Направления развития материаловедения и использования КМ

Наше время характеризуется резким расширением объема производства и номенклатуры конструкционных материалов, улучшением их свойств и прежде всего повышением прочностных характеристик.

Успехи физики твердого тела и металловедения позволили увеличить предел прочности алюминиевых сплавов и сталей соответственно до 1200 и 2200 МПа. Считается, что резервы дальнейшего экономически целесообразного повышения прочностных характеристик этих материалов практически исчерпаны. Бурный рост производства металлических материалов приводит к истощению наиболее богатых и доступных месторождений руд, к удорожанию материалов. Следует учитывать, что добыча, транспортировка и переработка металлических руд сопряжены с громадными материальными затратами и загрязнением окружающей среды.

Создание и применение композитов – один из наиболее эффективных и перспективных путей обеспечения производства конструкционных материалов, решения задач создания новой техники, экономии ресурсов.

Современные композиты сочетают высокую прочность с легкостью и долговечностью. Их применение в машинах, оборудовании, сооружениях позволяет снизить массу конструкций на 25-50%, трудоемкость их изготовления в 1,5-3 раза, энергоемкость производства в 8-10 раз, материалоемкость в 1,6-3,5 раза. За счет применения композитов можно в 1,5-3 раза увеличить ресурс технических объектов, снизить до минимума потери от коррозии, расход топлива и т.д.

Определились две области эффективного использования композиционных материалов:

· в качестве заменителей наиболее дефицитных из традиционных материалов – цветных металлов, текстолита, натуральных тканей и др.;

· в качестве конструкционных материалов с уникальными прочностными и другими характеристиками.

Высокопрочные композиты и композиты со специальными функциональными свойствами наиболее широко используются для изготовления ответственных изделий, прежде всего в авиации. Так, в транспортном самолете-гиганте «Руслан» применено 5,5 т композитов, что позволяет сэкономить на каждом изделии 15 т металла и уменьшить затраты топлива на период эксплуатации на 18 тысяч тонн. Доля композитов к концу ХХ века в конструкциях дозвуковых самолетов была весьма значительна. В сверхзвуковом самолете крылья и оперение делают из углерод-углеродных композитов, воздухозаборники и сопла двигателей – из керамических, шасси – из углерод-алюминиевых и углерод-магниевых материалов.

Ставку на композиты делает и мировое автомобилестроение. Доля композитов может достичь в автомобилях 65%.

Создаются крупные производства новых КМ, интенсивно развиваются научные направления по созданию новых композитов с заданным комплексом свойств.

Композиционные материалы на полимерной матрице.

КМ на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), объединяющую все компоненты материала в единую структуру, что обеспечивает их совместную работу в составе КПМ.

К КПМ относятся многие пластмассы – материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся во время формования изделий в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации в стеклообразном или кристаллическом состоянии.

Искусственные материалы на полимерной матрице – пластики, армированные волокнами, тканями и объемными элементами; металлопласты, состоящие из чередующихся слоев металла и полимеров; сотопласты и другие – были созданы в середине ХХ века. В настоящее время номенклатура КПМ насчитывает сотни наименований, объединяющих материалы с уникальными удельной прочностью и коррозионной стойкостью, регулируемыми функциональными свойствами. Верхняя граница рабочих температур КПМ соответствует 200-400^оС, однако сочетание высокой прочности и стойкости к коррозии делает их перспективными материалами для многих отраслей машиностроения, и прежде всего, транспортного, включая трубопроводный транспорт.

Взаимодействие компонентов композитов на полимерной матрице

Матрицами КПМ могут быть любые материалы на основе органических полимеров. В качестве наполнителей и армирующих компонентов КПМ используют материалы в любой фазе и относящиеся ко всем типам рассмотренных ранее материалов.

Как структурно-единый материал, КПМ превосходит по показателям свойств средние и суммарные показатели этих же свойств отдельных компонентов, обнаруживая синтетический эффект. Для улучшения адгезии в КПМ широко используют промежуточные (аппретирующие) слои.

В большинстве промышленных технологий получение КПМ и переработка их в изделие совмещены. При формовании изделия можно средствами технологии «конструировать» структуру материала с целью придания ей оптимального соответствия конструкции изделия. Снижение стоимости изделий, достигаемое в результате этого, - одна из причин, обусловливающих конкурентоспособность КПМ среди машиностроительных материалов.

Технология КПМ включает много методов, заимствованных из технологии пластмасс, но их содержание и режимы специфичны. В технологическом процессе получения КПМ значительное место занимают операции совмещения полимерного связующего и других компонентов, приготовления полуфабрикатов, формования заготовок, основным содержанием которых является формирование структуры КПМ.

Номенклатура КПМ классифицируется по фазовому состоянию компонентов:

· компоненты в твердой фазе;

· компоненты в жидкой фазе;

· компоненты в газовой фазе.

Основными представителями системы КПМ являются следующие группы:

1. наполненные пластики;

2. армированные материалы;

3. смеси.

Эти названия приняты в практическом материаловедении.

Наполненные пластики

Наполненные пластики – название наиболее представительной по номенклатуре и объему потребления группы КПМ. Выбор наполнителя, его содержание и распределение в матрице зависят от задач, решаемых при создании КПМ. Номенклатуру наполненных пластиков образуют группы материалов конструкционного и специального назначения с дополнительными функциональными свойствами.

3.2.1. Порошковые пластики содержат наполнители в твердой фазе. В эту группу входят следующие материалы.

3.2.1.1. Конструкционные (общетехнические) пластики – КПМ с матрицей из конструкционных термопластов, содержащей твердые дисперсные наполнители преимущественно неметаллической природы. Они предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин: зубчатых колес, подшипников, уплотнительных колец, корпусов и т.п.

3.2.2. Металлонаполненные пластики – КПМ, содержащие в качестве наполнителя металлические порошки. Известны четыре группы технологических методов формирования таких материалов. Наименее энерго- и трудоемкая технология получения МНП состоит в смешивании металлических порошков и полимерных материалов в виде порошка, гранул, расплавов, растворов, полимеризующихся составов в смесителях различного типа.

Особенность технологических методов второй группы состоит в том, что на основе металла-наполнителя готовят суспензию (например, водную), смешивают ее с раствором полимера, а затем смесь коагулируют. В результате достигается высокая однородность структуры пластиков.

Третью группу образуют технологии, основанные на вибропомоле металла в жидкости на основе полимера или мономера. Они выгодно отличаются от методов второй группы использованием меньшего числа специальных компонентов (ПАВ, стабилизаторов суспензий и др.).

Четвертая группа методов предназначена для получения пластиков с наименьшим размером частиц металла (менее 0,4 мм) путем термического или электролитического разложения металлоорганических соединения (например, карбонилов – соединений металла с оксидом углерода). Последние предварительно диспергируют в мономерах, растворах, расплавах или суспензиях. Для придания анизотропии электро- и теплопроводности изделия из пластиков формируют в электромагнитном поле. В результате происходит ориентация частиц металла, которые образуют в полимерной матрице токопроводящие цепочки.

МНП имеют более высокие, чем исходные полимеры, характеристики прочности, термостойкости и теплопроводности.

Металлические порошковые наполнители придают пластикам, как конструкционным материалам, дополнительные функциональные свойства: железо и никель – ферромагнетизм; алюминий, медь и др. – низкую газо- и паропроницаемость; свинец, кадмий, вольфрам – свойство поглощать излучение высоких энергий и т.д.

Металлонаполненные пластики применяют вместо цветных и драгоценных металлов при изготовлении подшипников, уплотнителей, электрических контактов, в производстве магнитных лент, экранов для защиты от электромагнитных волн и ионизирующих излучений, нагревателей, устройств для отвода статического электричества, элементов радио- и электротехники, и т.д.

3.2.3. Графитопласты – КПМ, содержащие в качестве наполнителя природный и искусственный графит или карбонизированные продукты (кокс и т.п.).

3.2.4. Саженаполненные каучики применяют при производстве шинных протекторов. Они облдают высокими показателями износостойкости и выносливости при многократных деформациях.

3.2.5. Порошковые фено- и аминопласты имеют широкую номенклатуру, включающую материалы для литейных форм и стержней (наполнитель – кварцевый песок, 95-97%), для абразивных инструментов (при наполнении корундом, оксидами алюминия, алмазами), теплообменной и химической аппаратуры и др.

3.2.6. Антимикробные полимерные материалы содержат препараты, обладающие свойством подавлять жизнедеятельность микроорганизмов (бактерицидные) или ограничивать их развитие (бактериостатические).

3.2.7. Ионообменные смолы (синтетические органические иониты) – это нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные полиэлектролиты (полимеры, в состав которых входят группы, распадающиеся на ионы в растворе), при контактировании которых с растворами электролитов имеет место обмен подвижных ионов смолы на ионы электролита. Важнейшая область применения ионообменных смол – подготовка воды, в частности ее деминерализация.

3.2.8. Противокоррозионные пластики – КПМ, содержащие ингибиторы коррозии. В зависимости от назначения и условий эксплуатации используют материалы с матрицами, снабженными системой сообщающихся или закрытых пор.

Противокоррозионные пластики выполняют в машинах основную функцию конструкционного материала и обладают дополнительными функциональными свойствами, предохраняя от коррозии сопряженные металлические детали. Чехление деталей в ингибированную полиэтиленовую пленку обеспечивает их защиту от коррозии в течение 3-7 лет.

3.2.9. КПМ, содержащие компоненты в газовой фазе, - пенопласты, поропласты, пластики с полым наполнителем применяют для защиты машин, оборудования, установок и т.п. от нежелательного теплового обмена с окружающей средой (теплоизоляционные материалы), а также поглощения шумов внутри помещения или (и) защиты его от проникновения звука извне (акустические или звукопоглощающие материалы).