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 (нескольких 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, полиимиды, фе-нолформальдегидные смолы, полисилоксаны, эпоксидные смолы.

Основу неорганических полимерных материалов составляют соединения SiO₂, CaO, MgO, А1₂О₃ 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 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 размягчение-затвердевание 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 высокоэластическое 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 - являются высококачественными и 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, 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 – это 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 имеютмалый 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 30 000 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 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 др.

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 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 не 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 нуль-мерными, одномерными и двумерными.

Материалы, армированные нуль-мерными 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 А1₂О₃. 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 s _т при температуре 500°С 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°С ВДУ-1 имеет s₁₀₀ = 75 МПа, а s₁₀₀₀ = 65 МПа.

Материалы с одномерными или одномерными и нуль-мерными наполните­лями называют волокнистыми композиционными материалами. Упрочнителями в них могут быть проволока из металлов и сплавов (Mo, W, В, Та, высокопрочная сталь), волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких со­единений (С, В, SiC, А1₂О₃, 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 (Al, Mg, Ti, 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 E_b / E_m (Е_b- модуль упругости волокна, Е_m - модуль упругости материала матрицы), и чем выше объемное содержание волокон, тем большая доля нагрузки приходится на волокна.

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