Материалы для атомной энергетики

Атомный реактор состоит из следующих частей:

1) активная зона с тепловыделяющими элементами (ТЭВЛ) и технологические каналы с теплоносителем для удаления тепла. Для ТЭВЛов требуется 235 U, 233U, 239U; U238 и Тh232;

2) поглощающие элементы (ПЭЛ) или стержни для регулирования мощности и аварийной защиты;

3) замедлители атомных реакций;

4) отражатели нейтронов;

5) биологическая защита.

 

ТЭВЛы изготавливаются из окислов урана или сплавов с тугоплавкими материалами, тория, плутония. Порошки прессуют, получают таблетки и вставляют в оболочку из нержавеющей стали.

Технологические каналы изготавливаются из Х18Н10Т, Al и его сплавов, Mg и его сплавов, графита разных марок, Nb, Mo, Ni, Be.

Поглощающие элементы изготавливают из B, Cd, HF, PЗМ.

Замедлитель, отражатель изготавливаются из графита в сочетании с Be; Be в сочетании с тяжелой водой, графитом, Al.

В качестве теплоносителя используется H₂O, воздух, гелий; расплавленные металлы Na, Nа - K, Hg, Pb, Bi расплавленные соли.

Биологическая защита из воды, металлов (Pb, Ba, Mn, Fe), B(бор) для поглощения нейтронов.

Ферриты

Это магнитные полупроводники ионного строения на основе окиси железа и часто других металлов (антиферромагнетики или ферромагнетики).

Они делятся на:

- феррошпинели MgO Al₂ O₃ c кубической решеткой;

- феррогранаты [Ca₃ Al₂ (Si O₂) ₃ ] c объемно центрированной кубической решеткой;

- гексоферриты (PbFe_1,5 Mn_3,5 Al _0,5 Ti _0,5 O₁₉) гексагональная решетка;

- ортоферриты (Ca Ti O₃) орторомбическая структура.

Получают ферриты из чистых порошкообразных оксидов. Окислы можно получать из углекислых, азотнокислых солей.

Выпускают магнитотвердые, магнитомягкие ферриты с разными петлями гистерезиса.

Наиболее распространенные ферриты:

– иттриевые, феррогранаты, литиевые, магний - марганцевые; никелевые; бариевые; кобальтовые, стронциевые ферриты.

- магнитомягкие ферриты используются в катушках индуктивности, магнитных антеннах, дросселях; в электронно-вычислительной технике. Свыше 80% мини ЭВМ изготавливают с применением ферритов;

- магнитотвердые ферриты используются в электрических машинах, электронных приборах, магнитных систем ламп бегущей строки, магнитных линзах, генераторах, магнитных сепараторах, электромуфтах, тормозах.

 

9 Неметаллические материалы

 

9.1 Общие вопросы

К неметаллическим материалам относятся:

а) полимерные материалы органические и неорганические;

б) различные виды пластических масс;

в) композиционные материалы на неметаллической основе;

г) каучуки и резины;

д) клеи и герметики;

е) графит;

ж) стекло неорганическое;

и) керамика.

Неметаллические материалы нашли и находят все большее применение в различных отраслях машиностроения. Основой многих неметаллических материалов являются синтетические полимеры. В их разработке, получении и внедрении громадную роль сыграли российские ученые: Бутлеров А.М. создал теорию структурного строения органики, Петров Г.С. организовал промышленное производство пластмасс, Лебедев С.В. осуществил промышленный синтез каучука, Семенов Н.Н. разработал теорию цепных реакций при полимеризации, Медведев С.С., Андрионов К.А. получили термостойкие полимеры.

 

Полимеры

Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса составляет от 500 до 10⁶ единиц. Длина цепи полимера в тысячи раз больше поперечного сечения, поэтому макромолекулам свойственна гибкость.

Полимеры встречаются в природе: каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Ведущей группой являются синтетические полимеры.

Полимеры классифицируются: по составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву.

По химическому составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. К органическим полимерам относятся смолы, каучуки. Элементоорганические полимеры содержат в цепи атомы O, P, Cl, S, F, Si, Al, Ti, сочетающиеся с органическими радикалами СН₃, СН₂, С₆Н₅. Эти элементы придают полимерам специфические свойства. Так атом О способствует повышению гибкости цепей, атомы Р и Cl повышают огнестойкость, атомы S придают непроницаемость, F – придает радикалу износостойкость. К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, слюда, асбест, графит, керамика, основу которых составляют оксиды Si, Al, Mg, Са, Na и других.

По форме макромолекул полимеры делятся на:

а) линейные (полиэтилен, полиамид);

б) разветвленные (полиизобутилен);

в) плоские – кремнийорганические полимеры;

г) пространственные (сетчатые) – мягкие резины;

д) паркетные (ячеистые) – графит.

По фазовому состоянию полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.

По отношению к нагреву полимеры делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, плавятся, а при охлаждении затвердевают, что может повторятся неоднократно. Термореактивные полимеры вначале имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, а затем в результате химической реакции затвердевают навсегда. Полимеры могут находится в вязкотекучем, высокоэластичном и стеклообразном состоянии.

Полимеры также как металлы проходят технологическую обработку (льются, штампуются, механически обрабатываются, склеиваются, свариваются и т. д.), механические испытания, упрочняются, стареют, охрупчиваются и т. д. Например: ориентационное упрочнение производится в вязкотекучем состоянии при медленном растяжении. Прочность на разрыв в направлении растяжения увеличивается в 2 – 5 раз, в перпендикулярном – уменьшается на 30-50%. При релаксационном упрочнении цепи макромолекул распрямляются, раскручиваются и механические свойства увеличиваются.

При старении полимеры окисляются, образуются свободные радикалы, испаряются летучие вещества, материал становится хрупким. Для уменьшения старения в полимеры добавляют стабилизаторы (амины, фенолы и др.). При деструкции из полимеров выделяются газы, свойства их ухудшаются. При абляции полимеры разрушаются под воздействием горячего газового потока. С увеличением добавления сажи, аминов, фенолов увеличивается радиационная стойкость.

 

Пластические массы

Пластические массы производятся на основе полимеров и состоят из:

а) связующего вещества (смолы, эфиры, полиэтилены, целлюлозы);

б) наполнителей;

в) пластификаторов (стеарин, дибутилфталат, олеиновая кислота и др.);

г) отвердителей (амины);

д) катализаторов (перекисные соединения).

Пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные.

По виду наполнителя пластмассы делятся на:

- карболиты, в которых наполнитель – древесная мука, графит, тальк и другие порошки;

- волокниты – очесы хлопка, льна, синтетических волокон;

- асбоволокниты, где наполнителем является асбест;

- стекловолокниты наполняются стекловолокном;

- гетинаксы наполняются листами бумаги, шпоном, стружкой и т.д.;

- пенно- и поропластмассы наполняются воздухом, азотом, нейтральными и другими газами.

По применению пластмассы делятся на конструкционные, фрикционные, антифрикционные, электроизоляционные, оптические, химстойкие, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные и др.

К термопластичным пластмассам относятся:

- полиэтилен (-СН₂ – СН₂-)_n, получаемый из газа этилена с помощью полимеризации. Он бывает высокого и низкого давления, применяется от температур – 70⁰С до 100⁰ С;

- полипропилен (- СН₂ – СН×СН₃ -) _n работает от – 20⁰ С до 150⁰ С;

- полистирол (- СН₂ – СН×С₆Н₅ -) _n твердый материал, жесткий, прозрачный, хорошо обрабатывается, окрашивается, растворим в бензоле. Ударопрочный полистрол делается с добавками каучука;

- фторопласт - 4 (фторопан) относится к политетрафторэтиленам (- CF₂ - CF₂ -) _n. Он может эксплуатироваться от – 269⁰С до 250⁰С. Разрушается при температурах выше 415⁰С. Фторпласт стоек к растворителям, кислотам, щелочам, отличный диэлектрик. Из него изготавливают трубы, вентиля, краны, насосы, мембраны, манжеты, подшипники, втулки и т.д.;

- органическое стекло – это прозрачный аморфный материал на основе сложных эфиров акриловой и метаакриловых кислот. Оргстекло при 80⁰ С размягчается, а при 105-150⁰С становится пластичным;

- винипласт (поливинилхлорид) (-СН₂ - СН Cl -) _n твердый материал, который сваривается, склеивается. Он стоек к кислотам, щелочам, солям;

- полиамиды (капрон, нейлон, анид и др.) относятся к элементоорганическим соединениям [-NH-CO-(СН₂)_m -HN- CO-(СН₂)_n -]. Эти материалы хорошо работают на истирание, гасят удары, прочны, стойки к щелочам, бензину, спирту, отлично переносит тропические условия. Из них изготавливают шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы;

- полиуретаны содержат уретановую группу (-NH-С_OО-) _n. Прочны, износостойки, хорошо технологически обрабатываются;

- ловсан (полиэтилентерефталат) – прозрачный, очень прочный материал;

- поликарбонат (дифлон) – сложный полиэфир угольной кислоты. Он очень прочен, отличается высокой ударной вязкостью, стоек к солям, маслам, разбавленным кислотам, выдерживает тепловые удары;

- полиарилат (эстеран) – это сложные гетероцепные полиэфиры. Они прочны, антифракционны, химстойки;

- полиформальдегид имеет в цепи кислород (-СН₂ - О -) _n жесткий, твердый, высокоударный, упругий материал. Он водостоек, масло – и бензиноустойчив и используется для изготовления зубчатых шестерен, подшипников, клапанов и т.д.

Термостойкие пластики могут эксплуатироваться до 400⁰ С. Интерес представляют ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон и гетероциклические полимеры (полиамиды и полибензимидазолы).

Ароматический полиамид (фенилон) – прочен, морозостоек, длительно работает при 250-260⁰ С, химстоек, износостоек, обладает высоким сопротивлением усталости. Из него изготавливают подшипники, зубчатые колеса, пленки, волокна, бумагу.

Арилокс – полифениленоксид – простой ароматический полиэфир – химстоек, имеет хорошие механические свойства, выдерживает температуру до 150⁰ С.

Полисульфон – простой ароматический полиэфир, содержит в цепи звенья – SО₂- и –О-С(СН₃)₂. Материал химстоек, прочен. Его применяют в виде пленок, литых изделий, деталей машины.

Полиамиды отличаются высокими механическими свойствами, хорошо сопротивляются ползучести, истиранию, имеют низкий коэффициент трения.

Полибензимидазолы – обладают высокой термостойкостью (300-400⁰ С), прочны, хорошие диэлектрики, огнестойки и термостойки.

Термопласты могут применяться с различными армирующими наполнителями: стекловолокно, асбест, органические волокна и ткани. Термопласты с армированием обладают повышенной прочностью, теплостойкостью, износостойкостью, сопротивлением к циклическим нагрузкам, малой ползучестью.

Для изготовления термореактивных пластмасс применяются термореактивные смолы: фенолоформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные и непредельные полиэфиры. Часто в смолы вводят пластификаторы, отвердители, растворители, ускорители и замедлители реакций. Смолы должны обладать высокой адгезией (клеящей способностью), теплостойкостью, электроизоляционными свойствами, небольшой усадкой, технологичностью, отсутствием токсичности. Из термореактивных смол изготавливают пластмассы с порошковыми наполнителями (карболиты), волокнистыми наполнителями (волокниты), слоистыми наполнителями (гитенаксы), ДСП, ДВП и т.д.

Газонаполненные пластмассы. Это пластмассы изготавливают для теплоизоляции, шумоизоляции, незатопляемости изделий, вибростойкости; часто применяют для амортизаторов, мягких сидений, губок. К ним относятся пенополистрол (ПС), пенополивинилхлорид (ПВХ). Поропласты (губчатые материалы) изготавливаются с открытой пористостью для поглощения влаги, жидкостей в 400-700 %.

Сотопласты изготавливают из листовых гофр разных материалов, которые склеиваются в виде пчелиных сот. Они обладают высокой тепло – и электроизоляцией, радиопрозрачностью.

 

Композиционные материалы

В развитых странах композиционные материалы находят все большее применение и практически не существует области техники, где не применялись бы композиты (автостроение, судостроение, строительство, самолето и ракетостроение, сельское хозяйство и т.д.). Композиционные материалы – это материалы, состоящие из 2-х и более компонентов, которые не растворяются друг в друге, не поглощают друг друга. Упрочнителями служат волокна, нитевидные кристаллы, проволока, жгуты, ленты и т.п., которые служат арматурой.

В качестве связующих применяются полиэфиры, фенолы, силиконы, алкиды, эпоксидные смолы, полиамиды, фторуглеродные соединения, полипропилен и т.д.

Наполнителями служат порошки, волокна, кристаллы, керамика и т.п.

Арматурой служат бумага, ткань, стеклоткань, металлическая проволока и волокна, углеродные, борные нитевидные кристаллы на основе оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируются на:

- стекловолокниты;

- карбоволокниты;

- бороволокниты;

- органоволокниты.

Для хорошей надежной работы композиционных материалов в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Арматура укладывается с учетом нагрузок и от порядка укладки слоев упрочнителя зависят изгибные и крутильные жесткости, качество изделий, их долговечность и надежность.

Композиционные материалы используются в судо-, авто-, авиатехнике, аппаратах химической промышленности, космических аппаратах, электропромышленности.

 

Каучуки и резины

Резина это продукт вулканизации смеси каучука и серы с различными добавками, имеющий высокие эластичные свойства; относительное удлинение составляет до 1000 %; высокая стойкость к истиранию, химстойкость, электроизолирующие свойства, газо- и водонепроницаемость, упругость делают резину незаменимым материалом.

В состав резины входят:

а) натуральный или синтетический каучук (НК, СК);

б) вулканизирующие вещества – сера, селен, сернистые соединения;

в) ускорители вулканизации: полисульфиды, оксиды свинца, магния, цинка;

г) противостарители: парафин, воск, неозон Д;

д) пластификаторы (мягчители): вазелины, стеариновая кислота, битумы, дибутилфталат, растительные масла;

е) наполнители: активные (сажа углеродистая, сажа белая – кремниевая кислота, оксид цинка), неактивные (мел, тальк, барит), регенерат – переработанная резина;

ж) красители.

Процесс химического взаимодействия каучуков с серой называется вулканизацией. В зависимости от количества серы резину можно получать от эластичной (1-5% S) до твердой (≈30% S), то есть эбонит. При вулканизации возрастает прочность и эластичность. А пластичность уменьшается.

Выпускаются резины общего назначения и со специальными свойствами.

Резины общего назначения получают из натурального каучука (НК), синтетического каучука бутадиенового(СКБ), СК-бутадиенстирольного, СК – изопренового.

Резины специального назначения: маслобензостойкие, теплостойкие, морозостойкие, светозащитные, износостойкие, электротехнические, термостойкие изготавливают из каучуков специального назначения – хлоропренового, полисульфидного, акрилового, силаксанового, фтор-борсодержащего, полиуретанового и других.