Неметаллические материалы

Следовательно, чем выше напряжение или температура, тем меньше 
Долговечность.

Температурно-временная  зависимость прочности для полимерных материалов выражена сильнее, чем для  металлов, и имеет большое значение при оценке их свойств.

Старение  полимеров. Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение важнейших  технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся  в материале при эксплуатации и хранении. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы. 
Старение ускоряется при многократных деформациях; менее существенно на старение влияет, влага. Различают старение тепловое, световое, озонное и атмосферное.

Испытание на старение проводится как в естественных условиях, так и искусственными ускоренными  методами. Атмосферное старение проводится в различных климатических условиях в течение нескольких лет. Тепловое старение происходит при температуре  на 50°С ниже температуры плавления 
(разложения) полимера. Продолжительность испытания определяется временем, необходимым для снижения основных показателей на 50% от исходных.

Сущность  старения заключается в сложной  цепной реакции, протекающей с образованием свободных радикалов (реже ионов), которая  сопровождается деструкцией и структурированием  полимера. Обычно старение является результатом  окисления полимера атмосферным  кислородом. Если преобладает деструкция, то полимер размягчается, выделяются летучие вещества (например, натуральный  каучук); при структурировании повышаются твердость, хрупкость, наблюдается  потеря эластичности (бутадиеновый каучук, полистирол). При высоких температурах (200 — 500°С и выше) происходит термическое  разложение органических полимеров, причем пиролиз полимеров, сопровождаемый испарением летучих веществ, не является поверхностным явлением (как при  простом испарении неполимерных веществ); во всем объеме образца образуются молекулы, способные испаряться.

ПЛАСТИЧЕСКИЕ  МАССЫ_______

Пластмассами (пластиками) называют искусственные  материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти  материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно  придать заданную форму, которая  затем сохраняется. В зависимости  от природы связующего переход отформованной  массы в твердое состояние  совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем  охлаждении.

I. СОСТАВ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС

Обязательным  компонентом пластмассы является связующее  вещество. В качестве связующих для  большинства пластмасс используются синтетические смолы, реже применяются  эфиры целлюлозы. Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например полиэтилен, органические стекла и др.

Другим  важным компонентом пластмасс является наполнитель 
(порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. 
Наполнители повышают механическую прочность, снижают усадку при. прессовании и. придают материалу те или иные специфические свойства 
(фрикционные, антифрикционные и т. д.). Для повышения пластичности в полуфабрикат добавляют пластификаторы (органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе эластичность, облегчает ее обработку. Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (различные амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок, служащие для декоративных целей).

Свойства  пластмасс зависят от состава  отдельных компонентов, их сочетания  и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких  пределах.

По характеру  связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты) —  на основе термореактивных смол. Термопласты  удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1-3%). Материал отличается большой упругостью, малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты  изготовляют без наполнителя. В  последние годы стали применять  термопласты с наполнителями  в виде минеральных и синтетических  волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и  перехода связующего в термостабильное  состояние (пространственная структура) хрупки, часто дают большую усадку (до 10—15%) при их переработке, поэтому  в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (пресс-порошки) с наполнителями  в виде древесной муки, сульфитной целлюлозы, графита, талька, измельченных стекла, мрамора, асбеста, слюды, пропитанных  связующими (часто их называют карболитами); волокнистые с наполнителями  в виде очесов хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста 
(асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители (листы бумаги в гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите, стеклотекстолите и асботекстолите, древесный шпон в древеснослоистых пластиках); крошкообразные (наполнитель в виде кусочков ткани или древесного шпона, пропитанных связующим); газонаполненные (наполнитель - воздух или нейтральные газы). В зависимости от структуры последние подразделяют на пенопласты и поропласты.

Современные композиционные материалы содержат в качестве наполнителей угольные и  графитовые волокна (карбоволокниты); волокна бора 
(бороволокниты).

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и  антифрикционные, электроизоляционные) и несидовые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление  условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами: например, полиамиды применяют в  качестве антифрикционных и электроизоляционных  материалов и т. д.

Пластмассы  по своим физико-механическим и технологическим  свойствам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами  для машиностроения.

Недостатками  пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная  вязкость по сравнению с металлами  и сплавами, а для некоторых  пластмасс склонность к старению.

2. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ  ПЛАСТМАССЫ

В основе термопластичных пластмасс лежат  полимеры линейной или разветвленной  структуры, иногда в состав полимеров  вводят пластификаторы. 
Термопластичные пластмассы применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков, химически стойких материалов; из этих пластмасс изготовляют тонкие пленки и волокна. Детали, выполненные из таких материалов, имеют ограниченную рабочую температуру. 
Обычно при нагреве выше 60-70°С начинается резкое снижение их физико- механических характеристик, хотя более теплостойкие пластмассы могут работать при температуре 15О-25О°С. Термостойкие полимеры с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400-600°С.

Неполярные  термопластичные пластмассы. К неполярным пластикам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (- СН2 - СН2 — )„ — продукт полимеризации  бесцветного газа этилена, относящийся  к кристаллизующимся полимерам.

По плотности  полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 
55-65% кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74 — 95%.

Чем выше плотность и кристалличность  полиэтилена, тем выше механическая прочность и теплостойкость материала.. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно  применять при температурах до 60-100°С. 
Морозостойкость полиэтилена достигает — 70°С и ниже. Полиэтилен химически стоек, и при комнатной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. При нагревании устойчив к воде, к ацетону, к спирту.

Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Для защиты от старения в  полиэтилен вводят стабилизаторы и  ингибиторы (2-3% сажи замедляют процессы старения в 30 раз).

Под действием  радиоактивного облучения полиэтилен твердеет, приобретает большую прочность  и теплостойкость.

Полиэтилен  применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых  деталей (вентили, контейнеры и др.), полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекления парников, облицовки водоемов; кроме  того, полиэтилен служит покрытием  на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока и др.

Полипропилен (— СН2 - СНСН3 - ),, - является производной  этилена. 
Применяя металлоорганические катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное количество стереорегулярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150°С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. 
Нестабилизированный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостатком пропилена является его невысокая морозостойкость (— 10 - 20°С).

Полипропилен  применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др.Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

Полистирол ( - СН2 - СНС6Н5 - )„— твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. По диэлектрическим  характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается.

Будучи  неполярным, полистирол растворяется во многих неполярных растворителях (бензол), в то же время Он химически стоек  к кислотам и щелочам; нерастворим  в спиртах, бензине, маслах, воде. Полистирол наиболее стоек к радиоактивному облучению по сравнению с другими  термопластами 
(присутствие в макромолекулах фенильного радикала С6Н5).

Недостатками  полистирола являются его невысокая  теплостойкость, склонность к старению, образование трещин.

Ударопрочный  полистирол представляет собой блоксополимер  стирола с синтетическим каучуком. Такой материал имеет в 3 — 5 раз  более высокую прочность на удар и в 10 раз более высокое относительное  удлинение по сравнению с обычным  полистиролом (рис. 199). Высокопрочные  АБС-пластики 
(акрилонитрилбутадиенстирольные) отличаются повышенной химической стойкостью и ударной прочностью, имеют ?в = 3,5 - 6,5 кгс/мм2, Ев = 100 - 
250 кгс/мм2 и теплостойкость по Вику 100—125°С). Однако диэлектрические свойства таких сополимеров ниже по сравнению с чистым полистиролом. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин (корпуса, ручки и др.), сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции, а АБС-пластики применяются для деталей автомобилей, телевизоров, лодок, труб и т. д.

Физико-механические свойства неполярных термопластов

Таблица 1

| | |Рабочая  |Предел прочности, | 
|Материал |Плотност|температура, °С |кгс/мм2 | 
| |ь, г/см3| | | 
|Тип волокна |ность,|прочно-|упругост|тельное|стабильности.| 
| | | |и, | | | 
| |г/см3 |сти, |103 | |СС | 
| | | | |удлинен| | 
| | | | |ие, % | | 
| | |кгс/мм2|кгс/мм2 | | | 
|Стеклянные: | | | | | | 
|алюмоборосиликатные |2,5-2,|140-220|6 |2-3 |700* | 
| |6 | | | | | 
|высокомодульные |2,5-2,|390-470|9,5-11 |4,4-5. |До 870 | 
| |6 | | | | | 
|Углеродные |1,75-1|230-290|28-31 |0,7-1 |2200 | 
|высокомодульные |,95 | | | | | 
|Борные |2,5 |280-320|39-40 |0,7-0,8| | 
| | | | | |TТразм = | 
| | | | | |3650) 980 | 
| | | | | |(Тпл = 2200) | 
|Окись алюминия |3,97 |210 |17 |— |1000 - 1500 | 
|Карбид кремния |3,18 |350 |42 |_ |(Tпл = 2050) | 
| | | | | |1200 - 1700 | 
|Синтетические: | | | | |(Tпл = 2090) | 
|полиамидное (капрон) |1,14 |77-85 |0,32-0,3|13-17 |196-216** | 
| | | |5 | | | 
|полиэфирное (лавсан) |1,38 |48-62 |1,02-1,1|14-15 |235-255** | 
| |1,17 |46-56 |0,46-0,5|16-17 |— | 
|полиакрилонитрильное | | |8 | | | 
|(нитрон) | | | | | | 
| | | | | | | 
|поливинилспиртовое | | | | | | 
|(винол) | | | | | | 
|Поливинилспиртовое |1,26 |60-100 |2,5 |7-12 |- | 
|(винол) | | | | | | 
|Из ароматического |1,4 |200-280|11-12 |2-5 | | 
|полиамида | | | | | | 
|Проволоки: | | | | | | 
|вольфрамовая |19,3 |220-430|35-42 |— |— | 
|молибденовая |10.2 |215 |36 |_ |__ | 
|титановая |4,72 |190-200|12 | |_ | 
|стальная |7,9 |420 |20 |— |- |