Неметаллические и композиционные материалы

Пластмассами называют искусственные материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные принимать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Основным компонентом пластмасс, обеспечивающим работу всей композиции как единого целого, являются полимерные материалы, или смолы, представляющие собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа (несколько тысяч) мономерных звеньев.

Полимеры получают в результате синтеза из низкомолекулярных соединений методами полимеризации или поликонденсации.

Наиболее многочисленную группу соединений составляют органические полимеры, например, полиолефины, фторопласты, полиамиды, фенолформальдегидные смолы, полисилоксаны, эпоксидные смолы.

Основу неорганических полимерных материалов составляют соединения SiO₂, CaO, MgО, Al₂O₃ и др. Представителями таких полимеров являются силикатные стекла, керамика, асбест, слюда.

Свойства полимерных материалов определяются как их химическим составом, так и строением макромолекул. Присутствие в основных молекулярных цепях атомов других, кроме углерода, элементов сообщает полимеру те или иные специфические свойства. Например, фосфор и хлор повышают огнестойкость, атомы серы увеличивают газопроницаемость, кислород способствует повышению эластичности, фтор обеспечивает высокую химическую стойкость пластмасс.

По строению различают следующие основные типы макромолекул: линейные, разветвленные, ленточные, пространственные. Полимерные материалы с ленточной или разветвленной структурой макромолекул высокоэластичны. Они обладают термопластичностью, т.е. способностью обратимо размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении без участия химических реакций. Такие материалы называют термопластами. Процесс размягчения-затвердевания может протекать многократно.

Полимеры с ленточными и особенно с пространственными макромолекулами имеют повышенную тепловую и химическую стойкость. Образование подобной структуры и связанное с ним необратимое затвердевание материала протекает при участии химических реакций.Такие полимеры, а также пластмассы на их основе называют термореактивными (реактопласты). Перевести однажды затвердевшую термореактивную смолу в вязкотекучее или высокопластичное состояние нельзя. Пространственной (редкосетчатой) структурой обладают также резины – продукт вулканизации природного или синтетического полимера – каучука.

В зависимости от химического состава, строения макромолекул, надмолекулярной структуры (степени кристалличности) полимеры по электрическим и физическим свойствам могут быть полярными и неполярными. Пространственные положения центров тяжести положительного и отрицательного зарядов у полярной молекулы не совпадают. У неполярной молекулы скрепляющее ее электронное облако распределяется равномерно и центры тяжести разноименных зарядов находятся в одной точке. Полярные полимеры обладают повышенной жесткостью и теплостойкостью, высокой адгезионной способностью, пониженной морозостойкостью. Неполярные – являются высококачественными высокочастотными диэлектриками. Их свойства мало изменяются при понижении температуры. Они отличаются высокой морозостойкостью.

Наряду со связующим веществом большинство пластмасс содержат наполнители и добавки, улучшающие их технологические и эксплуатационные свойства. Наполнители придают пластмассовым изделиям высокую прочность, химическую стойкость, теплостойкость, улучшают диэлектрические качества, снижают (повышают) плотность, повышают фрикционные (антифрикционные) свойства и т. д. Наполнители могут быть как органическими, так и неорганическими веществами. По структуре наполнители бывают порошкообразными, волокнистыми, листовыми и газообразными. Пластмассы с ориентированным волокнистым наполнителем и с листовым наполнителем (слоистые пластмассы) обладают ярко выраженной анизотропией механических свойств. По виду наполнителей различают пластмассы ненаполненные (простые) и наполненные. К последним относятся материалы с наполнителями: порошкообразными (пресс-порошки и литьевые пластмассы); волокнистыми (волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты); листовыми (гетинаксы, текстолиты, асботекстолиты, древесно-слоистые пластики (ДСП), стеклотекстолиты); газообразными (пенно- и поропласты).

По назначению пластмассы подразделяют на ряд групп: конструкционные, электроизоляционные, химически стойкие, фрикционные, тепло- и звукоизоляционные, светотехнические и др.

Конструкционные пластмассы характеризуются высокими механическими свойствами. К ним относятся, например, ударопрочный полистирол, фенопласты, стеклопластики (стекловолокниты, стеклотекстолиты), используемые в нагруженных узлах и деталях конструкций. Стеклопластики на основе эпоксидных смол обладают высокими прочностными свойствами, на основе кремний органических смол (полисилоксанов) − высокой теплостойкостью.

Электроизоляционные материалы являются хорошими диэлектриками, это ‑ полиэтилены высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, полистирол, фторопласты (фторопласт-3 и фторопласт-4), гетинакс, текстолит. Их используют при изготовлении электроизолирующих и диэлектрических деталей, пленок, шлангов, изолирующих покрытий на металлах и т. д.

Химически стойкие пластмассы, например, фторопласт-4, полиэтилен, поливинилхлорид (винипласт), асбоволокниты способны сопротивляться действию влаги и различных химических соединенй. Из них изготавливают химическую аппаратуру, емкости, трубы, химически стойкие покрытия на металлах и др.

Фрикционные пластмассы обладают в условиях сухого трения высоким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. К ним относятся, например, асбоволокниты, асботекстолиты, асбокаучуковые материалы. Такие пластмассы работают в узлах, передающих кинетическую энергию (например, фрикционные диски муфт сцепления) или рассеивающих ее (например, накладки, колодки тормозных устройств).

Антифрикционные пластмассы имеют малый коэффициент трения и высокую износостойкость. В эту группу входят пластмассы, работающие в узлах трения. Высокими антифрикционными свойствами обладают, например, фторопласт-4, полиамиды (капрон), лавсан, текстолиты, древесно-слоистые пластики. Из пластмасс изготавливают вкладыши подшипников скольжения, зубчатые колеса и др. детали, образующие пары трения. Зубчатые колеса из текстолита работают бесшумно при частотах вращения до 30000 об/ мин, шестерни из ДСП могут передавать значительные нагрузки, сравнимые с деталями из цветных металлов.

Тепло- и звукоизоляционные пластмассы, например, пенополистирол, пенополиуретан,пенополиэпоксид, пенополисилоксан обладают низким коэффициентом теплопроводности, высокой звукопоглащающей способностью. Их используют для теплоизоляции холодильников, труб; тепло- и звукоизоляции кабин и др. Пластмассы применяют также в качестве легкого заполнителя силовых элементов конструкций; для изготовления труднозатопляемых изделий.

Светотехнические и оптические пластмассы применяют для изготовления оптических деталей и арматуры осветителей. Они стойки к воздействию света и обладают высокими оптическими свойствами. Например, полиметилметакрилат (органическое стекло) применяют для остекления автомобилей, судов, самолетов, для изготовления рассеивателей и других светотехнических изделий; из полистирола изготавливают прозрачные колпаки приборов, часовые стекла и т. п.

Декоративные пластмассы, например, гетинакс применяют для отделки (облицовки) мебели, салонов автобусов, самолетов, кабин судов, пассажирских железнодорожных вагонов, вагонов метро и др.

Под воздействием внешней среды полимерные материалы претерпевают необратимые изменения – стареют. При старении происходит деструкция и структурирование полимерных цепей, сопровождающиеся изменением физических, химических, механических характеристик пластмассы. Различают атмосферное, тепловое, радиационное и др. виды старения.

Разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока, называется абляцией. Абляционная стойкость определяется устойчивостью материала к механической, термической и термоокислительной деструкции.

Композиционные материалы – сложные материалы, состоящие из нерастворимых или малорастворимых друг в друге компонентов, сильно отличающихся по свойствам и разделенные в матрице ярко выраженной границей.

Свойства композиционных материалов зависят от свойств компонентов и характера связи между ними. В таких материалах проявляются достоинства каждого из компонентов, а также положительные свойства, которыми каждый из компонентов в отдельности обладает.

Основа (матрица) композиционного материала может быть металлической (композиционные материалы на металлической основе) и неметаллической (композиционные материалы на неметаллической основе). В качестве металлической основы широко применяют алюминий, магний, никель, титан, сталь. Неметаллическая основа может быть полимерной, углеродной, керамической.

Матрица объединяет все компоненты композиционного материала в единое целое. От свойств матричного материала зависят такие эксплуатационные свойства композиции, как рабочая температура, сопротивление воздействию окружающей среды, сопротивление усталостному разрушению.

В матрице равномерно распределены компоненты, наполняющие и упрочняющие композиционный материал – упрочнители и армирующие материалы. Упрочняющие компоненты должны обладать высокой прочностью, твердостью, модулем упругости. По этим характеристикам они должны значительно превосходить материал матрицы. По геометрическим параметрам армирующие материалы могут быть нульмерными, одномерными и двумерными.

Материалы, армированные нульмерными упрочнителями, называют дисперсно-упрочненными. В качестве дисперсных частиц чаще используют тугоплавкие оксиды, карбиды, нитриды, бориды (Al₂O₃, ThO₂, SiC, BN и др.). Изготавливают дисперсно-упрочненные материалы с металлической матрицей главным образом методом порошковой металлургии. При работе дисперсно-упрочненных материалов основную нагрузку воспринимает матрица. Дисперсные частицы, эффективно тормозя движение дислокаций, препятствуют развитию пластической деформации и, таким образом, упрочняют композиционный материал. Степень упрочнения определяется дисперсностью частиц и расстоянием между ними. Большое упрочнение достигается при размере частиц 0,01…0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05…0,5 мкм.

Среди дисперсно-упрочненных материалов широкое распространение получили, например, спеченные алюминиевые пудры (САП) – материалы с алюминиевой матрицей, упрочненные чешуйками Al₂O₃. Содержание оксида в САП находится, в зависимости от марки, в пределах 6…18 %. САП обладают прочностью до 400 МПа (САП-3), низкой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Длительная прочность σ₁₀₀ при температуре 500 ^ºС материалов САП-1 и САП-2 составляет 45…55 МПа. Наиболее высокую жаропрочность имеют материалы на основе никеля с 2…3 % двуокиси тория (ВДУ-1) или двуокиси гафния (ВДУ-2). При температуре 1200 ^ºС ВДУ-1 имеет σ₁₀₀ = 75 МПа, а σ₁₀₀₀ = 65 МПа.

Материалы с одномерными или одномерными и нульмерными наполнителями называют волокнистыми композиционными материалами. Упрочнителями в них могут быть проволока из металлов и сплавов (Mo, W, B, Ta, высокопрочная сталь), волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (С, В, SiС, А₂О₃, борсик – волокна бора с выращенными на них в целях улучшения сцепления с матрицей кристаллами карбида кремния и др.). В качестве матричных материалов могут выступать полимеры (эпоксидные, фенолформальдегидные, полиамидные и др. смолы), керамические и углеродистые материалы, металлы (Аl, Мg, Тi, Ni и др.). Например, материалы с алюминиевой матрицей армируют стальной проволокой (материалы КАС), борным волокном (материалы ВКА), углеродным волокном (материалы ВКУ).

При растяжении композиционного материала вдоль направления армирования нагрузку в основном воспринимают волокна, матрица же служит средой для передачи усилия. Чем больше соотношение Е_в/ Е_м (Е_в – модуль упругости волокна, Е_м – модуль упругости материала матрицы) и чем выше объемное содержание волокон, тем большая доля нагрузки приходится на волокна.

Временное сопротивление композиционного материала тем выше, чем больше в нем упрочняющего компонента. Однако, при очень малых (< 5%) и очень больших (> 80 %) содержаниях волокна наблюдается обратная зависимость.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для вузов. – М.: Машиностроение, 1993.– 448 с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка.– М.: Машиностроение, 1976.– 407 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов.– М.: Металлургия, 1986.– 542 с.

4. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Рахштадта.– М.: Металлургия, 1989.– 454 с.

5. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 1991.– 480 с.

6. Конструкционные материалы: Справ. / Под общ. ред. Б.Н.Арзама-сова.– М.: Машиностроение, 1990.– 688 с.

7. Материаловедение: Учеб. для вузов / Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова,

Г.Г.Мухин и др; Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова, Г.Г.Мухина.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.– 648 с.

8. Богодухов С.И., Гребенюк В.Ф., Синюхин А.В. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие.– М.: Машиностроение, 2003.– 256 с.

 

Учебное издание

 

Дорофеев Юрий Григорьевич

Устименко Валентина Ивановна

Червоный Владимир Андреевич

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Редактор Л.Ф.Некрасова

 

Южно-Российский государственный технический университет

Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ

Типография ЮРГТУ

Адрес университета и типографии

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132