Неметаллические и композиционные материалы

 

 

К неметаллическим материалам относятся пластмассы – 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, предоставляющие собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа (нескольких тысяч) мономерных звеньев.

Полимеры получают в результате синтеза из низкомолекулярных соединений методом полимеризации или поликонденсации. Наиболее многочисленную группу соединений составляют органические полимеры, например полиолефины, фторопласты, полиамиды, полиимиды, фенолформальдегидные смолы, полисилоксаны, эпоксидные смолы.

Основу неорганических полимерных материалов составляют соединения SiO₂, CaO, MgO, AI₂O₃ 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 газонепроницаемость, кислород способствует повышению эластичности, фтор обеспечивает высокую химическую стойкость пластмасс.

По строению различают основные типы макромолекул: линейные, разветвленные, ленточные, пространственные.

Полимерные материалы с ленточной или разветвленной структурой макромолекул высокоэластичны. Они обладают тер-мопластичностью, 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 макромолекулами, и особенно с пространственными, 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 высокоэластичное 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. У полярной молекулы пространственные положения центров тяжести положительного и отрицательного зарядов 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 полимеры являются высококачественными и высокочастотными диэлектриками. Их свойства мало изменяются при понижении температуры. Они отличаются высокой морозостойкостью.

Наряду со связующим веществом большинство пластмасс содержит наполнители и добавки, улучшающие технологические и эксплуатационные свойства пластмасс.

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, или 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 (пено- 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 кремнийорганических смол (полисилоксанов) - высокой теплостойкостью.

Электроизоляционные пластмассы являются хорошими диэлектриками. Их (полиэтилены высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, полистирол, фторопласты (фторопласт-3 и фторопласт-4), гетинакс, текстолит) 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 соединений. 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, полиамиды (капрон), лавсан, текстолиты, древесно-слоистые пластики. Из пластмасс изготавливают вкладыши подшипников скольжения, зубчатые колеса и другие детали, образующие пары трения. Зуб-чатые колеса из текстолита работают бесшумно при частотах вра-щения до 30000 об/мин, шестерни из ДСП могут передавать значи-тельные нагрузки, сравнимые с деталями из цветных металлов.

Тепло- и звукоизоляционные пластмассы, например пенополистирол, пенополиуретан, пенополиэпоксид, пенополисилоксан обладают низким коэффициентом теплопроводности, высокой звукопоглощающей 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 т.д.

Под действием 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 другие виды старения.

Композиционными материалами (КМ) на различной основе называются искусственно созданные материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей (металлы или их сплавы, у полимеров – связующее).

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина «арми-рующий компонент» можно использовать термин «наполнитель».

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице, природе компонентов. По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

– с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

– с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

– с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

– с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

– с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

– с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

– содержащие компонент из металлов или сплавов;

– содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

– содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

– содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

В композиционных материалах с нуль-мерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при 5 – 10 % массовой доли частиц наполнителя.

Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов.

Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al₂O₃). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при значениях температуры выше 300 ^oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до 0,8 Т _пл.

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П – Ж – К-механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.

Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от площади сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения КПД тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al₂O₃), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680 °С выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650 °С. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на готовых уже изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале значений температуры.

Полимерные композиционные материалы. Родоначальником КМ являются армированные стеклопластики. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, жгутов, лент, стеклотекстолита.

Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

По упрочнителю в составе КМ делятся на карбоволокниты (углепласты) с углеродными волокнами в качестве упрочняющего материала, бороволокниты с упрочнителями в виде борных волокон, органоволокниты с синтетическими волокнами.

Преимуществом КМ являются высокие прочность и жесткость, хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность и термическая стабильность. Плотность КМ находится в пределах от 1,35 – 4,8 г/см³.

КМ являются перспективными конструкционными материалами для различных отраслей машиностроения.