Неметалічні матеріали в машинобудуванні

 

З початку 20-х років 20 століття розвиваються також теоретичні представлення про будівлю полімерів Спочатку передбачалася, що такі біополімери, як целюлоза, крохмаль, каучук, білки, а також деякі синтетичні полімери, подібні з ними по властивостях (наприклад, поліізопрен), складаються з малих молекул, що володіють незвичайною здатністю асоціювати в розчині в комплекси колоїдної природи завдяки нековалентним зв'язкам (теорія “малих блоків”). Автором принципово нового представлення про полімери як про речовини, що складаються з макромолекул, часток надзвичайно великої молекулярної маси, був Г.Штаудингер. Перемога ідей цього вченого змусила розглядати полімери як якісно новий об'єкт дослідження хімії і фізики.

Полімери - хімічні сполуки з високої молекулярною масою (від декількох тисяч до багатьох мільйонів), молекули яких (макромолекули) складаються з великого числа повторюваних угруповань (мономерних ланок). Атоми, що входять до складу макромолекул, з'єднані один з одним силами головних і (чи) координаційних валентностей.

Класифікація полімерів

По походженню полімери поділяються на природні (біополімери), наприклад білки, нуклеїнові кислоти, смоли природні, і синтетичні, наприклад поліетилен, поліпропілен, феноло-формальдеговані смоли. Чи атоми атомні групи можуть розташовуватися в макромолекулі у виді: відкритого чи ланцюга витягнутої в лінію послідовності циклів (лінійні полімери, наприклад каучук натуральний); ланцюга з розгалуженням (розгалужені полімери, наприклад амілопектин), тривимірної сітки (зшиті полімери, наприклад затверділі епоксидні смоли). Полімери, молекули яких складаються з однакових мономерних ланок, називаються гомополімерами (наприклад полівінілхлорид, полікапроамід, целюлоза).

Макромолекули того самого хімічного складу можуть бути побудовані з ланок різної просторової конфігурації. Якщо макромолекули складаються з однакових чи стереоізомерів з різних стереоізомерів, що чергуються в ланцюзі у визначеній періодичності, полімери називаються стереорегулярними.

Полімери, макромолекули яких містять кілька типів мономерних ланок, називаються сополімерами. Сополімери, у яких ланки кожного типу утворять досить довгі безупинні послідовності, що переміняють один одного в межах макромолекули, називаються блоксополімерами. До внутрішнього (некінцевим) ланкам макромолекули однієї хімічної будівлі можуть бути приєднані одна чи кілька ланцюгів іншої будівлі. Такі сополімери називаються щепленими.

Полімери, у яких кожен чи деякий стереоізомери ланки утворять досить довгі безупинні послідовності, що переміняють один одного в межах однієї макромолекули, називаються стереоблоксополімерами.

У залежності від складу основної (головної) ланцюга полімери, поділяють на: гетероцепні, в основному ланцюзі яких містяться атоми різних елементів, найчастіше вуглецю, азоту, кремнію, фосфору, і гомоцепні, основні ланцюги яких побудовані з однакових атомів. З гомоцепні полімерів найбільш поширені карбоцепні полімери, головні ланцюги яких складаються тільки з атомів вуглецю, наприклад поліетилен, поліметилметакрилат, политетрафторзтілен. Приклади гетероцепних полімерів - поліефіри (полиетилентерефталат, полікарбонати), поліаміди, мочевино-формальдегідні смоли, білки, деякі кремнійорганічні полімери. Полімери, макромолекули яких поряд з вуглеводні групами містять атоми неорганогенних елементів, називаються елементоорганічні. Окрему групу полімерів утворять неорганічні полімери, наприклад пластична сірка, поліфосфонітрилхлорид.

 

Властивості і найважливіші характеристики полімерів

Лінійні полімери мають специфічний комплекс фізико-хімічних і механічних властивостей. Найважливіші з цих властивостей: здатність утворювати високоміцні анізотропні високоорієнтивані волокна і плівки, здатність до великих, що довгостроково розвиваються оборотним деформаціям; здатність у високоеластому стані набухати перед розчиненням; висока в'язкість розчинів. Цей комплекс властивостей обумовлений високою молекулярною масою, ланцюговою будівлею, а також гнучкістю макромолекул. При переході від лінійних ланцюгів до розгалужених, рідких тривимірних сіток і, нарешті, до густих сітчастих структур цей комплекс властивостей стає усе менш вираженим. Сильно зшиті полімери нерозчинні, неплавкі і нездатні до високоеластичних деформацій.

Полімери можуть існувати в кристалічному й аморфному станах. Необхідна умова кристалізації - регулярність досить довгих ділянок макромолекули. У кристалічних полімерах можливе виникнення різноманітних надмолекулярних структур (фібрил, сферолітів, монокристаллов, тип яких багато в чому визначає властивості полімерного матеріалу. Надмолекулярні структури в незакристалізованих (аморфних) полімерах менш виражені, чим у кристалічних.

Деякі властивості полімерів, наприклад розчинність, здатність до грузлого плину, стабільність, дуже чуттєві до дії невеликих кількостей чи домішок добавок, що реагують з макромолекулами. Так, щоб перетворити лінійний полімер з розчинного в цілком нерозчинний, досить утворити на одну макромолекулу 1-2 поперечні зв'язки.

Найважливіші характеристики полімерів - хімічний склад, молекулярна маса і молекулярно-масовий розподіл, ступінь розгалуженості і гнучкості макромолекул, стереорегулярность і інші. Властивості полімерів істотно залежать від цих характеристик.

Композиційні матеріали

 

Композиційними матеріалами (КМ), або композитами, називають матеріали, отримані поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Один компонент пластичний (зв’язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнювач - міцність матеріалу; Особливий клас КМ - це природні КМ.

Класифікація композиційних матеріалів

КМ класифікують за рядом ознак:

за формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;

за видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);

за схемою армування (для волокнистих матеріалів) - з одноосьовим, двохосьовим, трьохосьовим, багато осьовим армуванням;

за видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів - нитки, джгути, стрічки, тканини.

У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу міцність і жорсткість, достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.

Як матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високо жорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий дріт, спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.

У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі Аl, Мg, Ті, іноді нікелеві сплави. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, бору, тонкі дроти металів.

У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди.

Властивості та використання КМ

Властивості КМ залежать від матеріалу матриці і зміцнювача, кількісного їх співвідношення, форми зміцнювача, для волокнистих КМ - від схеми армування і довжини волокон.

Матриця зв'язує композицію, придає їй форму. Від властивостей матриці залежать технологічні режими одержання КМ і такі важливі характеристики, як робоча температура, густина, питома міцність.

КМ з металевою матрицею

Механізм зміцнення таких КМ дисперсними частинками і волокнами принципово різний. У дисперсно-зміцнених КМ міцність залежить від здатності дисперсних частинок гальмувати рух дислокацій у матриці. При цьому основне навантаження сприймає матриця, і міцність великою мірою залежить від відстані між частинками та їх розмірів. Залежно від розміру зміцнювальних частинок дисперсно-зміцнені матеріали поділяють на два типи: матеріали з частинками 0,01.-.0,1 мкм у кількості до 15 % і композити з частинками, які перевищують за розмірами 1 мкм, при загальній кількості більше 25 %. В матеріалах першого типу матриця несе основне навантаження, тоді як частинки утруднюють переміщення дислокацій і тим самим викликають зміцнення. Коефіцієнт зміцнення, оцінений як відношення тимчасового опору композиту до тимчасового опору матриці σкомп /σматр, для них може досягати 15. У композитах другого типу навантаження розподіляється між матрицею й зміцнювальними частинками. Крім того, ці частинки, як і в першому випадку, перешкоджають руху дислокацій. Загальне зміцнення σкомп /σматр досягає 25.

Прикладом композитів першого типу може бути А1, зміцнений високодисперсними частинками А12О3. Ці матеріали зберігають свою міцність до високих температур (~ 0,8 Тпл), стійкі проти повзучості. Такі композити, як правило, одержують методами порошкової металургії. Вони знаходять застосування як жароміцні і жаростійкі матеріали.

До матеріалів другої групи відносяться широко розповсюджені тверді сплави, виготовлені методом порошкової металургії (WС-Со, ТіС-Со та ін.). Сплави цього типу застосовують для різального інструменту, матриць, пуансонів, лопаток турбін.

В композитах, армованих волокнами, матриця є середовищем, що передає навантаження волокнам і розподіляє його між ними. Отже, міцність таких КМ при незмінній кількості зміцнювача залежить від міцності волокон, сили зчеплення між волокнами і матрицею і від опору матриці зсуву. Як приклад приведемо композит "Алор" (алюмінієва матриця + органічне волокно). Якщо в А1 σв ~ 50 МПа, то в такому КМ σв ~ 500-600 МПа, а швидкість росту тріщини, у порівнянні з А1, знижується більш ніж у 20 разів. Це зумовлено гальмуванням розвитку тріщини волокнами.

Важливу роль у зміцненні волокнистих матеріалів грає відношення довжини волокна до його діаметра: чим воно більше, тим вище міцність КМ.

В ряді конструкцій використовуються комбінації (гібриди) різних видів зміцнювачів. Такі КМ називають гібридними. Як правило, вони мають вищі технологічні та службові характеристики, оскільки в них досягається можливість поєднання переваг різних матеріалів.

Кількість зміцнювана у волокнистих КМ може мінятися від декількох відсотків до 70 - 80 %, а коефіцієнт зміцнення досягає 50.

Великий інтерес представляють шаруваті КМ, в яких чергуються шари металів з різними властивостями. Властивості цих матеріалів можна охарактеризувати таким прикладом. Високоміцна середньо вуглецева сталь після гартування і низького відпуску має σв ~ 2000 МПа, Кіс ~ 44-54 МПам при КСU ~ 18 Дж/см2. Якщо ж листи такої сталі з'єднати між собою пластичним нікелевим прошарком, то зразки такого композиту не руйнуються при роботі удару 166 Дж. Дослідження показали, що тріщина затримується вже біля першого м'якого прошарку. Аналогічні дані про істотне зростання в'язкості руйнування були отримані для шаруватого матеріалу, у якому чергувалися смуги аустенітної сталі типу 10Х18Н ЮТ і м'якої мало вуглецевої сталі Ст2кп.

КМ з неметалевою матрицею

Як уже говорилося, для матриць застосовують керамічні та полімерні матеріали, у тому числі вуглецеві. У кожному випадку матриця грає свою певну роль.

Полімерні матриці (епоксидна, фенолоформальдегідна, поліамідна) в основному служать для зв'язування зміцнювача і придання виробу потрібної форми. Зміцнювальними матеріалами є, головним чином, волокна (скляні, вуглецеві, борні, органічні), вуса карбідів, нітридів, боридів, оксидів, а також металевий дріт. Армувальні матеріали можуть бути у вигляді окремих волокон або ниток, джгутів, стрічок, багатошарових тканин. Вміст зміцнювача складає 60-80 % при використанні безперервних волокон і 20-30 % для дискретних волокон і вусів.

КМ з полімерною матрицею, зокрема, матеріали, армовані скляним волокном (склопластики), можуть з успіхом замінити сталь при виготовленні кузовів автомобілів. Лист із такого КМ розміром 1,8x3 м важить всього 2,4 кг. Це приводить до зниження маси автомобіля на 500-1000 кг, що дозволяє загалом заощадити близько 1 млн. тонн металу і значно зменшити витрати палива. Склопластик застосовують для виготовлення корпуса ракети СС 20, для газових балонів автомобілів. Одна з японських фірм виробляє зі склопластика болти та гайки, які у 4 рази легше; сталевих, не кородують, а за міцністю не поступаються сталевим.

Кузова гоночних автомобілів виготовляють з вуглепластика (полімерної матриці, армованої вуглецевими волокнами), що значно знижує їх масу.

Вугле- і склопластики є перспективними матеріалами для використання в будівництві у вигляді профілів (балок, швелерів, двотаврів і т.д.). Вуглепластик застосовують для виготовлення деталей автомобіля: шатунів, ресор, карданних валів, при цьому вироби стають дуже легкими. Сьогодні компанія "Форд" більше 1000 деталей автомобіля виготовляє з КМ.

Керамічні матеріали одержують спіканням при 1500-2500 °С оксидів, силіцидів або сполук металу з вуглецем, азотом, бором (карбідів, нітридів, боридів). Серед оксидів найчастіше використовують корунд (А12О3) або 2г2О, з карбідів - карборунд (8іС), з нітридів - 8і3М4. Усі ці сполуки мають високу температуру плавлення (від 1800 до 2700 °С) і високу твердість і міцність (при 1000-1200 °С близько 500 МПа).

Керамічні матеріали відрізняються високою тепло-, жаро-, ерозійною стійкістю, тому вони дуже привабливі для виготовлення відповідальних важко навантажених виробів (високотемпературні підшипники, лопатки газотурбінних двигунів, деталі двигунів внутрішнього згоряння, носові обтікачі ракет тощо). Правда, вони мають невисоку в'язкість руйнування. Однак добавка більш в'язкого напо-внювача робить можливим їх промислове використання. Так, використання в двигунах внутрішнього згоряння КМ, який складається з 70 % А12О3 і ЗО % Сr, дозволило підвищити робочу температуру на 50 %, що знизило витрати палива на ЗО %.

Для лопаток газових турбін застосовують матеріали на основі карбідів і нітридів 8і, Ті, 2г. Такі лопатки здатні витримувати температуру 1600 °С.

У зв'язку з невисокою в'язкістю руйнування застосування керамічних КМ сьогодні ще обмежене. Однак з міркувань дешевих сировинних ресурсів, які потрібні для виготовлення таких КМ, і можливості їх використання у високотемпературних конструкціях, де вони не мають конкурентів, розвиток цього напряму безумовно є перспективним.

Вуглець-вуглецеві матеріали. Особливий інтерес представляють КМ із вуглецевою матрицею й зміцнювачем у вигляді вуглецевого волокна, джутів або тканин з такого волокна (карбоволокніти з вуглецевою основою).

Вуглець-вуглецеві матеріали мають малу густину (1,3-2,1 т/м3). їх механічні властивості великою мірою залежать від схеми армування: ав може змінюватися від 100 до 1000 МПа. Преференційним є багато-осьове армування. Унікальна особливість таких матеріалів - збільшення міцності і модуля пружності з підвищенням температури.

Вуглець-вуглецевий матеріал був застосований для облицювання фюзеляжу і носових частин крила орбітального корабля багаторазового використання "Буран". Зазначені конструкції працюють в особливо важких умовах і при вході корабля в атмосферу розігріваються до 1500 °С. Після посадки корабля руйнувань матеріалу не було виявлено.

Вуглець-вуглецевий КМ може бути використаний у багатьох областях техніки: в авіаційній промисловості для конструкцій, що працюють при високих температурах, у металургійній і хімічній промисловості для футеровки печей і ванн з агресивними речовинами.

Такі матеріали становлять великий інтерес ще і тому, що залежно від схеми армування волокнами або тканинами властивості можуть змінюватися в широких межах. Так, якщо волокна укладені горизонтально, матеріал має дуже низький коефіцієнт тертя і може працювати як антифрикційний. Якщо ж волокна спрямовані перпендикулярно поверхні, коефіцієнт тертя зростає до 0,8, і такий матеріал використовується як фрикційний в гальмових системах, причому ресурс їх роботи зростає в 2-3 рази в порівнянні з металокерамічними фрикційними матеріалами.

Вуглець-вуглецевим матеріалам притаманні високі теплоємність, опір тепловому удару, ерозії, радіаційна та корозійна стійкість, низький коефіцієнт лінійного розширення, широкий діапазон електричних властивостей (від провідників до напівпровідників). Все це зумовлює все ширше використання таких матеріалів в сучасній техніці.

 

Порядок виконання роботи

1. Одержати зразки матеріалів, проаналізувати властивості матеріалів.

2. Визанчити найбільш стійкі матеріали до зносу матеріали.

 

Питання для самоконтролю

1. Охарактеризуйте властивості матеріалу – сталь 45?

2. Охарактеризуйте властивості матеріалу – КЧ18?

3. Охарактеризуйте властивості матеріалу – АЛ7?

4. Охарактеризуйте властивості матеріалу – поліамід 6?

Література

 

1. Руденко П. С. Проектування технологічних процесів у машинобудуванні. Навч. Посібник. Вища школа 1993 - 414 с

2. Боженко Л. І. Технологія машинобудування. Проектування та виробництво заготованок.- Львів:Світ.199б 368с.

8. Справочник технолога-машиностроителя в 2-х т. Под ред. А. Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова М.:Машиностроение. 1985.-496с.

Лабораторна робота 2