Эффективность применения полимеров

Современные полимерные материалы все шире применяются в технике из-за их высоких свойств и технологичности. Так например, для изготовления детали из металла требуется сделать отливку, отрезать, обточить, отшлифовать, термоотбработать и т.д. Весь процесс может включать от 30 до 50 технологических операций. В случае изготовления детали из пластмассы зачастую достаточно одной операции формовки, после которой получается готовое изделие. В итоге трудоемкость изготовления снижается в 3-5 раз, стоимость деталей в 4-10 раз, масса в 4-5раз. Поэтому в настоящее время пластмассы составляют 10-25% веса самолетов и 20-50% веса ракет, и эта доля продолжает увеличиваться.

 

Контрольные вопросы

1. Каковы основные элементы, входящие в состав органических материалов?

2. Структура молекул полимеров.

3. Термомеханические кривые полимеров.

4. Приведите примеры термопластов.

5. Каковы характерные свойства реактопластов?

6. Перечислите цели использования наполнителей полимеров.

7. Перечислите преимущества при применении полимерных материалов.

 

Неорганические конструкционные материалы

Примерами неорганических материалов являются графит, стекло, керамика, оксиды металлов и неметаллов и т.п. В их состав могут входит практически все элементы периодической системы Менделеева и всевозможные их соединения. Среди положительных качеств неорганических материалов можно назвать тепло- и химическую стойкость, высокую твердость и прочность, неорганические материалы обычно негорючи, многие огнеупорны, в отличие от органических материалов не подвержены старению. Но в то же время эти материалы, как правило, хрупкие, «боятся» резких скачков температур, довольно плотные, и прочность на растяжение в несколько раз ниже прочности на сжатие. Рассмотрим подробнее свойства некоторых неорганических материалов.

Графит

Графит – это материал состоящий из атомов углерода С, которые образуют слоистый кристалл (рис. 56.). Четыре электрона на внешней оболочке углерода образуют три ковалентные связи и одну металлическую. Прочные ковалентные связи объединяют атомы в атомные плоскости. Вследствие этого прочность кристалла графита вдоль этих атомных плоскостей очень высокая. Между собой атомные плоскости связаны слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами. Отсюда прочность графита перпендикулярно атомным плоскостям весьма малая. Одна металлическая связь придает ему хорошую электропроводность.

Такое необычное строение кристалла приводит к очень интересным сочетаниям свойств графита. Он сильно анизотропен: длина ковалентной связи , а расстояние между атомными плоскостями намного больше и составляет . Вследствие прочности ковалентных связей температура плавления графита чрезвычайно высока . Графит является абсолютным рекордсменом термостойкости среди всех существующих материалов. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех физических свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях.

Графит встречается в природе в естественном виде, а также получается искусственным путем (технический и пиролитический графит). Потребительские качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, непрочен, его свойства почти изотропны. Используется только в качестве антифрикционного материала. Более чистый технический графит получают из нефтяного кокса и каменноугольного пека при нагреве до температуры . Степень анизотропии его свойств достигает значения 3:1. Ещё более качественный графит получают в результате реакции пиролиза углеводородов (метана). Атомы углерода осаждаются на нагретых до температуры поверхностях, изготовленных из технического графита или керамики. После охлаждения и кристаллизации получается пиролитический графит. В этом случае степень анизотропии свойств достигает значения 100:1 и более. Его свойства приведены в табл. 12.

Таблица 12.

Свойства пиролитического графита

			a, 10^–6 1/К
Растяжение	Сжатие
	//		//		//		//
2000–2200	–							0,023

 

где r – плотность, s _в – прочность, l – коэффициент теплопроводности, a – коэффициент теплового расширения.

 

Как видно, один и тот же материал обладает совершенно разными свойствами по разным направлениям. Например, если его сориентировать перпендикулярно атомным слоям, то это будет теплоизолятор, а если параллельно – теплопроводник.

Проводящие свойства графита используются при изготовлении из него щеток электродвигателей, генераторов. Теплостойкость – при изготовлении сильно нагревающихся деталей конструкций летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах. Из-за малого коэффициента трения графит используют в качестве антифрикционного материала, твердой смазки, которая сохраняет свойства при высоких температурах и при сильном охлаждении. Прочные углеграфитовые волокна добавляют в качестве наполнителя в композиционные материалы.

Стекло

Стекло представляет собой затвердевший высоковязкий раствор оксидов кремния (Si), бора (B), фосфора (P) и других элементов. Кроме того, для придания дополнительных качеств в состав стекла добавляют металлы и их оксиды: Na, K, Al, Fe, Pb и др. Важнейшим отличительным качеством стекла является его прозрачность.

Стекло, в отличие от кристалла, имеет беспорядочную структуру, которую называют аморфным состоянием (рис. 57). При нагреве стекло плавится не сразу, а постепенно, размягчаясь все больше и больше, вплоть до жидкого состояния. Т.е. переход из твердого состояния в жидкое происходит в широком температурном интервале. При температуре ниже t_c, называемой температурой стеклования, аморфный материал ведёт себя как хрупкое твердое тело. При превышении температуры t_c стекло переходит в вязкое пластичное состояние. В таком состоянии проводят формовку стеклянных изделий на производстве. При дальнейшем повышении температуры выше t_р, называемой температурой размягчения, стекло уже переходит в жидкое состояние.

Обычное стекло, которое часто встречается в повседневной жизни, в основе состоит из оксида кремния (), и поэтому называется силикатным стеклом. Рассмотрим его свойства. Для силикатного стекла температура стеклования , температура размягчения .

Стекло выпускают различное по химическому составу и по свойствам. В зависимости от назначения различают стекло техническое, строительное и бытовое. Технические стёкла идут на изготовление оптических приборов, линз, отражателей, подложек, химической лабораторной посуды, труб, светотехнических приборов и пр. Из строительного делают оконные стекла, витрины, стеклоблоки, облицовку. Из бытового стекла производят всевозможную посуду, стеклотару, бытовые зеркала и пр. Механические свойства, характерные для стёкол, приведены в табл. 13.

Таблица 13.

Механические свойства стекол

		Твердость по Моосу		Термостой-кость,
Растяжение	Сжатие
2200 – 6500	30-40	500-2000	5-7 (10 у алмаза)		90-170

Ввиду того, что прочность на растяжение сильно отличается от прочности на сжатие, изготавливают так называемое закаленное стекло. Закалка заключается в нагреве стекла до температуры выше температуры стеклования и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. За счет закалки поверхностные слои испытывают сжимающие напряжения, из-за чего прочность стекла увеличивается в 3–6 раз. Его применяют, например, для изготовления стёкол автомобиля. Если лобовое стекло будет сделано из простого стекла, то при аварии стекло разобьется на крупные части, и каждая из них острыми краями будет срезать все на своем пути. Если же поставить закаленное стекло, то при аварии оно распадается на мелкие осколки из-за больших напряжений на поверхности. В результате мелкие осколки нанесут намного меньше вреда. Сегодня при изготовлении лобовых стекол применяют два закаленных стекла, между которыми находится слой полимера, который не дает разлететься в разные стороны осколкам стекла. Такое безопасное стекло называют триплекс.

Производят стекло также в виде волокон – стекловата. Это отличный теплоизолятор, которые выдерживает нагрев до 400^оС, не боится сырости, грызунов, паразитов. Стекловату применяют для тепло– и шумо– изоляции кабин самолетов, кузовов автомобилей, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, ею теплоизолируют различные трубопроводы и т. д.

Стекло с добавками оксида свинца получается очень плотным 8000 кг/м³, оно не пропускает рентгеновское и g– излучение. Из него делают смотровые окна для рентгеновских аппаратов, манипуляторов для работы с радиоактивными препаратами. Примесь оксида железа придает стеклу способность поглощать инфракрасное излучение, такое стекло необходимо для работы в горячих цехах, литейных и прокатных производствах.

Необычны свойства так называемого кварцевого стекла, которое состоит из чистого оксида кремния SiO₂. Оно имеет аномально низкий коэффициент теплового расширения 0,5×10^–6 1/К. Вследствие этого кварцевое стекло обладает огромной термостойкостью. Под этим свойством подразумевают способность материала выдерживать перепады температуры при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол это около 100^оС, а у кварцевого 800–1000 ^оС. Кроме того, оно характеризуется высокой химической стойкостью, поэтому из него изготавливают лабораторную посуду, тигли для плавки металлов, формы для точного литья.

 

Ситаллы

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации с помощью добавок катализаторов. В результате доля кристаллической фазы составляет 30–90%, размеры кристалликов 1–2 мкм). Термин ситаллы образован комбинацией слов: стекло и кристаллы. Еще их называют стеклокерамикой или пирокерамами.

Ситаллы подразделяют на фотоситаллы и термоситаллы. Фотоситаллы кристаллизуются под действием света. Они чувствительны к свету, соответственно, там, где произошло облучение, произойдет кристаллизация, а в других местах нет. Термоситаллы кристаллизуются под действием нагрева.

Механические свойства ситаллов весьма высоки (табл. 14).

Таблица 14.

Свойства ситаллов

		Твердость, МПа	Жаропроч­ность, ^оС		Термостойкость, ^оС
Растяже­ние	Сжатие
2400-3000	110-160	700-2000	7000-10500	800-1200	0,7-12	500-900

Как видно из таблицы, плотность ситалла как у алюминиевых сплавов, твердость как у закаленной углеродистой стали, при этом он обладает высокой термостойкостью и химической стойкостью как у кварцевого стекла. Это прекрасный стабильный диэлектрик. Ввиду такого уникального сочетания свойств (очень легкий и при этом очень твердый и прочный) ситаллы находят всё более широкое применение.

Из ситаллов изготавливают обтекатели радиоантенн летательных аппаратов, лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей; подшипники, детали двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности. Их используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур и коррозии. Они применяются при изготовления калибров, оснований точных приборов, подложек микросхем.

Фотоситаллы используют для изготовления фильер (пластины, в которых проделаны небольшие отверстия) для вытягивания синтетических волокон. Для этого на пластинке засвечиваются те участки, которые должны быть закристаллизованы. Соответственно те области, на которые не попал свет, остаются в аморфном состоянии. Затем с помощью специальной жидкости–травителя растворяют аморфную фазу. В результате на очень твердой пластинке получаются отверстия нужной формы и размера. Затем через эти отверстия выдавливают синтетическое волокно.

 

Керамика

Керамика — неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200—2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот термин применяется к широкому кругу материалов с разнообразным химическим составом. В результате обжига или спекания формируется структура материала, состоящая из кристаллической и аморфной фазы, с газовыми включениями или порами. В результате изделия приобретают необходи­мые физико-механические свойства.

Кристаллическая фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Аморфная фаза в количестве 1—10 % находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Стеклообразующие компоненты (или глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По количеству этой фазы керамику подразделяют на плотную и пористую. Наличие пор как правило нежела­тельно, так как снижается механическая прочность и другие свойства материала.

Большинство видов технической керамики обла­дает плотной спекшейся структурой поликристаллического строе­ния.

По химическому составу керамику подразделяют на две большие группы: оксидная и бескислородная керамика.

Керамика на основе оксидов

В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А1₂О₃ (ко­рунд), SiO₂, ZrO₂, MgO, CaO, BeO и др. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому такую керамику относят к классу высокоогнеупоров. Оксиды химически стабильные соединения, не подверженные дальнейшему окислению при нагреве. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает значительно большей прочностью при сжатии, по сравнению с проч­ностью при растяжении или изгибе.

Корундовая керамика (на основе А1₂О₃) обладает чрезвычайной проч­ностью, которая сохраняется при высоких температурах. По прочности корунд занимает второе место, уступая только алмазу. Керамика хими­чески стойка, является отличным диэлектриком. Другие её свойства приведены в табл.15.

 

 

Таблица 15.

Свойства корундовой керамики.

		Твердость, HRA	Жаропрочность, ^оС
Сжатие

Изделия из корундовой керамики широко применяют во многих областях техники. В электротехнике из неё изготавливают изоляторы, диэлектрические основания, платы. В машиностроении делают высокоскоростные резцы, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвей­еров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания и т.д.. Керамику с плотной структурой используют в вакуумной технике, пористую – как термоизоляционный материал. В ко­рундовых тиглях проводят плавку металлов.

Керамика на основе оксида циркония (ZrO₂) может работать до температуры 2200°С, имеет малую теплопроводность. Она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве теплозащитных покрытий металлов.

Керамика на основе оксида бериллия (BeO),напротив,отличается высокой тепло­проводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Проч­ность материала невысокая. Применяется для изготовления тиглей для плавки металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Бескислородная керамика

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом — карбиды, с бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с серой — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500—3500°С), твердостью (иногда как у алмаза), износостойкостью и химической стойкостью по отноше­нию к агрессивным средам. Их недостатком является хруп­кость. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900—1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300—1700°С.

Карбиды. Широкое применение получила керамика из карбида кремния — карборунд (SiC). Он обладает полупроводниковыми свойствами, высокой жаростойкостью до 1600°С, твердостью, устойчивостью к кислотам. При подключении к нему электрического напряжения протекает значительный ток, и материал греется. Этот эффект используют для изготовления нагревательных стержней из карбокорунда.

Карбид бора B₄C – легкий и прочный материал, используется как керамическая броня для бронежилетов. Слой 6 мм по эффективности защиты заменяет 10 мм металлической брони, при этом сам жилет становится в 4 раза легче.

Силициды тоже полупроводники, отличаются окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Например, дисилицид молибдена MoSi₂ используется в качестве электронагревателя в печах, который стабильно работает в течение нескольких тысяч часов при температуре 1700°С. Из такой керамики изготовливают лопатки газовых турбин, сопло­вые вкладыши реактивных двигателей; её применяют для защитных покрытий туго­плавких металлов от окисления при высоких температурах.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая. Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB₂, ZrB₂ и др.). Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его исполь­зуют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000°С в агрессивной среде. Покрытия из боридов сильно повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются огнеупорными материалами, имеют низкие теплопроводность и электро­проводность. Так нитрид бор (эльбор) очень твердый и прочный материал, это заменитель алмаза. Но алмаз стоек к окислению при нагреве до 800°С, а эльбор – до 2000°С. Другой материал нитрид кремния Si₃N₄ устойчив к окислению до 1600°С, очень прочен, обладает малой плотностью. Этот материал рекордсмен по удельной прочности при высоких температурах. При этом он в несколько раз дешевле жаропрочных металлических сплавов. Из него изготавливают керамические детали для двигателей внутреннего сгорания, работающие в условиях нагрева: поршни и цилиндры.

 

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры неорганических материалов.

2. Каков основной химический состав силикатного стекла?

3. Свойства стекла.

4. Что такое ситаллы?

5. Какие материалы называют керамикой?

6. Каков фазовый состав керамики?

Композиционные материалы

Композиционными называют материалы, состоящие из двух (и более) разнородных материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами. Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.