Кафедра покрытий, композиционных материалов и защиты от коррозии

Факультет материаловедения и обработки металлов

Кафедра покрытий, композиционных материалов и защиты от коррозии

Опорный конспект

по учебной дисциплине

 

«Неметаллические материалы»

 

Направление		Инженерное материаловедение
Спеціальність	7.0901	Металловедение Прикладное материаловедение Композиционные и порошковые материалы, покрытия

 

Разработал: к.т.н., доц. Власова Е.В.

 

Днепропетровск

 

Дисциплина

«Неметаллические материалы»

Лекция 1

План лекции:

1. Общие сведения о неметаллических материалах.

2. Полимеры. Особенности строения.

3. Классификация полимеров.

 

 

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органического и неорганического происхождения:

1. различные виды пластмасс,

2. композиционные материалы на неметаллической основе,

3. каучуки и резины,

4. клеи,

5. герметики,

6. лакокрасочные покрытия,

7. графит,

8. стекло,

9. керамика.

К природным полимерам относится многочисленная группа веществ животного и растительного происхождения (хлопок, шелк, кожа, натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит).

Особое значение имеют синтетические полимеры, которые и являются основой неметаллических материалов. Синтетические полимеры получают синтезом низкомолекулярных веществ, и они являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев.

Обладая рядом ценных свойств, не присущих металлическим материалам, полимерные материалы являются хорошим дополнением к металлам, а в ряде случаев могут быть их полноценными заменителями.

Согласно данным ООН использование неметаллических материалов в мировой экономике по отношению ко всем материалам составляет 7.5%. Такие их свойства, как - достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Так же следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Эти материалы находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

Для успешного использования материалов на основе полимеров необходимо хорошо представлять особенности их строения, обусловленные этим, своеобразие свойств. Механическое перенесение закономерностей, определяющих поведение металлических материалов под нагрузкой. На полимерные материалы приводит к грубым ошибкам.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А.М. Бутлеров. Промышленное производство первых пластмасс (фенопластов) – результат работ, проведенных в 1907-1914 г. Петровым Г.С. В 1932 г. Лебедевым С.В. впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука. В области создания полимерных материалов большой вклад внесен многими видными учеными химии и физики полимеров.

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров). Характерной особенностью молекул полимеров является их большой молекулярный вес и размеры. От 5000 до 100 000.Свойства полимерных веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в несколько тысяч раз больше их поперечного сечения, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов – жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул – это еще одна отличительная особенность полимеров.

Гибкость обусловлена устойчивостью молекулы при поворотах отдельных звеньев молекулы, относительно валентных связей, благодаря чему возможен переход молекулы из одной формы в другую без разрушения связей между звеньями.

Эта возможность реализуется благодаря специфическому характеру связей между частицами в полимерном теле.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химических связей составляет 330 –360 кДж/моль. Силы межмолекулярного взаимодействия, имеют обычно физическую природу и энергия таких связей значительно меньше (5-40 кДж/моль). Возможны и другие виды связи. Однако во всех случаях характерные свойства полимеров реализуются только тогда, когда силы межмолекулярного взаимодействия остаются значительно меньше сил внутримолекулярного взаимодействия.

Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров (полимеры) или разнородных звеньев (сополимеры).

Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда все звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-механические свойств (по сравнению с нерегулярными полимерами).

Таким образом, при оценке свойств полимеров необходимо учитывать две структурные единицы: а) цепную макромолекулу и б) звенья, из которых она построена. Особенностью полимера является то, что эти единицы выступают в той или иной степени независимо друг от друга. Это является характерным только для полимерного материала и обуславливает возникновение своеобразного комплекса свойств этих материалов.

Значительное влияние на свойства полимерного материала оказывает степень упорядоченности цепных макромолекул в конденсированной фазе. В расплавленном состоянии цепные макромолекулы всегда более упорядочены, чем молекулы низкомолекулярной жидкости. Степень порядка в упорядоченном полимере (в ориентированном или закристаллизованном состоянии) всегда меньше, чем в кристалле соответствующего низкомолекулярного вещества. Это связано с трудностью правильной упаковки в кристаллическую решетку громоздких цепных молекул полимерного материала.

Работами академика В.А. Каргина и его школы установлено, что формирование структуры полимера протекает только после известного упорядочения макромолекул уже в расплавленном состоянии.

В большинстве случаев макромолекулы группируются в линейные агрегаты – пачки (рис.).

 

ЛЕКЦИЯ 3

Тема. Пластические массы (ПЛАСТМАССЫ)

План.

1. Определение. Свойства пластмасс.

2. Состав. Характеристика связующих и наполнителей.

3. Классификация.

4. Область применения пластмасс.

5. Неполярные термопластичные пластики: полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт – 4.

 

1. Пластическими массами (пластмассами) обычно называют неметаллические материалы, перерабатываемые в изделия методами пластической деформации (прессование, экструзия, литье под давлением и т.д.),обладающие пластическими свойствами в условиях переработки и не обладающие этими свойствами в условиях эксплуатации, т ак как эти материалы способны при нагреве размягчаться, становится пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая потом сохраняется. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела.

Свойства пластмасс.

Чтобы лучше представить себе некоторые механические свойства пластмасс, сравним эти свойства с аналогичными свойствами некоторых металлов.

Плотность различных пластмасс колеблется от 0,9 до 2,2 г/см³; имеются особые типы пластмасс (пенопласты) с плотностью 0,02 – 0,1 г/см³.

В среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более чем в 10 раз легче пробки.

Прочность некоторых видов пластмасс даже превосходит прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др.

По химической стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы не только к действию влаги воздуха, но и таких сильнодействующих химических веществ, как кислоты и щелочи.

Обычно пластмассы являются диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют собой лучшие диэлектрики из всех известных в современной технике.

В настоящее время известен целый ряд пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что позволяет применять их для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур.

По своим антифрикционным свойствам многие пластмассы значительно превосходят лучшие антифрикционные сплавы металлов. Многие типы пластмасс при использовании их для подшипников не требуют смазки, другие же могут «смазываться» просто водой.

Наряду с большой механической прочностью некоторые виды пластмасс обладают прекрасными оптическими свойствами.

Обычно пластмассы имеют твердую, блестящую поверхность, не нуждающуюся в полировке, лакировке или поверхностной окраске. Внешний вид их не изменяется от обычных атмосферных воздействий.

По методам переработки пластмассы имеют значительное преимущество перед многими другими материалами. Благодаря изготовлению изделий из пластмасс методами прессования, литья под давлением, формования, экструзии и другими методами устраняются отходы производства (стружки), появляется возможность широкой автоматизации производства.

Наконец, большим преимуществом пластических масс перед другими материалами является неограниченность и доступность сырьевой базы (нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.).

Таким образом:

Особенностями пластмасс являются:

-малая плотность (1000 – 2000 кг/м³);

-низкая теплопроводность 0,1 – 0,3 Вт/(м*К);

-значительное тепловое расширение, в 10 – 30 раз больше, чем у стали

(15 –100) 10^{-6 о} С^{- 1};

- хорошие электроизоляционные свойства;

- высокая химическая стойкость;

- фрикционные и антифрикционные свойства.

Недостатками пластмасс являются:

- невысокая теплоемкость;

- низкие модуль упругости и ударная вязкость (по сравнению с металлами и сплавами);

- для некоторых (склонность к старению).

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения. Что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

Пластмассы - это искусственные материалы, которые получают на основе органических полимерных связующих веществ. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагреве, или при последующем охлаждении.

Обязательным компонентом пластмасс является связующее термореактивное или термопластичное. Для большинства пластмасс – это синтетические смолы, реже применяют эфиры, целлюлозы. Многие пластмассы (термопластичные) состоят из одного связующего: (полиэтилен, органические стекла).

Другим важным компонентом пластмасс являются наполнители.

Наполнители бывают порошкообразные, газообразные или волокнистые вещества как органического, так и неорганического происхождения. Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные спецсвойства.

Пластификаторы - повышают эластичность и облегчают обработку (Олеиновая кислота, стеарин, дибутилфталат).

Отвердители – (амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих,

ингибиторы, предохраняющие полуфабрикат от самопроизвольного отверждения,

красители.

3. Классификация пластмасс:

1. По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на:

- термопластичные (термопласты) и

- термореактивные (реактопласты)

Термопласты удобны для переработки в изделия, имеют небольшую усадку при формовании (1-3 %). Материал отличается:

- большой упругостью;

- малой хрупкостью;

- способностью к ориентации.

Обычно термопласты изготавливают без наполнителя. В последние годы применяют термопласты с наполнителем минеральные или синтетические волокна (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки и дают большую усадку при из переработке (10- 15 %), поэтому в их состав часто вводят усиливающие наполнители.

2. По виду наполнителя ПЛ. делят на:

Порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька и др.

Волокнистые с наполнителями в виде:

-очесов хлопка и льна (волокниты);

-стеклянного волокна (стекловолокниты);

-асбеста (асбестоволокниты).

Слоистые: содержат листовые наполнители:

-листы бумаги в гетинаксе;

-хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите (СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ, АСБОТ ЕКСТОЛИТ);

- древесный шпон в древеснослоистых пластиках).

Газонаполненные пластмассы ( наполнитель – воздух или нейтральные газы. Пено- поро- сото- пласты).

3. По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и не силовые (оптически прозрачные, химическостойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна пластмасса может обладать разными свойствами.

4 Перечислим лишь основные отрасли промышленности, в которых в широких масштабах применяются пластические массы.

В электротехнической и радиотехнической промышленности пластмассы используются в качестве конструкционных и изоляционных материалов при производстве электродвигателей, трансформаторов, электрических кабелей и проводов, радиоаппаратуры, телевизоров, печатных схем и др. В машиностроении пластмассы применяют для производства конструкционных элементов машин и механизмов, бесшумно трущихся частей машин, самосмазывающихся подшипников, многих деталей станков и машин, подвергающихся в процессе работы истиранию.

Некоторые виды пластмасс, обладающие высокой стойкостью в агрессивных средах, используются в химическом и нефтяном машиностроении и др.

Особенно высокий экономический эффект дает применение пластмасс в тяжелом, энергетическом, транспортном и химическом машиностроении, автомобиле- и приборостроении. Широкое применение пластмассы находят также в строительстве. Из них изготавливают высококачественные термо, гидро- и звукоизоляционные материалы, арматуру, санитарно-техническое оборудование и др.

Подсчитано, что суммарный экономический эффект от использования пластмасс в народном хозяйстве за седьмую и восьмую пятилетки составил более 3,6 млрд. руб.

Пластические массы обладают очень высокими электро-, тепло- и звукоизолирующими свойствами, почти абсолютной стойкостью к действию агрессивных сред; обеспечивают защиту от радиоактивных излучений; способны отражать или пропускать световые, звуковые и радиоволны.

Пластмассы широко применяются в новейших областях техники – атомной энергетике, электронике, ракетной технике, современном самолетостроении и др.

Если мы внимательно оглянемся кругом, то заметим массу вещей, изготовленных из пластмасс, которые прочно вошли в наш быт. Большое число деталей холодильников, телевизоров, пылесосов, стиральных машин, спортивные принадлежности, игрушки, посуда, отделочные и упаковочные материалы, различные предметы галантереи, санитарии и гигиены – вот далеко не полный перечень изделий из пластмасс, широко применяемых в быту.

 

5 .ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ.

В основе термопластичных ПЛ. лежат полимеры линейной или

разветвленной структуры.

Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60 –70 ^о С начинается резкое снижение физико-механических свойств.

Более теплостойкие могут работать до 150 – 250 ^оС, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400 - 600 ^о С.

Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры.

Предел прочности составляет 10 – 100 МПа. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2-0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности.

Термопласты делят на неполярные и полярные.

ЛЕКЦИЯ 4

Слоистые пластмассы.

Газонаполненные пластмассы.

В качестве связующих веществ в этих пластмассах применяют термореактивные смолы, в которые иногда вводят пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители.

Основные требования к связующим веществам:

- высокая клеящая способность (адгезия);

- высокая теплостойкость,

- химическая стойкость,

- электроизоляционные свойства;

- простота технологической переработки;

- небольшая усадка;

- отсутствие токсичности (вредности);

- температурные коэффициенты линейного расширения связующего и наполнителя должны быть близки между собой.

В производстве пластмасс используют смолы:

- фенолформальдегидные,

- кремнийорганические,

- эпоксидные;

- непредельные полиэфиры и их различные модификации.

Более высокой адгезией к наполнителю обладают эпоксидные связующие, что позволяет получать армированные пластики с высокой механической прочностью.

Теплостойкость стеклопластиков при длительном нагреве составляет для: - кремнийорганических связующих – 260 – 370 ⁰С;

- фенолформальдеги260 ⁰ С;

- эпоксидных и непредельных полиэфиров до 200 ⁰ С;

- полиимидных -– 280 – 350 С;

Важным свойством непредельных полиэфиров и эпоксидных смол является способность к отверждению при повышенной и при нормальной температурах без выделения побочных продуктов и без усадки. Применяют для изготовления крупногабаритных изделий.

В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы делят на группы: - порошковые, волокнистые и слоистые.

ПЛАСТМАССЫ С ПОРОШКОВЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ.

В качестве наполнителей применяют органические (древесная мука) и минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит) порошки.

Свойства порошковых пластмасс: - изотропность, невыокая механическая прочность, низкая ударная вязкость, удовлетворительные электроизоляционные свойства.

ПРИМЕНЕНИЕ. Несиловые конструкционные и электроизоляционные детали.

Минеральные наполнители придают:

- водостойкость,

- химическую стойкость,

- повышенные электроизоляционные свойства. Устойчивость к тропическому климату

Композиции на основе эпоксидных смол применяют в машиностроении для изготовления различной оснастки, штампов, литейных моделей, копиров и другой оснастки. Их применяют для восстановления изношенных деталей и отливок.

ПЛАСТМАССЫ С ВОЛОКНИСТЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ.

К этой группе ПЛ. относятся: волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.

ВОЛОКНИТЫ. Это композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолформальдегидным связующим.

По сравнению с пресс-порошками они имеют несколько повышенную ударную вязкость.

ПРИМЕНЕНИЕ. Детали общего назначения, работающие на изгиб и кручение (рукоятки, стойки, фланцы, маховики, шкивы).

АСБОВОЛОКНИТЫ. Содержат наполнителем асбест. Связующее в основном – это фенолформальдегидная смола.

Преимуществом их является повышенная телостойкость (выше 200 ⁰ С), устойчивость к кислым средам и высокие фрикционные свойства.

ПРИМЕНЕНИЕ. Материал для тормозных колодок, фаолит получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

СТЕКЛОВОЛОКНИТЫ. Это композиция, состоящая из синтетической смолы – связующее и стекловолокна – наполнитель. Волокно может быть непрерывным или коротким.

Для практических целей используют волокно 5 – 20 мкм, прочностью 600- 3800 МПа и пластичностью 2 – 3,5 %.

Свойства зависят от содержания щелочи. Лучшие показатели у алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотропными прочностными намного более высокими, чем у пресс-порощков и волокнитов. Марки: АГ-4В, ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты) и т.д. (силовые электротехнические детали).

Связующее – непредельные полиэфиры получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата) Препереги применяют для крупногабаритных изделий простых форм (кузова машин, лодки).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями. Имеют высокую прочность. Рабочие температуры – 60 до 200⁰С, а так же в тропических условиях, выдерживать большие инерционные нагрузки. Ионизирующее излучение мало влияет на их свойства.

ПРИМЕНЕНИЕ. Детали высокой точности, с арматурой и резьбой.

СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ. Эти пластмассы- силовые конструкционные и в виде: листов, плит. Труб, заготовок, механически из них получают различные детали.

Гетинакс получается на основе модифицированных фенольных, анилиноформальдегидных. Карбамидных смол. И различных сортов бумаги.Различают гетинакс электротехнический и декоративный. Применяется при температуре 120-140 С.

Он устойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов.

ПРИМЕНЕНИЕ. Внутрення облицовка пассажирских кабин самолетов, вагонов, кают, в строительстве.

ТЕКСТОЛИТ. Связующее термореактивные смолы, наполнитель – хлопчатобумажные ткани. Среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибарционные нагрузки, хорошо сопротивляется раскалыванию. В зависимости от назначения их делят на конструкционные, электротехнические, графитовые. Гибкие прокладочные. Применение, зубчатые колеса, шестеренные передачи, текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10-15 раз больше бронзовых.

ДРЕВЕСНОСЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ. (ДСП) состоят из тонкого древесного шпона, пропитанного фенол и крезолоноформальдегидными смолами и спрессованными в виде плит и листов. Имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения. Могут заменять текстолит и цветные металлы. Шестерни, подшипники, шкивы, втулки.

АСБОТЕКСТОЛИТ содержит 38-43 %связующего, остальное асбестовая ткань. Он является конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом. Наиболее высокой теплостойкостью обладает материал на кремнийорганическом связующем (300 ⁰ С); механическая прочность выше у фенольных асбопластиков.

ПРИМЕНЕНИЕ. Изготавливают лопатки ротационных бензонасосов, фрикционные диски, тормозные колодки.

СТЕКЛОТЕКСТОЛИТЫ. Наполнителем используют стеклянные ткани.

На основе нетканых ориентированных материалов (нити в них не прогибаются) получают стеклотекстолиты (ВПР-10). Их себестоимость (при тех же показателях) ниже на 20 %, чем у стеклотекстолитов на основе стеклотканей.

Стеклотекстолит на фенолформальдегидном связующем (КАСТ) недостаточно вибропрочен, но более теплостоек и имеет более высокие электроизоляционные свойства, чем обычный.

Стеклотекстолит на основе кремнийорганических смол (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют относительно невысокую механическую прочность. Но отличаются высокой теплостойкостью и морозостойкостью, обладают стойкостью к окислителям и другим химически активным реагентам, не вызывают коррозии металлов.

Стеклотекстолиты на основе эпоксидных связующих (ЭД-8, ЭД-10) имеют наиболее высокие механические свойства. Из них изготавливают крупногабаритные детали.

МАТЕРИАЛ СВАМ – это стекловолокнистый анизотропный материал. Нити сразу при выходе из фильер склеиваются между собой в виде стеклянного шпона и затем укладываются как в фанере. Связующие могут быть различными.

При соотношении продольных и поперечных слоев 10:1 прочность 850 – 950 МПа и Е= 58 000 МПа. Это характеризует этот материал как очень жесткий с высокой ударной вязкостью.

Механические свойства стеклопластиков зависят от угла между направлением растягивающей силы и направлением армирующих волокон.

Особенностью стеклопластиков является неоднородность механических свойств (разброс показателей достигает 7 –15 %), что обусловлено различными факторами: составом, структурой, технологией.

Степень анизотропии прочности на разрыв для стеклопластиков достигает 2-10, что выше, чем у металлов.

Анизотропия упругих свойств выражена слабее, чем анизотропия прочностных.

Мех.свойства стеклопластиков зависят от температуры, с ее повышением прочность снижается.

Длительно стеклопластики работают при 200 – 400 ⁰ С, кратковременно (несколько десятков секунд) выдерживают 1000 ⁰ С. Они являются аблирующими, теплозащитными материалами. Применяются в авиационной и ракетной технике.

Лучшие свойства имеют материалы на основе эпоксидных и фенолформальдегидных смол. Работоспособность стеклопластиков выше, чем у металлов, по удельной жесткости (Е/р) они не уступают сталям, алюминиевым сплавам, титану, а по удельной прочности () при растяжении превосходит металлы.

ПРИМЕНЕНИЕ. Стеклопластики являются конструкционными материалами, применяяемыми для силовых изделий в различных отраслях техники: несущие детали летальных аппаратов, кузова и кабины автомашин, автоцистерны, железнодорожные вагоны, корпуса лодок, судов. Из стеклопластиков изготовляют корпуса машин, кожухи, защитные ограждения, вентиляционные трубы, контейнеры и др.

 

 

ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ (ГНП).

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура таких пластмасс образована твердым, реже эластичным полимером – связующим, которое образует стенки элементарных ячеек или пор с распределенной в них газовой фазой – наполнителем.

Такая структура пластмасс обуславливает некоторую общность их свойств:

ü черезвычайно малую массу;

ü высокие теплозвукоизоляционные характеристики.

В зависимости от физической структуры ГНП делят на:

ü пенопласты;

ü поропласты;

ü сотопласты.

Полимерные связующие могут быть как термореактивными, так и термопластичными. Для получения эластичных материалов вводят пластификаторы.

ПЕНОПЛАСТЫ – материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Объемная масса пенопластов колеблется от 20 до 300 кг/м³. Замкнуто-ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий – от 0,003 до 0,007 Вт/(м*К). Прочность пенопластов невысока и зависит от плотности материала.

Термопластичные пенопласты: пенополистирол (ПС) и пенополивинилхлорид (ПВХ), которые могут использоваться при температуре+- 60 ⁰С; пенополистирол радиопрозрачен.

Термореактивные на основе фенолформальдегидной смолы (ФФ) и фенолкаучуковые (ФК) пенопласты работают до температуры 120 – 160⁰ С. Введением в их состав алюминиевой пудры (ФК-20-А-20) удается повысить рабочую температуру пенопласта до 200-250⁰ С.

Пенопласт (К-40) на кремнийорганическом связующем, который кратковременно выдерживает температуру 300⁰С является термостойким и термостабильным материалом.

Пенополиуретан (ППУ) и пенополиэпоксиды (ПЭ), отличаются химической стойкостью, высокими электроизоляционными свойствами, низким водопоглощением. Они являются самовспенивающимися материалами.

ПРИМЕНЕНИЕ. Пенопласты применяют для теплоизоляции (кабин, контейнеров, приборов, холодильников, труб), в строительстве и при производстве труднозатопляемых изделий. ППУ и ПЭ используют для заливки деталей электронной аппаратуры. Пенопласт является легким заполнителем, повышает удельную прочность, жесткость и вибростойкость силовых элементов конструкций. Он используется в авиастроении, судостроении, на железнодорожном транспорте. Мягкие и эластичные пенопласты (типа поролона) применяют для амортизаторов, мягких сидений, губок.

Поропласты (губчатые материалы) с открытопористой структорой (газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей средой).

Кажущаяся плотность изменяется от 25-60 до 130 – 500 кг/м³.

Поропласты выпускают эластичными (ППУ-Э) – основа сложный полиэфир. ТПВФ (основа поливинилформали), обладает водопоглощением 400-700 % за 2 ч.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придается вид гофра, а затем листы гофра склеивают в виде пчелиных сот. Материалом служат различные ткани, которые пропитываются связующими (фенолформальдегидным, полиимидным).

ПРИМЕНЕНИЕ. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные 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 применяются для теплоизоляции сосудов в криогенной технике.

 

ЛЕКЦИЯ 5

План.

Карбоволокниты.

Бороволокниты.

Органоволокниты.

Композиционные материалы состоят из:

- матрицы, которая связывает композицию, придавая ей форму; – упрочнителя.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические мате­риалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили: эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная.

Углеродные матрицы коксованные или пироуглеродные получают син-тетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связы­вает композицию, придавая ей форму.

Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридок, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающее высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами)-20—30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты (они рассмотрены в гл. XXVII), карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующий, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

.

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 материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из 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 трехнаправленных.

 

2. КАРБОВОЛОКНИТЫ

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбовол окон)

Высокая энергия связи С—С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной среда до2200 ⁰ С), а так же при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролетическими)В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются свя­зующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6—2*5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов Ti O ₂ , Al N, Si ₃N ₄, что дает увеличение межслойной жесткости 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитическйй углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочняемые углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200⁰ С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.

Карбоволокнигы отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис. 224), сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материал за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ _изг. E изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5—2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков.

[ Карбостекловолокниты содержат наряду с уголными стеклянные волокна, что удешевляет материал.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволкнитов, 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, связывайя их.