Термореактивные пластмассы (термореактопласты)

Эти материалы изготавливаются на основе термореактивных смол – формальдегидных, аминоальдегидных, эпоксидных, кремнеорганических, полиамидных, полиэфиров, которые являются связующим веществом. Смолы склеивают как отдельные слои наполнителя, так и элементарные волокна, воспринимая нагрузку одновременно с ними. Это полярные материалы, имеющие коэффициент линейного расширения, близкий к наполнителю - порошкам, волокнам и др.

Таблица 1

Материал	Плотность, кг/м3	Рабочая температура, °С	σв, МПа при растяжении	Модуль упругости, МПа	δ,% на разрыв	Ударная вязкость, КДж/м2
min	max
Полиэтален ПЭВД	913–29	-70		10–17	120–260	15–20	Не ломается
Полиэтален ПЭНД	949–53	-70		18–35	650–750	10–12	2–150
Полистирол	1050–080	-20				1,5	16–20
Фторопласт4	215–2240	-269		14–35	470–850	250–500	10–100
Поливинилхлорид		-40		40–120	2600–3000	5–100	75–80
Полиметилакрид		-60		63–100	2900–4160	2,5–20	8–18

Пластмассы с порошковым наполнителем. В качестве наполнителя применяют древесную муку, молотые кварц, асбест, слюду, графит и т.д. Имеют невысокие механические свойства, водостойки, химически стойки, обладают повышенными электроизоляционными показателями, устойчивы к влажному тропическому климату.

Пластмассы на основе резольных и наволочных смол с асбестовым или слюдяным наполнителем. Жаростойки и влагостойки. Маркируются эти пластмассы буквой К – номером связующей смолы, и цифрой, соответствующей наполнителю: целлюлоза – 1, древесная мука – 2, слюдяная мука – 3, плавиковый шпат – 4, молотый кварц – 5, асбест – 6. Например, К220-2-3 резольная смола № 220, древесная (2) и слюдяная (3) мука.

Пресс-порошки делятся на три группы: 1 – для ненагруженных деталей, 2 – для деталей электротехнического назначения, 3 – специального назначения (влаго- и теплостойкие, грибостойкие, повышенной прочности).

Пластмассы с волокнистым наполнителем. В зависимости от наполнителя различают следующие марки пластмасс: хлопковые очесы (волокнит) Вл, асбестовые нити (асбоволокнит) К6, КФ3, стеклянное волокно – стекловолокнит (АГ-4В, АГ-4С). Эти материалы обладают большей, чем порошковые пластмассы, ударной вязкостью и прочностью при растяжении.

Асбоволокниты. Наполнитель – асбест, связующее – формальдегидная смола. Применяют для фрикционных дисков, колодок тормозов.

Стекловолокниты. Наполнитель – стекловолокно, связующее – синтетическая смола. Применяют для деталей любой конфигурации, работающих в диапазоне температур -60 ° до 200 °С. Волокниты применяют также для деталей общего технического назначения: силовые детали (шкивы, моховики, втулки), электроизоляторы.

Слоистые пластмассы (текстолиты). Наполнитель – листы различных материалов, уложенные слоями. Они придают материалу пластичность но формируют анизотропию свойств. Связующим являются различные смолы. Материал выпускают в виде заготовок, труб, листов, из которых делают различные детали.

Текстолит. Наполнитель – хлопчатобумажная ткань, связущее – термореактивные смолы. По назначению подразделяются на конструктивные (ПТК, ПТ, ПТМ), электротехнические (А, БГ, ВЧ), гибкие – прокладочные. Применяются для изготовления зубчатых колес, вкладышей подшипников. Могут заменять бронзу. Рабочая температура не должна превышать 90 °С. Вкладыши подшипников применяют в прокатных станах, турбинах, насосах и т.д.

Асботекстолит. Наполнитель – асбестовая ткань и до 43% связующе смолы. Конструкционный, фрикционный и термоизоляционный материал.

Применяют для изготовления лопаток бензонасосов, фрикционных дисков, тормозных холодок, в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала.

Стеклотекстолит. Наполнитель – стеклянные ткани из органически стекла. Обладает высокой прочностью (σв>500 МПа), по удельной прочности превосходит металлические сплавы, коррозионностоек, теплостоек, имеет высокие диэлектрические свойства. Широко применяется в самолетостроении, электротехнике (обшивка крыльев, закрыли детали оперения и т.д.).

Марки: КАСТ (основа – формальдегидная смола), СТК, СТК-9Ф, СК-9А (основа – кремнийорганические смолы).

ДСП – древесно-слоистая пластмасса. Наполнитель – тонкие листы древесного шпона, пропитанные феноло- и крезольно-формальдегидным смолами и спрессованные в виде листов и плит. Имеет высокие физике механические свойства, низкий коэффициент трения. Заменяет текстолит, цветные сплавы. Применяют для зубчатых колес, работающих без шума, подшипников, втулок, шкивов, деталей лодок, текстильных машин и т.д.

Гетинакс. Наполнитель – бумага, основа – различные смолы. Различаю два вида пластмасс – электротехнические и декоративные. Декоративный вид пластмасс работает при температуре 120–140 °С, устойчив против химического воздействия. Применяется для обшивки вагонов, кабин самолетов, кают, в строительстве.

2.4. Вопросы по теме «Пластические массы»:

1) Из чего состоят пластмассы?

2) Каковы основные недостатки пластмасс?

3) Что такое термопласт?

4) Как ведут себя реактопласты при нагревании?

5) Перечислите основные виды термопластов.

6) Почему реактопласты не подвергают повторной переработке?

3. РЕЗИНЫ

Резина состоит из смеси каучука (основа), наполнителя (сажа, оксид кремния, оксид титана, мел, барит, тальк), мягчителя (ка­нифоль, вазелин), противостарителя (парафин, воск) и агентов вулканизации (сера, оксид цинка).

Главным исходным компонентом резины, придающим ей высо­кие эластические свойства, является каучук. Каучуки бывают на­туральные (НК) и синтетические (СК). Натуральный каучук полу­чают коагуляцией латекса (млечного сока) каучуконосных деревь­ев. Синтетические каучуки (бутадиеновые, бутадиен-стирольные и др.) получают методами полимеризации.

Каучуки являются полимерами с линейной структурой. При вул­канизации они превращаются в высокоэластичные редкосетчатые материалы - резины. Вулканизирующими добавками служат сера и другие вещества. С увеличением содержания вулканизатора (серы) сетчатая структура резины становится более частой и она становится менее эластичной. При мак­симальном насыщении серой (до 30 − 50 %) получают твердую резину (эбонит), при насыщении серой до 10 − 15 % - полутвердую резину. Обычно в резине содер­жится 5 − 8 % S. Для ускорения вулканизации вводят ускорители, например оксид цинка.

Кроме серы в состав резин входят наполнители, пластифика­торы, противостарители и красители. Введение этих компонентов позволяет существенно менять специальные свойства резины, увеличивая ее износо-, морозо-, масло- и бензостойкость. Резиновые изделия часто армируют тка­нью или металлической сеткой. Для улучшения адгезии металли­ческой арматуры к резине на поверхность металла наносят клее­вую пленку.

Резина имеет высокие эластические свойства, высокую упру­гость и сопротивляемость разрыву. Кроме того, она обладает малой плотностью, высокой стойкостью против истирания, хими­ческой стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами.

Совокупность химических, физических и механических свойств позволяет использовать резиновые материалы для амортизации, демпфирования, уплотнения, герметизации, химической защиты деталей машин, различных трубопроводов (шлангов), для изготовления по­крышек и камер колес автотранспорта, и т. д. Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно разнообразна.

В зависимости от условий эксплуатации различают резины общего и специального назначения. Резины общего назначения применяют для изготовления камер и шин, ремней, транспортных лент, рукавов, изоляции кабелей и проводов, производства товаров народного потребления и др. Из резин специального назначения различают бензомаслостойкие, морозостойкие, теплостойкие, стойкие к действию агрессивных сред. Нижней границей рабочей температуры резин специального назначения является температура до −80 °С, резин общего назна­чения − до −35... −50 ºС.

3.1. Вопросы по теме «Резины»:

1) Что называется резиной? Каковы ее состав и назначение отдельных ком­понентов?

2) В чем сущность процесса вулканизации; как изменяются свойства ре­зины после вулканизации?

3) Назовите основные синтетические каучуки, их состав и области приме­нения резин на их основе.

4) Назовите основные физико-механические свойства различных резиновых материалов и их применение.

5) В чем сущность процессов старения резины? Какими способами защищают резину и резиновые детали от старения? Укажите эксплуатационную стойкость резин.

6) Как изменяются свойства резин под действием озона, температуры, ра­диации и вакуума?

4. КЛЕЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Клеями называют сложные вещества на основе полимеров, спо­собные при затвердевании образовывать прочные пленки, хо­рошо прилипающие к различным материалам. По сравнению с другими видами соединений (клепкой, сваркой, механическим креплением) клеевые соединения имеют ряд преимуществ. Клеи позволяют соединять разнородные материалы (металл, керамику, пластмассу, дерево) в различных сочетаниях. Клеевые швы атмосферостойки, не подвержены коррозии, позволяют обеспечивать герметичность соединений. Масса конструкции при клеевой сбор­ке почти не увеличивается, отсутствуют снижающие прочность и являющиеся концентраторами напряжений отверстия под болты, заклепки, гвозди. Во многих случаях клеевое соединение метал­лических и неметаллических материалов является единственно возможным решением, обеспечивающим высокую прочность кон­струкции. Клеи могут выдерживать высокие и низкие температу­ры, сохраняя достаточную прочность соединения.

Недостатки клеевых соединений − сравнительно невысокая теплостойкость при длительной эксплуатации и низкая прочность при несимметричном нагружении и неравномерном отрыве.

Работоспособность клеевых соединений зависит прежде всего от процессов адгезии и когезии. Адгезия характеризует прочность сцепления клеевой пленки со склеиваемой поверхностью, когезия − прочность собственно клеевого слоя.

Для приготовления клеев используют термопластичные или термореактивные полимеры. Клеи на основе термопластичных полимеров дают менее прочные соединения и используются огра­ниченно, обычно для склеивания материалов, не подвергающихся тепловому воздействию (бумаги, картона, тканей). С повышением температуры клеевой слой размягчается и склеенные поверхности разъединяются.

Клеи на основе термореактивных полимеров, со­держащие также отвердители и ускорители процессов отверждения, наполнители и пластификаторы, дают более прочные соединения. Клеи этой группы могут быть холодного и горячего отверждения. Клеи холодного отверждения смешиваются с отвердителями и ус­корителями непосредственно перед процессом склеивания. Клеи горячего отверждения приготавливаются на заводе-изготовителе, поставляются потребителю в готовом виде и могут храниться не­сколько месяцев.

К группе клеев на основе термореактивных смол относятся феноло-формальдегидные клеи. При наличии в их составе ускорителей процесса (например, сульфоконтакта) эти клеи отверждаются даже при комнатной температуре за несколько часов. На базе феноло-формальдегидных смол создана гамма универ­сальных клеев. Из перечисленных групп клеев наибольшую прочность склей­ки до температур 140 − 150 °С обеспечивают фенолоформальдегидноэпоксидные клеи.

Из клеев на основе термореактивных полимеров наиболее ши­рокое применение находят клеи на основе эпоксидных смол. Их применяют для склеивания различных металлов, металлических и неметаллических материалов. Клеи на эпоксидной основе могут работать в широком температурном интервале. Отдельные марки таких клеев выдерживают воздействие температур от −253 до +800... +1000 °С. Клеи на эпоксидной основе длительно сохраня­ют прочность в условиях эксплуатации, обеспечивают вакуумную плотность соединений и стойкость к циклическому температур­ному воздействию. Их существенными преимуществами являют­ся низкая (до 2 %) усадка при отверждении, высокая адгезия к большинству конструкционных материалов и небольшой объем газовыделений в вакууме. Эти свойства позволяют широко ис­пользовать клеи на основе эпоксидных смол при склеивании хо­лодильного и криогенного оборудования.

Широкое распространение получили пленочные клеи на эпок­сидной основе, использование которых позволяет получать не только прочные клеевые соединения, но и дает существенные технологические преимущества. При применении пленочных клеев часто используют армирующие материалы — полиамид­ные, стеклянные и другие синтетические ткани.

Кроме клеев на эпоксидной основе, широко используют кремнийорганические, алюмохромфосфатные клеевые композиции, а также полиуретановые (ПУ-2; ВК-20), резиновые и некоторые другие клеи.

Полиуретановая клеевая пленка газонепроницаемая, масло-, бензо- и водостойкая. Она обладает высокой адгезией и морозо­стойкостью, поэтому полиуретановые клеи используются также в качестве герметиков.

Для склеивания резиновых изделий между собой, а также ме­талла с резиной, применяются резиновые (каучуковые) клеи. Резиновый клей удобен для употребления тем, что он вулка­низируется на холоду и это клеевое соединение обладает удовле­творительной прочностью и мало набухает в масле и бензине.

К числу наиболее распространенных герметиков для металли­ческих изделий относится тиоколовый каучук (тиокол). Он вул­канизируется при комнатной температуре. Вулканизатором в большинстве случаев является пероксид марганца, а активато­ром − дифенилгуанидин. Отвержденная пленка масло-, водо- и бензостойка, выдерживает длительное время при контакте с ки­слородом воздуха и сохраняет высокую прочность при темпера­туре до 130 °С.

Для герметизации отсеков ракет, самолетов и другой техники, работающей при температурах 150 − 250 °С и не соприкасающейся с маслами и топливом, применяются полисилоксаны с отвердителями, обеспечивающими их отверждение при комнатной темпе­ратуре (кремний- и оловоорганические соединения). Существен­ным недостатком этих герметиков является малая адгезия к ме­таллу, даже в случае нанесения специального подслоя.

Для отсеков, работающих при 150 − 250 °С и соприкасающихся с маслом и топливом, применяются фторорганические герметики. Полисилоксановые и фторорганические герметизирующие пленки не разрушаются при длительном воздействии на них ки­слорода и озона; они сохраняют эластичность при низких темпе­ратурах (до −60 °С); имеют высокую водостойкость.

Технологически удобны для использования в качестве герме­тика растворы феноло-формальдегидных смол, совмещенных с нитрильным каучуком, например ВГК-18. Этот герметик не тре­буется вулканизировать: он обладает удовлетворительной адгези­ей к металлическим поверхностям, а герметизирующая пленка сохраняет прочность до 100 °С, обеспечивает достаточную проч­ность и обладает масло- и бензостойкостью.

5. СТЕКЛО

Стекло − это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. В составе стекла могут при­сутствовать оксиды трех типов: стпеклообразующие, модифицирующие и промежуточные. Стеклообразующими являются окси­ды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. К модифици­рующим оксидам, введение которых понижает температуру плав­ления стекла и существенно меняет его свойства, относятся окси­ды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ba) металлов. Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа. Они могут замещать часть стеклообразующих оксидов. Стеклообразующий каркас стекла представляет собой непрерыв­ную пространственную решетку, в узлах которой расположены ионы, атомы или группировки атомов (рис. 10). Химический состав стекла можно изменять в широких пределах. Поэтому и свойства стекла могут быть различными.

По химическому составу в зависимости от природы стеклооб­разующих оксидов различают силикатное, алюмосиликатное, боросиликатное, алюмоборосиликатное и другие виды стекла. В зависимости от содержания модификаторов стекло может быть щелочным и бесщелочным.

По назначению различают строительное (оконное, стеклобло­ки), бытовое (стеклотара, посуда) и техническое (оптическое, электротехническое, химическое и др.) стекло.

Структура и свойства стекла определяются его химическим составом, условиями варки, охлаждения и обработки.

Стекло − термопластичный материал, при нагреве оно посте­пенно размягчается и переходит в жидкость. Плавление происхо­дит в некотором температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стек­лования Тс стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикат­ного стекла Т_с = 425 − 600 °С. Выше температуры плавления стекло становится жидкостью. При этих температурах стекломасса пере­рабатывается в изделия.

Рис. 10. Схема непрерывной структурной сетки стекла:

а − кварцевого; б − натрийсиликатного

Плотность стекла составляет 2,2 − 8,0 г/см³. Стекло высокой плотности содержит значительные количества оксидов свинца и бария.

Стекло − жесткий, твердый, но очень хрупкий материал. Стекло хорошо сопротивляется сжатию (σ_сж = 400 − 600 МПа), но характеризуется низким временным сопротивлением при испы­таниях на растяжение (30 − 90 МПа) и изгиб (50 − 150 МПа). Более прочным является бесщелочное и кварцевое стекло.

Механические свойства стекла повышаются при термической и химической обработке. Термическая закалка стекла состоит в нагреве до температур, близких к точке размягчения, и быстром равномерном охлаждении поверхности в потоке воздуха или в масле. При этом в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, и прочность стекла возрастает в 2 − 4 раза. Для изготовле­ния приборов, работающих при повышенном давлении, применя­ют безосколочное стекло − триплекс.

Триплекс представляет собой комбинированное стекло, со­стоящее из двух и более закаленных слоев, склеенных прозрачной эластичной пленкой. Химическая обработка состоит в травлении поверхностного слоя раствором плавиковой кислоты с уничтоже­нием поверхностных дефектов. Еще больший эффект достигается при комбинированной химико-термической обработке.

Важнейшим свойством стекла является прозрачность в диапа­зоне длин волн видимого света. Обычное листовое стекло пропус­кает до 90 %, а отражает около 8 % и поглощает около 1 % види­мого света. Ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощают­ся оконным стеклом.

Стекло имеет высокую химическую стойкость в агрессивных средах (за исключением плавиковой кислоты и щелочей). Вода постепенно разрушает стекло вследствие образования щелочных растворов. Чем выше температура и концентрация щелочных ок­сидов в стекле, тем сильнее проявляется действие воды. Стекло как технический материал широко используется в разных облас­тях техники и народного хозяйства. Это объясняется благоприят­ным сочетанием физико-химических и механических свойств, возможностью изменять эти свойства в широких пределах в зави­симости от состава стекла и способов термического воздействия, а также способностью стекла легко поддаваться разным способам горячей и холодной обработки.

Кварцевое стекло, состоящее практически из чистого кремне­зема (99 % SiO₂), в зависимости от способа получения бывает двух типов: оптически прозрачное и непрозрачное. Кварцевое стекло отличается от всех известных стекол высокими физико-химичес­кими свойствами: высокой жаростойкостью (1400 °С), низким температурным коэффициентом линейного расширения [(0,5-0,55) ∙ 10^-6 К^-1], высокой термической (выдерживает перепад тем­ператур 800 − 1000 °С) и химической стойкостью, особенно к дейст­вию кислот (кроме плавиковой) и воды. Кварцевое стекло имеет высокие диэлектрические характеристики, прозрачно в видимой, ультрафиолетовой и частично инфракрасной областях. Кварцевое стекло, имеющее особенно высокую термическую и химическую стойкость в сочетании с низким температурным коэффициентом линейного расширения, применяется для изготовления тиглей, термопар, электровакуумных изделий, химически стойкой тары, труб, лабораторной посуды. Для защиты деталей от коррозии при температурах до 500 − 600 ºС в машиностроении применяют стеклоэмали.

Ситаллы(стеклокристаллические материалы) – искусственный ма­териал на основе неорганического стекла, получаемый путем полной или частично управляемой кристаллизации в них.

Термин «ситаллы» образован от слов: «стекло» и «кристаллы». По струк­туре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганического стекла они от­личаются кристаллическим строением, а от керамических материалов – более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой. В состав ситаллов входят:

• оксиды – Li₂0, А1₂О₃, SiO₂, Мg0, СаО и др.;

• нуклеаторы (катализаторы кристаллизации) – соли светочувстви­тельных металлов –Аu, Аg, Сu, являющиеся коллоидными красителями и присутствующие в стекле в виде тонкодисперсных частиц. Нуклеаторы являются дополнительными центрами кристаллизации (рис. 11). Они должны иметь кристаллическую решетку, подобную вьщеляющимся из стекла кристаллическим фазам, и способствовать равномерной крис­таллизации всей массы;

• глушители (плохо растворимые частицы) – фтористые и фосфат­ные соединения, ТiO₂ и др.

Структура ситаллов мелкокристаллическая, однородная, характери­зуется отсутствием пористости. Средний размер кристаллитов в ситаллах 1–2 мкм. Содержание кристаллической фазы – не менее 40–50%. Кристаллиты срастаются между собой или связаны прослойками оста­точного аморфного стекла. Количество стеклофазы не превышает не­скольких процентов. Беспорядочная ориентация кристаллитов приводит к отсутствию в ситаллах анизотропии.

Регулируя режимы термообработки, можно изменять степень крис­таллизации и размеры кристаллов, что отражается на свойствах изде­лия. Свойства ситаллов изотропны и в основном определяются фазовым составом и их структурой. Основными свойствами ситаллов являются: плотность 2400–2950 кг/м³; температура размягчения 1250–1350 °С; низкая теплопроводность 2–7 Вт/(м·К); температурный коэффициент линейного расширения (7–300)·10^-7 °C^-1. σсж=7–2000 МПа, σв=112–160 МПа, σизг=7–350 МПа; модуль Юнга 84–141 ГПа; хрупкость (при ударной вязкости 4,5–10,5 кДж/м²); микротвердость – 7000– 10500 МПа; высокая износостойкость; термостойкость – 200–700°С (до 1100°С);

Рис. 11. Схема кристаллизации стекла при образовании ситаллов

с помощью нуклеаторов

По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными (глухими), прозрачными, а также окрашенными (темного, коричневого, серого, кремового и светлого цветов). Причина особо ценных свойств ситаллов заключается в их исклю­чительной мелкозернистости и почти идеальной поликристаллической структуре. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка ма­териала при его переработке незначительна. Большая абразивная стой­кость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Детали из ситаллов соединяют друг с другом и другими материалами с помощью стеклокристаллического цемента с последующей термической об­работкой при 400–600°С, клеев и замазок на основе эпоксидной смолы и жидкого стекла, металлизацией с последующей пайкой. Ситалловые изделия получают, как правило, путем плавления сте­кольной шихты специального состава, охлаждения расплава до пласти­ческого состояния и последующего формования методами стекольной или керамической технологии (вытягивание, выдувание, прокатка, прессование), а затем ситаллизацией. Такие изделия получают также порошковым методом спекания.

По назначению ситаллы делятся на конструкционные (строительные и машиностроительные), технические, радио-, электро- и фототехнические. На основе ситаллов получают различные клеи для склеивания металла, стекла, керамики. В машиностроении ситаллы применяют для изготовления подшипников, деталей двигателей, труб, жаростойких покрытий, лопастей компрессоров, точных калибров металлорежущих станков, метрологических мер длины, фильер для вытягивания синтетического волокна, абразивов для шлифования; в химическом машиностроении – пар трения плунжеров, деталей химических насосов, реакторов, мешалок, запорных клапанов. Радио- и электротехнические ситаллы используются для изготовления подложек, оболочек, плато, сетчатых экранов, антенны обтекателей и др., а также как жаростойкие покрытия для зашиты металлов от действия высоких температур. Фототехнические ситаллы применяются для изготовления сетчатых экранов телевизоров, дорожных знаков, зеркал телескопов, для замены фото эмульсий диапозитивов, на шкалах приборов и др. Разрешающая способность и качество изображения у фотоситаллов выше, чем у обычных фотоэмульсий.

5.1. Вопросы по теме «Стекла»:

1) Какое строение имеет стекло? Что входит в состав стекла?

2) Как классифицируют стекло по химическому составу и назначению?

3) Какими свойствами обладает стекло?

4) Что такое ситалл, триплекс?

6. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

6.1. Керамическая технология и классификация керамики

Керамика – неорганические поликристаллические материалы, полу­чаемые из сформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного (1200–2500 °С) спекания.

Керамическая технология предусматривает следующие основ­ные этапы: получение исходных порошков, консолидацию по­рошков, т. е. изготовление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.

При производстве высококачественной керамики с высокой однородностью структуры используют порошки исходных мате­риалов с размером частиц до 1 мкм. Процесс получения столь вы­сокой степени дисперсности требует больших энергозатрат и яв­ляется одним из основных этапов керамической технологии.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов формования и спекания. Различают три основные группы методов формования.

1) Прессование под действием сжимающего давления, при кото­ром происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости.

2) Пластичное формование выдавливанием прутков че­рез мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификатора­ми, увеличивающими их текучесть.

3) Шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, в котором для формования используют жидкие суспензии порошков.

При переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки из­делий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной − экструзии и шликерному литью.

При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит и формируются окончательные свойства керамики. Про­цесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой. Применяют печи для спекания при атмосферном давлении, ус­тановки горячего изостатического прессования (газостаты), прессы горячего прессования с усилием прессования до 1500 кН. Температура спекания может составлять до 2000 − 2200 °С.

Керамика – изотропный материал, так как представляет собой поли­кристаллическое вещество с мелкими беспорядочно расположенными кристаллами. Керамику с анизотропией свойств получают на основе монокристаллов.

Свойства керамики определяются ее составом, структурой и порис­тостью. К основным свойствам керамических материалов относятся: плотность 1800–3900 кг/м³ и более; водопоглощение – для пористой керамики 6–20% по массе (12–40% по объему), а для плотной – 1–5% по массе (2–10% по объему); теплопроводность в зависимости от пористости и химического соста­ва 0,8–1,16 Вт/(м·К). Сравнительно высокая теплопроводность у керамики на основе А1₂О₃ и, особенно на основе ВеО; σ_раст=30–300 МПа, σ_сж=3000 МПа и более; твердость, близкая к твердости алмаза; высокая хрупкость; высокое электрическое сопротивление, отличные диэлектрические свойства; водо-, химическая, коррозионная и жаростойкость.

Недостатком керамики является высокая усадка при спекании – 20–25% и выше, что создает трудности с обеспечением точных разме­ров изделия. Обработка готовых изделий затруднена, так как спеченная керамика обладает высокой твердостью, режется с трудом и только аб­разивами.

6.2. Свойства и применение керамических материалов

Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы пло­хо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамиче­ские материалы обладают высокой жаропрочностью, превосход­ной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепло­вой защиты.

При температурах выше 1000 °С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а сопротивление ползучести и жаропрочность ее выше.

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.

Высокие свойства режущей керамики позволили существен­но повысить скорости механической обработки стали и чугуна. Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида цирко­ния, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислород­ных соединений - нитрида бора с кубической решеткой β-BN), обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида крем­ния Si₃N₄. Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые под назва­ниями эльбор, боразон, композит 09 и др., имеют твердость, близ­кую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчи­вость к нагреву на воздухе до 1300 − 1400 °С. В отличие от алмазно­го инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.

Наиболее эффективно применение керамики для изготовле­ния дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих ке­рамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300 − 1500 К, иметь прочность при изгибе σ_изг не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПа ∙ м^1/2. Этим требова­ниям в наибольшей мере удовлетворяют керамики на основе ди­оксида циркония ZrO₂ и нитрида кремния.

Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопро­водность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они долж­ны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 − 1670 К (в перспективе до 1770 − 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, ста­тор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.

Керамика специального назначения. К керамике специально­го назначения относятся сверхпроводящая керамика, броневой защиты военной техники и тепловой защиты го­ловных частей ракет и космических кораблей.

6.3. Вопросы по теме «Керамические материалы»:

1. Что такое керамика?

2. Как принято классифицировать керамику?

3. Что входит в состав керамических материалов?

4. Из каких операций состоит технология изготовления керамических материалов?

5. Каковы достоинства керамики?

6. С чем связаны недостатки керамики?

7. Где применяются керамические материалы?

7. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

7.1. Общая характеристика и классификация

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела кон­структивной прочности. Вместе с тем развитие современной тех­ники требует создания материалов, надежно работающих в слож­ной комбинации силовых и температурных полей, при воздейст­вии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требо­вания можно только путем использования композиционных материалов. Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность σ_в / ρ и удельная жест­кость E / ρ, где σ_в − временное сопротивление, Е − модуль нор­мальной упругости, ρ − плотность материала. По удельной прочности и жесткости композици­онные материалы превосходят все известные конструкционные сплавы (Рис. 13).

Рис. 13. Удельные характеристики конструкционных материалов

Композиционным материалом (КМ) или композитом называ­ют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различа­ющихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строе­ние которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

Ти­пичными природными композиционными материалами являются стволы де­ревьев, стебли растений, кости человека и животных.

КМ позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, из­носостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств КМ невозможно получить при использо­вании обычных материалов. Их при­менение дает возможность создавать ранее недоступные принципиально новые конструкции. Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в повышении эффективности транспортных средств за счет увеличения мощности двигателей и уменьшения массы машин и конструкций.

КМ состоят из сравнительно пластичного матричного мате­риала-основы и более твердых и прочных компонентов, являю­щихся наполнителями. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Классификация композиционных материалов приведена на рис. 14.

Рис. 14. Классификация композиционных материалов

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполни­телей. В зависимости от материала основы различают КМ с ме­таллической матрицей, или металлические композиционные ма­териалы (МКМ), с полимерной − полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической − керамические композици­онные материалы (ККМ).

Ведущую роль в упрочнении КМ играют наполнители, часто называемые упрочнителями. Они имеют высокую прочность, твер­дость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсно-упрочненные (нуль мерные), волокнистые (одно мерные) и слои­стые (двумерные) (рис. 15).

Рис. 15. Схемы строения композиционных материалов:

а − дисперсноупрочненные; б − волокнистые; в – слоистые

7.2. Дисперсноупрочняемые композиционные материалы

В дисперсноупрочненные КМ искусственно вводят мелкие рав­номерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не раство­ряющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем проч­нее КМ. В отличие от волокнистых, в дисперсноупрочненных КМ основным несущим элементом является матрица. Ансамбль дис­персных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопро­тивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эффективное сопротивление движению дислокации создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести. Разновидности этих материалов приведены на рис. 16.

Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида час­тиц, их объемной концентрации, а также от равномерности рас­пределения в матрице. Применяют дисперсные частицы туго­плавких фаз типа А1₂О₃, SiO₂, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом по­рошковой металлургии, важным преимуществом которого явля­ется изотропность свойств в различных направлениях.

В промышленности обычно применяют дисперсноупрочнен­ные КМ на алюминиевой и реже – никелевой основах. Характер­ными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дис­персными частицами оксида алюминия.

Рис. 16. Разновидности дисперсно-упрочненных КМ

7.3. Волокнистые композиционныые материалы

Высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон. Матрица обеспечивает совместное действие волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия на границе матрица–волокно.

Механические свойства определяются тремя основными параметрами: прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на их границе раздела.

С уменьшением диаметра волокна уменьшается вероятность возникновения внутренних дефектов, размеры дефектов также уменьшаются – масштабный фактор. В результате повышается прочность волокна: например, стеклянная пластина имеет предел прочности при растяжении s_в» 70 МПа, у тонкого же стекловолокна s_в» 2800¸5000 МПа.

Прочность и жесткость таких материалов определяется свой­ствами армирующих волокон, воспринимающих основную на­грузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дис­персное упрочнение технологически легче осуществимо.

Помимо обеспечения прочности и монолитности конструкции матрица должна иметь необходимую пластичность и быть работо­способной в той температурной области, для которой предназна­чен КМ.

Для изготовления КМ, применяемых при температурах ниже 200 °С, используют полимерные матрицы. К таким композитам относятся стеклопластики с матрицей из полиэфирной смолы, армированные короткими стеклянными волокнами. Стеклопластики применяют для изготовления корпусов автомобилей, конструкций подвижного состава железных дорог. В качестве матриц также используют термореактивные полимеры, в которых поперечные связи между основными цепями формируют жесткую структуру с трехмерной сеткой. Такими полимерами являются эпоксидные смолы, кото­рые имеют более высокую термо­стойкость. На рис. 17 схематически показан способ изготовле­ния такого композита.

Рис. 17. Схема изготовления композиционного материала

Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улучшающей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смолой. Смола скрепляет волокна в плоский жгут - ленту. Готовые ленты собирают в слои­стый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в более сложные формы. Собранный в листы или намотанный мате­риал отверждают термообработкой. Слои можно накладывать по­очередно с разным направлением волокон и формировать в компо­зите клетчатую структуру арматуры. Это придает материалу же­сткость (Рис. 18).

Рис. 18. Влияние схем армирования на прочность при растяжении

эпоксидных углепластиков

Недостатком такого композита является отсутствие попереч­ного армирования в каждом отдельном слое и между слоями. По­этому материал может расслаиваться. К тому же появившаяся трещина в объемном образце из такого КМ легко находит путь распространения между слоями. Для устранения этих недостат­ков изготавливают тканые КМ.

Другие схемы армирования приведены на рис. 19.

Для работы при высокой температуре применяют ме­таллические матрицы. Обычно используют металлы с малой плот­ностью: алюминий, реже − магний, титан. Металлические КМ обладают рядом преимуществ перед поли­мерными. Помимо более высокой рабочей температуры, они ха­рактеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью свойств, более высокой эрозионной стой­костью в процессе эксплуатации. Пластичность металлических матриц сообщает конструкции необходимую вязкость. Это способствует быстрому выравниванию локальных механических нагрузок. Высокая теплопроводность металлических КМ предохраняет от локальных перегревов, что особенно важно для таких изделий, как наконечники ракет и ведущие кромки крыльев. Высокая электропроводность металлических КМ хорошо за­щищает их от электромагнитного излучения, молнии, снижает опасность статического электричества.

Рис. 19. Схемы армирования:

а) хаотическая; б) слоистая; в) розеточная; г)-з) ортогональные;

и) аксиально-радиально-окружная; к) аксиально-спиральная;

л) радиально-спиральная; м) аксиально-радиально-спиральная

Важным преимуществом металлических КМ является более высокая технологичность процесса изготовления, формовки, тер­мообработки, формирования соединений и покрытий.

Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матрич­ного материала применяют керамику. Ее основной недостаток − отсутствие пластичности − в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами, тормозящими распространение тре­щин в керамике.

Использование в качестве матричного материала аморфного углерода, а в качестве армирующего материала - волокон из кри­сталлического углерода (графита) позволило создать композит, выдерживающий нагрев до 2500 °С. Такой углерод-углеродный композит перспективен для космонавтики и заатмосферной авиа­ции.

Таким образом, наиболее важным критерием выбора матрич­ного материала является рабочая температура эксплуатации ком­позита.

Помимо высокой прочности и жесткости, основными требова­ниями, предъявляемыми к волокнам для КМ, является хорошее смачивание материала волокна расплавленной матрицей в про­цессе изготовления композита. Важными условиями являются слабое взаимодействие волокна с материалом матрицы и его вы­сокая окислительная стойкость.

Для армирования металлических КМ обычно используют не­прерывные волокна: углеродные (УВ), борные (В), оксида алюми­ния (А1₂О₃), карбида кремния (SiC), карбида бора (В₄С), нитрида бора (BN), диборида титана (TiB₂), оксида кремния (SiO₂). Также в качестве волокон применяют металлическую тонкую проволоку, полученную методом волочения из стали, вольфрама, титана, мо­либдена и бериллия. Реже используют нитевидные специально выращенные кристаллы разных материалов. Наибольшее распространение для армирования металличе­ских КМ получили непрерывные или дискретные углеродные и борные волокна (Рис. 20).

Рис. 20. Микроструктура КМ ВКА-1 с алюминиевой матрицей,

армированной 50 % волокнами бора, х 500

Волокна бора обычно получают осаждением бора из газовой фазы при диссоциации его галоидных соединений, например трех-хлористого бора ВС1₃. Бор осаждается на основу из тонкой (12 мкм) вольфрамовой нити, нагретой до 1100 − 1200°С. В процессе осаж­дения бор диффундирует в вольфрамовую основу, образуя бориды вольфрама в сердцевине волокна. Время пребывания волокна в реакционной камере составляет 1 − 2 мин. Общий диаметр борного волокна составляет 100 − 150 мкм.

Сырьем для получения высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон являются такие полимеры с высоким содер­жанием углерода, как полиакрилонитрил (ПАН), и реже − пек и вискоза. ПАН-волокно выдавливают через малые отверстия и подвергают пиролизу в инертной атмосфере при температуре око­ло 2000 °С. Углеродные волокна выпускают в виде нитей, содер­жащих до 10000 элементарных волокон, диаметр которых состав­ляет около 7 мкм. Модуль упругости и прочность волокна не изменяются при нагреве его до 600 °С.

Композиты получают разными методами. К ним относятся пропитка пучка волокон жидкими расплавами алюминия и маг­ния, плазменное напыление, применение методов горячего прес­сования иногда с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армировании непрерывными волокнами компо­зиций типа "сэндвич", состоящих из чередующихся слоев алюми­ниевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессо­вание, сварку взрывом, диффузионную сварку. Отливку прутков и труб, армированных высокопрочными волокнами, получают из жидкометаллической фазы. Пучок волокон непрерывно про­ходит через ванну с расплавом и пропитывается под давлением жидким алюминием, магнием или жидкой смолой в случае изго­товления полимерного материала. При выходе из пропиточной ванны волокна соединяются и пропускаются через фильеру, формирующую пруток или трубу. Этот метод обеспечивает мак­симальное наполнение композита волокнами (до 85 %), их одно­родное распределение в поперечном сечении и непрерывность процесса.

Для многих видов волокон разработаны технологические про­цессы нанесения покрытий для обеспечения лучшей смачиваемо­сти, окалиностойкости и оптимального взаимодействия волокна с матрицей. Борные волокна защищают от реагирования с распла­вами титана и алюминия созданием на поверхности диффузионного барьера из карбидов кремния или бора. Волокна бора, защищенные карбидом кремния, называют borsic (борсик). Из-за высокой окис­лительной способности углеродных волокон на их поверхность на­носят специальные покрытия, а процессы переработки осуществ­ляют в защитной атмосфере.

Волокна карбида кремния получают методом химического осаждения из паровой фазы на подложку из борного или углерод­ного волокна. Эти волокна имеют хорошую теплостойкость, стой­кость к окислению и мало реагируют с металлом.

7.4. Слоистые композиты

Слоистые композиционные материалы (рис. 15, в) набира­ются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материа­ла (типа "сэндвич"). Слои наполнителя в таких КМ могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механиче­скими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.

В настоящее время существует несколько методов армирования слоистыми наполнителями. Наиболее часто используемыми из них являются: 1) метод наслоения листов вручную, 2) метод наматывания волокна, 3) метод пропитки распылением и др.

Метод изготовления непрерывных слоистых материалов используют для производства непрерывных листов армированных слоистых пластиков различной толщины. В этом процессе каждый отдельный слой тканой ленты, поступающей с рулонов, пропитывают смолой и отвердителем, а затем спрессовывают вместе, пропуская через систему горячих валков. После отвердения под действием температуры получают слоистый пластик требуемой толщины (рис. 21). Толщину материала можно варьировать, изменяя количество слоёв.

Рис. 21. Схематическое изображение метода производства

непрерывных слоистых материалов:

1 – подающие катушки; 2 – непрерывные листы стеклоткани; 3 – ванна для пропитки в смеси смолы с отвердителем; 4 – непрерывный слоистый пластик;

5 – слоистый пластик, нарезаемый на куски необходимого размера

Материалом основы композитов со слоистым строением явля­ются пластмасса, металл или керамика. В качестве наполнителей применяются полимерные волокна, ленты из тканей, трикотажа и других материалов.

К этой же группе композитов относятся абляционные мате­риалы для тепловой защиты ракет, изготовленные на базе феноло-формальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. В этих материалах часто используется стеклоткань, которая при многослойном нанесении обеспечивает высокие механические свойства изделий, например тонкостенных труб, втулок и др.

Встречаются композиты, в которых слоистым связующим яв­ляются алюминиевые, титановые, медные, никелевые и кобаль­товые листы и фольги, а слоями, определяющими специальные свойства и применение, – керамика, интерметаллидные соедине­ния или другие металлы.

Слоистые керамические композиты используют в экстремаль­ных условиях. Компонентами этого типа композиционных мате­риалов чаще всего являются керамика, углерод и металлы, на­пример корунд, пиролитический графит, карбиды, оксиды, нит­риды в композиции с алюминием, медью, титаном, никелем, кобальтом, танталом, железом. Такие материалы нашли приме­нение в космических аппаратах для изготовления теплоизоляци­онных силикатных плиток из корунда, боросиликата, углеродных карборундовых ламинатов.

7.5 Вопросы по теме «Композиционные материалы»:

1) Какими свойствами обладают компоненты композиционных мате­риалов?

2) Какое строение могут иметь композиционные материалы?

3) Что является матрицей в композиционных материалах?

4) Какие наполнители используют для упрочнения композиционных материалов?

5) Какое влияние на свойства композиционного материала оказывают волокна бора?

6) Какими способами можно получать композиционные материалы?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одной из главных тенденций в развитии машиностроения является снижение веса конструкций за счёт использования современных композитных материалов. Новые материалы внедряются во всех видах транспорта, так как это помогает обеспечить лучшую энергоэффективность.

Главное преимущество композиционных материалов в том, что материал и конструкция создаётся одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики, значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, т.е. для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.