Волокнисті і текстильні матеріали

Волокнисті матеріали – це матеріали, що утворюються з часток видовженої форми (волокон). В волокнистих матеріалах типу дерева, паперу, картону волокниста структура розрізняється під мікроскопом.

Перевагами волокнистих матеріалів є відносна дешевизна, достатня механічна міцність і гнучкість, зручність обробки. Загальними недоліками є невисока електрична міцність і питома теплопровідність (через наявність проміжків між волокнами, заповненими повітрям), значна гігроскопічність. Властивості волокнистих матеріалів істотно поліпшуються просоченням.

Більша частина вироблених волокон - це матеріали органічного складу. До них належать матеріали рослинного походження (дерево, бавовняне волокно, папір і ін., що складаються в основному з целюлози), тваринного походження (шовк), штучні волокна, одержувані шляхом хімічної переробки природного волокнистої сировини, синтетичні волокна, що виготовляються з синтетичних полімерів.

Текстильні матеріали виробляють методами прядіння з довговолокнистої сировини. За інших рівних умов текстильні матеріали (тканини, стрічки) мають більш високу механічну міцність, ніж волокнисті, особливо при перегині і при стиранні, але просочені вироби з них дорожче і мають нижчу електричну міцністю, ніж просочений папір. В електроізоляційній техніці пряжу (тобто нитки, скручені з окремих волокон) застосовують для ізоляції дротів і шнурів шляхом обмотки й обплетення. Тканини і стрічки звичайно використовують для захисту основної ізоляції електричних машин і апаратів від зовнішніх механічних впливів. Тканини використовують також у виробництві лакотканей і шаруватих пластиків типу текстоліту. Текстильні матеріали використовують також як елементи фільтрів.

В техніці застосовують переважно бавовняні тканини і стрічки простого полотняного переплетення, натуральний і штучний шовк, а також синтетичні волокнисті матеріали.

Натуральний шовк – електроізоляційні шовкові тканини мають товщину 0,07-0,08 мм, завдяки чому їхнє застосування дає можливість одержувати більш тонку ізоляцію, ніж з бавовни, однак шовк дорожче бавовняного волокна. Штучний шовк – основні типи штучного шовку (віскозний і ацетатний) є результатом переробки ефірів целюлози. На відміну від вихідної целюлози (клітковини) її ефіри мають гарну розчинність у відповідних розчинниках і дозволяють виготовляти з них тонкі нитки при видавлюванні розчинів через отвори (філ’єри) малого діаметра. До синтетичних волокнистих матеріалів відносять поліетилентерефталат (лавсан, терилен, терин, дакрон і ін.), поліамід (капрон, дедерон, найлон, анід і ін.), поліетиленові, полістирольні, полівінілхлоридні (хлорин і ін.) і політетрафторетиленові волокна.

Для зміцнення тканини її можна просочити лаком. Лакотканина – гнучкий електроізоляційний матеріал, що представляє собою тканину, просочену електроізоляційним лаком. Тканина забезпечує значну механічну міцність, а лакова плівка - електричну міцність матеріалу і захист від зволоження. Як основу для виготовлення лакотканин найчастіше застосовують бавовняну тканину (перкаль) або ж тонку шовкову тканину (ексельсіор).

 

КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

Композиційний матеріал (композит, КМ) - штучно створений неоднорідний матеріал, що складається з двох або більше компонентів з чіткою межею розділу між ними. У більшості композитів (за винятком шаруватих пластиків) компоненти можна розділити на матрицю і включені в неї армуючі елементи. У композитах конструкційного призначення армуючі елементи зазвичай забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу (міцність, жорсткість і т. д.), а матриця (чи зв’язуюче) забезпечує спільну роботу армуючих елементів і захист їх від механічних ушкоджень і агресивного хімічного середовища.

Композит дозволяє отримати поєднання різних властивостей: високу питому міцність і жорсткість, жароміцність, зносостійкість, необхідні теплові властивості та ін. Властивості композиту залежать від властивостей основи, наповнювачів і міцності зв'язку між ними.

За видом армуючого наповнювача композити поділяють на шаруваті пластики, волокнисті (армуючий компонент - волокнисті структури) і наповнені пластики (армуючий компонент - частки).

У наповнені пластики (рис. 6.1, а) штучно вводять дрібні рівномірно розподілені тугоплавкі частки карбідів, оксидів, нітридів та ін., що не взаємодіють з матрицею і не розчиняються в ній аж до температури плавлення фаз. Чим дрібніші частки наповнювача і менше відстань між ними, тим міцніше пластик. Дисперсні частки наповнювача зміцнюють матеріал за рахунок опору руху дислокацій при деформуванні. Наповнені пластики відрізняються високою термостійкістю і опором повзучості.

Арматурою у волокнистих композитах (рис. 6.1, б) є волокна різної форми: нитки, стрічки, сітки, текстиль. Армування волокнистих композитів може здійснюватися за одновісною, двовісною і тривісною схемою (рис. 6.2).Міцність і жорсткість таких матеріалів визначається властивостями армуючих волокон, що сприймають навантаження.

Шаруваті пластики (рис. 6.1, в) набираються з шарів наповнювача і зв’язуючого, що чергуються. Шари наповнювача в таких композитах можуть мати різну орієнтацію. Можливе почергове використання шарів наповнювача з різних матеріалів з різними механічними властивостями. Для шаруватих композицій зазвичай використовують неметалічні матеріали.

 

ШАРУВАТІ ПЛАСТМАСИ

Велику групу реактопластів складають шаруваті пластмаси, які містять листові наповнювачі, укладені шарами. В якості наповнювачів для шаруватих пластиків використовують матеріали органічного (папір, картон, бавовняні тканини, деревний шпон, тканини з синтетичних волокон) і неорганічного (азбестовий папір, скляну тканину, тканину з кварцевих або кремнеземних волокон) походження. Залежно від виду наповнювача розрізняють наступні шаруваті пластики: гетинакс, текстоліт, склотекстоліт, деревношаруваті пластики. Зв’язуючим у шаруватих пластиків є фенолформальдегідні, епоксидні, кремнійорганічні і деякі інші смоли.

Властивості шаруватих пластиків залежать від співвідношення компонентів (наповнювача і зв’язуючого), режимів пресування і термообробки і інших технологічних чинників. Завдяки шаруватому розташуванню армуючого наповнювача шаруваті пластики мають анізотропію механічних, фізичних і діелектричних властивостей.

Механічні властивості шаруватих пластиків визначаються передусім видом наповнювача. Найбільшу механічну міцність мають шаруваті пластики на основі скляної тканини або скляних джгутів. Ці матеріали а також шаруваті пластики на основі асбоволокнистих наповнювачів мають вищу теплостійкість в порівнянні з теплостійкістю пластиків на основі органічних наповнювачів.

Фізичні і діелектричні властивості шаруватих пластиків залежать головним чином від типу зв’язуючого.

Гетинакс – пластик на основі паперу – застосовується в якості електроізоляційного матеріалу, що здатен витримувати температури від -65 до +105°С, а також як конструкційний і декоративний матеріал. Гетинакс застосовують в електричних машинах, трансформаторах (в якості високовольтної ізоляції), при виробництві телефонної арматури, в радіотехніці (для виготовлення друкарських схем). З гетинаксу виготовляють панелі, щитки, прокладки, кришки, шайби, малонавантажені вироби і т. д.

Текстоліт – пластик на основі бавовняної тканини. Дорожчий за гетинакс, але має вищі електричні і механічні властивості. Застосовується для виготовлення різних конструкційних деталей, електроізоляційного матеріалу, вкладишів підшипників прокатного устаткування, прокладок, герметизуючих фланцевих з'єднань. Текстолитові деталі можуть працювати не лише в повітряному середовищі, але і в маслі, гасі або бензині і т. д. Текстоліт виготовляють у вигляді листів, плит, стержнів і трубок. Температура експлуатації виробів з текстоліту від -60 до +60°С.

Склотекстоліт – пластик на основі тканинних скловолокнистих матеріалів. Вони характеризуються високою тепло- і холодностійкістю, стійкістю до дії окислювачів і інших хімічно активних реагентів, високими механічними властивостями. Склотекстоліт застосовують для виготовлення великогабаритних виробів, радіотехнічних і електроізоляційних деталей, що здатні тривалий час витримувати температуру до 200°С і короткий час – до 250°С. Склопластик є конструкційним матеріалом, що застосовується для виготовлення силових елементів у різних галузях техніки (деталей літальних апаратів, кузовів і кабін машин, залізничних вагонів, корпусів човнів, суден і т. п.).

Деревно-стружкові пластики (ДСП) використовують при виготовленні меблів, для внутрішнього облицювання пасажирських потягів, суден, літаків, у будівництві - в якості облицювального матеріалу. ДСП зазвичай виготовляють у формі плит або тонких листів. Їх отримують гарячим пресуванням лущеної деревини, просоченої полімерним зв’язуючим. ДСП має хороші антифрикційні властивості. В деяких випадках вони замінюють високоолов'янисту бронзу, бабіт, текстоліт. Хімічна стійкість ДСП не дуже висока, але вища, ніж у звичайної деревини. Теплостійкість ДСП досягає 140°С. Недоліком ДСП є набрякання, зумовлене поглинанням води.

 

ВОЛОКНИСТІ КОМПОЗИТИ

Волокнисті композити – це реактопласти з волокнистими наповнювачами, що складаються з зв’язуючого (смоли) і волокнистого наповнювача у вигляді необробленої бавовни (волокніти), азбесту (асбоволокніти), скловолокна (скловолокніти), вуглецевого волокна.

Волокніти застосовують для виготовлення деталей з підвищеною стійкістю до ударних навантажень, працюючих на згин і кручення (втулок, шківів, маховиків та ін.).

Волокніти використовуються для виготовлення шківів, маховиків, втулок, дисків, кожухів, деталі з підвищеними антифрикційними влативостями. Асбоволокніти мають хороші фрикційні властивості і теплостійкість, але за водостійкістю і діелектричним властивостям поступаються пластмасам з порошковим наповнювачем.

Скловолокніти негорючі, стійки до дії ультрафіолетових променів хімічно стійки, мають стабільні розміри. Деякі марки скловолокнітів застосовуються для виготовлення силових електротехнічних деталей в машинобудуванні, а також великогабаритних виробів простих форм (кузовів автомашин, човнів, корпусів приладів і т. п.). Скловолокніти мають високі фізико-механічні характеристики і застосовуються для виготовлення деталей високого класу точності і складної конфігурації. Можуть працювати при температурах від -60 до +200°С, границя міцності при розтягу досягає 500 МПа.

В якості зв’язуючого у волокнітах і скловолокнітах застосовуються поліестерові і епоксидні смоли.

Композитні матеріали на основі вуглецевого волокна утворюють, використовуючи в якості зв’язуючого епоксидну, кремнійорганічну і інші смоли. Конструкційні вуглепласти мають унікальні властивості завдяки особливим властивостям вуглеволокна. Вуглецеве волокно - матеріал, що складається з тонких ниток діаметром від 5 до 15 мкм, утворюваних переважно атомами вуглецю. Вуглецеві волокна характеризуються великою міцністю (0,5-1 ГПа, а при орієнаційній витяжці – 2,5-3,5 ГПа), низькою густиною (1,7-1,9 г/см³), низьким коефіцієнтом температурного розширення і хімічною інертністю. Вуглецеве волокно має високу теплостійкість, витримуючи температуру до 2000°С у відсутності кисню. Їх гранична температура експлуатації в повітряному середовищі складає 300-350°С. Питома міцність вуглецевого волокна поступається лише питомій міцності скловолокна.

Вуглецеве волокно застосовують для армування композиційних теплозахисних і хімічно стійких пластиків. Такі пластики здатні витримувати жорсткіші температурні умови, ніж звичайні пластики. Найбільш місткий ринок для вуглепластиків – це виробництво силових конструкцій в літаках "Боїнг" і "Аеробус" (до 30 тонн на одно виріб), в автомобілебудуванні для виготовлення деталей кузова.

Вуглепластик на основі епоксидної смоли використовуються з кевларовим волокном - матеріалом для створення бронежилетів. Кевлар - поліпарафенілен-терефталамідне волокно, що випускається фірмою DuPont, має надзвичайно високу міцність: s_в= 3620 МПа.

Вуглецеве волокно застосовують для фільтрації агресивних середовищ, очищення газів. Змінюючи умови термообробки можна отримати вуглецеве волокно з різними електрофізичними властивостями (питомий об'ємний електричний опір від 2´10^-3 до 10⁶ Ом/см), з якого виготовляють електроди, термопари, екрани, що поглинають електромагнітне випромінювання, вироби для електро- і радіотехніки. На основі вуглецевого волокна отримують жорсткі і гнучкі електронагрівачі, у тому числі для обігріву одягу і взуття.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке волокнисті матеріали?

2. Назвіть найбільш вживані текстильні матеріали і охарактеризуйте їх.

4. Що таке композиційні матеріали, де і чому вони застосовується?

5. Назвіть основні види шаруватих пластиків і дайте їм характеристику.

6. Що таке волокнисті композити, де і чому вони використовуються?

 

ЛЕКЦІЯ 7. СКЛО І ВИРОБИ ЗІ СКЛА

 

Скло як технічний матеріал широко використовується в різних областях техніки і народного господарства. Це пояснюється сприятливим поєднанням фізико-хімічних і механічних властивостей, можливістю змінювати ці властивості в широких межах залежно від складу скла і способів термічної обробки, а також здатністю скла легко піддаватися різним способам гарячої і холодної обробки.

Скло є неорганічною аморфною речовиною, що утворюється з розплаву різних оксидів. Скло може складатися з оксидів трьох типів:склоутворюючих, модифікуючих і проміжних.

Склоутворюючими, тобто основими у складі скла, є оксиди кремнію, бору, фосфору, германію, телуру (SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂, TeO₂). До модифікуючих оксидів, введення яких знижує температуру плавлення скла і істотно змінює його властивості, відносять оксиди лужних (Na, К) і лужноземельних (Са, Mg, Ba) металів. Проміжними є оксиди алюмінію, свинцю, титану, заліза; вони можуть заміщати частину стеклоутворюючих оксидів.

Склоутворюючий каркас скла є безперервними просторовими гратами, у вузлах якої розташовані іони, атоми або групи атомів (рис. 7.1). Структура і властивості скла визначаються його хімічним складом, умовами варіння, охолодження і термічної обробки. Хімічний склад скла, а, отже, і його властивості, можна змінювати в широких межах.

За хімічним складом залежно від природи склоутворюючих оксидів розрізняють наступні види скла: силікатне; алюмосилікатне; боросилікатне; алюмоборосилікатне і інші. За вмістом модифікаторів скло може бути лужним і безлужним

За призначенням скло поділяють на: будівельне (віконне, склоблоки);
технічне (оптичне, електротехнічне, хімічне та ін.); побутове (склотара, посуд).

Скло - термопластичний матеріал. При нагріванні воно поступово розм'якшується і переходить у рідкий стан. Плавлення відбувається в температурному інтервалі, який залежить від хімічного складу скла. Як і інші аморфні речовини, скло не має різко вираженої температури плавлення. Температура розм'якшення для різних типів скла знаходиться в межах від 400 до 1600°С. Нижче температури склування (Т_с) скло стає крихким. Для звичайного силікатного скла Т_с = 425-600°С. Вироби з скла виготовляють при температурах, вищих за температуру склування.

Густина скла становить від 2,2 до 8,1 г/см³. Скло високої густини містить значні кількості оксидів свинцю і барію. Важке скло -скло з високим вмістом свинцю (кришталі, флінти).

Скло - жорсткий, твердий, але дуже крихкий матеріал. Міцність скла при стискаючому навантаженні порівняна з міцністю сталей, а міцність при розтягуванні – майже на порядок менше: при стискаючому навантаженні s_в=400-2000 МПа, при розтягуванні s_в=30-90 МПа і при згинанні s_в=50-150 МПа. Найвищу міцність має безлужне і кварцеве скло.

При ударі скло руйнується без помітної пластичної деформації і тому відноситься до практично ідеально крихких матеріалів (разом з алмазом і кварцем). Ударна в'язкість силікатного скла в 100 разів менша, ніж у сталі. Введення до складу скла бору підвищує його ударну міцність майже удвічі.

Теплопровідність скла незначна і для різних його типів складає від 0,711 до 13,39 Вт/(мK). Теплопровідність віконного скла 0,96 Вт/(мK).

Механічну міцність скла можна суттєво збільшити термічною обробкою (гартуванням) і хімічною обробкою. Гартування скла полягає в нагріванні до температур, близьких до точки розм'якшення, і швидкому рівномірному охолодженні поверхні в потоці повітря або в маслі. При цьому в поверхневих шарах виникаєють стискаючі напруження, які збільшують міцність скла у 2…4 рази. Хімічна обробка полягає у протравленні поверхневого шару розчином плавикової кислоти, яка видаляє поверхневі дефекти. Ще більший ефект досягається при комбінованій хіміко-термічній обробці.

Перевагою скла є його прозорість у видимому діапазоні довжин хвиль світла. Звичайне листове скло пропускає до 90%, відбиває близько 8% і поглинає біля 1% видимого світла. Ультрафіолетові промені майже повністю поглинаються силікатним склом.

Скло має високу хімічну стійкість в агресивних середовищах (за винятком плавикової кислоти і лугів). Вода поступово руйнує скло внаслідок утворення лужних розчинів. Гідролітична стійкість (стійкість до дії вологи) оцінюється за кількістю складових частин скла, що переходять у розчин з одиниці поверхні скла при тривалому контакті з водою. Розчинність скла збільшується при зростанні температури і концентрації лужних оксидів у склі. Найвищу гідролітичну стійкість має кварцове скло.

Скло є термостійким матеріалом, який може працювати до температури склування. Недоліком скла є те, що при швидкому нагріванні або охолодженні скла (термоударі) виникають температурні напруження, які призводять до його розтріскування і руйнування. Тонкостінні скляні вироби більш стійкі до різкої зміни температур, ніж товстостінні.