления, с затрат

чительной тепловой энергии на этот процесс (жидкое состоян

лерода может быть достигнуто лишь при 4000 °С и давлении выше

графита невысоки, он содержит

чти изотропны. Поэ ому его

применяют лишь как

антифрикционный материал и в

электротех ике.

Искусственные виды графита:

технический и пиролитический (пи-

рографит). Эти виды графита

обладают совершенной

кристаллической структурой,

вы в

сокой анизотропией свойст и

являются

высоко емп ратурными

конструкционными материалами.

В ачестве исходных

материалов при производстве

технического графита применяют

твердое сырье — нефтяной кокс и

енно-

кам

угол

проц

граф

при

аниз

пред леводородов (метана), который

осаж 0 °C поверхностях формы из

техн лученный пиро-графит можно

отде аль или наносить его в виде

покр защиты их от действия

высо

характеризуется степенью

аниз

Д еского графита применяется

рекр я о нием до 50 МПа и температуре

свыш п отность и прочность графита.

Обра цированный графит, который

можн атурах и эрозии.

Ф искусственного графита.

Свой исходного сырья, технологии

полу те ции кристаллов и др.

Г спайности. Твердость его

небо а составляет 200— 1200 кг/м

конс

ирографита

506

ьный пек в качестве связующего вещества. Заготовки формуются в

ессе прессования или протяжки (выдавливания). Процесс

итизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных

1200 °С) до 3000 °С. Технический графит имеет степень

отропии физико-механических свойств 3:1.

иролитический графит получаетс

ставляет собой продукт пиролиза уг

дается на нагретых до 1000—250

ического графита или керамики. По

лить от подложки и получить дет

ытия на различные материалы с целью

ких

я из газообразного сырья. Он

температур. Пирографит

отропии, равной 100 (и более) : 1.

ля повышения качества технич

исталлизаци при бжатии под давле

е 2500 °G, этим овышаются пл

ботка парами кремния дает сили

о использовать при высоких темпер

изико-механические свойства

ств графи ят ота та завис природы

чения, плотности, с пени ориента

рафит легко расщепляется по плоскости

льшая. Плотность пористого графит

трукционного — 1500—1850 кг/м

, п

1950—2200 кг/м

. (Теоретическая

плотность графита 2265 кг/м

. Коэффициент

линейного расширения а низкий и с повышением температуры

растет незначительно. Графит устойчив к воздействию тепловых

ударов. Сочетание особых свойств графита делает его

перспективным материалом высокой жаропрочности и

теплозащитным материалом

, работающим по принципу абляции.

В условиях применения графита при высоких температурах,

когда теплоотдача излучением является решающим фактором

теплообмена, большое значение имеет степень черноты

поверхности материала. Степень черноты графитовых материалов

составляет 0,7—0,9, она возрастает при нагреве и шероховатости

поверхности .

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами

(f = 0,28), поэтому он применяется в качестве антифрикционных

материалов, основным преимуществом которых является

способность работать без смазывания в условиях высоких или

низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т. п.

Недостатком графита является склонность его к окислению,

начиная с температур 400—800 °C, с выделением газообразных

продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением

легирующих добавок (Nb, Та, Si), которые делают структуру графита

мелкозернистой, повышают его твердость и прочность, или

нанесением защитных покрытий. Применяют силицирование гра-

507

Пористость может составлять 80 % и

более.

Промышленностью выпускаются

следующие марки графита: ПРОГ

на основе нефтяного кокса, ПГ-50-

пористый и пирографит. Свойства

этих графитов приведены в табл. 53.

Графит является очень хрупким

материалом. Его прочность при

сжатии выше, чем при изгибе и

растяжении. Для графита характерно

увеличение прочности и модуля

упругости при нагреве. До

температуры 2200— 2400 °С

прочность технического графита

повышается на 40—60 % и лишь при

дальнейшем нагреве прочность

теряется (рис. 235). При температуре выше 1700 °С проявляется

ет

ползучесть, которая име небольшую скорость при 2300—2900 °С и

напряжении 30—10 МПа. Удельная прочность графита сохраняется

высокой при нагреве (σ/ρ для пирографита = 11 км). Графит хорошо

проводит теплоту. В плоскости зерен пирографит имеет коэффициент

теплопроводности λ = 372 Вт/(

м·К), а в перпендикулярном

направлении λ = 1,16÷3,5 Вт/(м·К). Поэтому его можно использовать

и как проводник теплоты, и как теплоизолятор

фита путем обработки его поверхности парами кремнезема (при

этом на поверхности графита образу

обладающий высокой твердостью и

покрытия из керамики (чаще всего нанос

греваемых конструкциях

, в энергетических ядерных

чением захвата нейтронов

скорость), в качестве

виде углеграфитовых

едует рассматривать как

сложный расплав высокой

ов.

разновидностью аморфного

стекла из расплавленного

ное в процессе быстрого

по назначению.

508

ется карбид кремния,

прочностью) или нанесением

ится Аl

Графит применяют в высокона

летательных аппаратов и их двигателей

реакторах (графит обладает малым се

и способностью замедлять их

антифрикционного материала и в

волокнистых изделий.

2. НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛ

Неорганическое стекло сл

особого вида затвердевший раствор —

вязкости кислотных и основных оксид

Стеклообразное состояние является

состояния вещества. При переходе

жидкого состояния в твердое аморф

охлаждения и нарастания вязкости беспорядочная структура,

свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается». В

связи с этим неорганические стекла характеризуются

неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой

неправильную пространственную сетку, образованную

кремнекислород-ными тетраэдрами [SiO

]

. При частичном

изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например на

алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного

[Si

AlO]

или боросили-катного [Si

]

стекла. Иолы щелочных

(Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ba) металлов называются

модификаторами; в структурно сетке стекла они располагаются

в промежутках тетраэдрических группировок. Введение Na

O или

других модификаторов разрывает прочные связи Si—О—Si и

снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла,

одновременно облегчая технологию его прои водства.

Большинство стекол имеет рыхлую структуру с

внутренней

неоднородностью и поверхностными дефектами.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие

оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие

структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия,

лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические

свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды

алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые

сам н у а , остоятельно е образуют стр ктурный к ркас

но могут

частично замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать

стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим

промышленные стекла являются сложными многокомпонентными

системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по

стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и

В зависимости от химической пр род

еклообразующего ве

и ы

ст щества стекла

подразделяют на силикатные (SiO

алюмосиликатные (А1

—SiO

боросиликатные (В

О —SiO ),

алюмобороси

ал

ст оксиды Na

O, K

O),

бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют

на технические (оптические, светотехнические, электротехнические,

химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные,

витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара;

посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к

алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих

оксидов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых

изделий, заготовок или отдельных деталей.

Общие свойства стекла. При нагреве стекло плавится в некотором

температурном интервале, который зависит от состава. На рис. 236

показана температура стеклования t

(динамическая вязкость η = 10

Па·с), ниже которой стекло приобретает хрупкость. Для промышленных

силикатных стекол температура стеклования t

= 425÷600 °С,

температура размягчения t

лежит в пределах 600—800 °С (η = 10

Па·с). В интервале температур между t

и t

стекла находятся в

высоковязком пластическом состоянии. При температуре выше t

(1000—1100 °С) проводятся все технологические процессы переработки

стекломассы в изделия. Свойства стекла, как и всех аморфных тел,

изотропны. Плотность стекла колеблется от 2200 до 6500 кг/м

(для

стекла с оксидами свинца или бария она может достигать 8000

кг/м

Механические свойства стекла характеризуются высоким

сопротивлением сжатию (500—2000 МПа), низким пределом

прочности при растяжении (30—90 МПа) и изгибе (50—150 МПа).

Модуль упругости высокий (45—100 МПа), коэффициент Пуассона µ =

0,184÷0,26. Твердость стекла, как и других неорганических

материалов, часто определяется приближенным методом царапания по

минералогической шкале Мооса и равна 5—7 единицам (за 10

единиц принята

твердость алмаза, за единицу — талька). Ударная

вязкость стекла низкая (1,5—2,5 кДж/м

), оно хрупкое. Более высокие

механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и

кварц

509

2 3 2

ликатные (А1

—В

—SiO

юмофосфатные (А1

—Р

) и др. По содержанию модификаторов

екла бывают щелочными (содержащими

евые.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их

оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние,

поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое

стекло пропускает до 90 %, отражает примерно 8 % и поглощает

около 1 % видимого и частично инфракрасного света;

ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью.

Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового

излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47—1,96,

коэффициент рассеяния (дисперсии

) находится в интервале 20—71.

Стекло с большим содержанием PbO поглощает рентгеновское

излучение.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в

условиях разных изменений температуры. Она определяется

разностью температур, которую стекло может выдержать без

разрушения при его резком охлаждении в воде (t = 0°C).

Термостойкость стекла вычисляют по формуле Г. М.

Бартенева:

где ∆Τ — разность температур, °С; К — коэффициент (при

охлаждении всего изделия К = 1); σ

изг

— предел прочности при

изгибе; µ — коэффициент Пуассона; α — температурный

коэффициент линейного расширения; Ε — модуль упругости.

Коэффициент линейного расширения (а) стекла составляет от

5,6·10

-7

-1

(кварцевое) до 90·10

-7

-1

(строительное), коэффициент

теплопроводности — 0,7—15Вт/(м·К). Для большинства видов

стекол термостойкость колеблется от 90 до 170 °С, а для кварцевого

стекла она составляет 800—1000 °С Химическая стойкость стекол

зависит от образующих их компонентов: оксиды SiO

, ZrO

, TiO

, А1

, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую

стойкость, а оксиды Li

O, Na

O, К

О, ВаО и PbO, наоборот,

способствуют химической коррозии стекла. Механическая

прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем

закалки и термического упрочнения.

Закалка заключается в нагреве стекла до температуры выше

и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке

воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим

нагрузкам увеличивается в 3—6 раз, ударная вязкость в 5—7

раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении

структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается

закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в

результате чего на поверхности материала образуются полимерные

пленки;

ЭТИМ создается дополнительное, по сравнению с

результатом обычной закалки, упрочнение. Повышение прочности и

термостойкости можно получить травлением закаленного стекла

плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные

дефекты, снижающие его качество.

510