Неметаллические материалы

 
*Температура плавления. 
**Температура деструкции

Преимуществом композиционных материалов являются высокие  прочность и жесткость (для карбоволокнитов ?в = 65 - 170 кгс/мм2, Е= 12000 - 18 000 кгс/мм2; для  бороволокнитов ?в = 90 - 175 кгс/мм2, Е = 
21400 - 27000 кгс/мм2), хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность и термическая стабильность. Плотность композиционных материалов составляет от 1,35 до 4,8 г/см3. 
Композиционные материалы являются перспективными конструкционными материалами для различных отраслей машиностроения.

1. КАРБОВОЛОКНИТЫ

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей (наполнителей) в виде углеродных волокон (карбоволокон). 
Углеродные волокна получают термообработкой органических волокон. В зависимости от температуры термообработки и содержащегося углерода волокна подразделяют на частично карбонизованные (900°С, 85-90%), карбонизованные 
(900-1500°С, 95-99%) и графитированные, (1500 — 3000°С, >99.%). Два последних типа имеют наибольшее значение. 
В зависимости от формы исходного сырья углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгутов, войлока, тканей; волокна можно перерабатывать на обычном текстильном оборудовании. 
Практическое применение нашли вискозные кордные волокна (ВК) и полиакрилонитрильные (П АН-вол окна). 
Свойства волокон зависят от термообработки, с увеличением температуры происходит образование гексагональных углеродных слоев, их рост и упорядочение. Структура волокон фибриллярная. Каждая фибрилла состоит из лентообразных микрофибрилл, разделенных узкими и длинными продольными порами. 
В результате вытяжки достигается ориентация кристаллитов, что позволяет получать высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна. 
Обычные углеродные волокна имеют ?в = 50 - 100 кгс/мм2 и Е = = 2000--7000 кгс/мм2; для высокопрочных и высокомодульных волокон ?в >150 кгс/мм2 и Е> 
15000 кгс/мм2. По удельным прочности (?/р) и жесткости (Е/р) последние превосходят все жаростойкие волокнистые материалы. 
Высокая энергия связи С — С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными, покрытиями 
(пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению, аппретированию, вискеризации. 
Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). 
В качестве полимерных связующих применяют эпоксидные, фенолоформальдегидные. смолы, полиимиды и др. 
Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и 
КМУ-lл на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С. 
Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном связущем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связущего можно применять при температуре до 300°С [43]. 
Карбоволокниты отличаются высокой статической и динамической выносливостью (рис. 215), сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойки. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения ?и и ?и почти не изменяются. 
Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем у стеклопластиков. 
Они имеют следующие электрические свойства: р„ = 0,0024 4- 0,0034 Ом-см 
(вдоль волокон); Е=10 и tg ? = 0,01 (при частоте 1010 Гц).

Карбостекловолокниты  содержат наряду с угольными стеклянные, волокна, что удешевляет материал. 
Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получаются из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800—1500°С образуются карбонизованные, при 2500-3000°С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме 
-изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (1100°С и остаточном давлении 
20 мм-рт. ст.) метан разлагается, и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их. 
Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару. 
Карбоволокнит на углеродной матрице типа КУП-ВМ: по значениям прочности и ударной вязкости в 5 —10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на торможение). 
Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и др.

Карбоволокниты  с углеродной матрицей применяют  для тепловой защиты, дисков авиационных  тормозов, химически стойкой аппаратуры, заменяя различные типы графитов.

2. БОРОВОЛОКНИТЫ

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного  связующего и упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при  сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, тепло- и электропроводностью.

Борное  волокно получается осаждением бора из газовой фазы на поверхность разогретой вольфрамовой проволоки. Вследствие диффузии и взаимодействия между бором  и вольфрамом последний превращается в бориды вольфрама. Таким образом, наружная оболочка волокна состоит  из металлического бора, сердечник  — из кристаллических боридов  переменного состава. Борные волокна  имеют d = 90 -- 150 мкм, ?„ = 280 - 320 кгс/мм2, г = 0,7 - 0,8%, Е = 39000 
-- 40000 кгс/мм2, выпускаются под марками БН и борофил (США). При температуре > 400°С волокна окисляются и требуют нанесения защитных покрытий (карбиды). Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо  непрерывного борного волокна применяют  комплексные боростеклонити, в которых  несколько параллельных борных волокон  оплетаются стеклонитью, придающей  формоустойчивость. Применение боростеклонитей. облегчает технологический процесс  изготовления бороволокнитов.

В качестве матриц для получения бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты  КМБ-1 и 
КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и 
КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С .

Бороволокниты обладают высокой усталостной прочностью (до 35 — 40 кгс/мм2), их свойства можно  изменять за счет различной укладки  упрочнителя. 
Бороволокниты стойки к воздействию проникающей радиации, к воде, органическим растворителям и горюче-смазочным материалам. 
3.Органоволокниты

Представляют  собой композиционные материалы, состоящие  из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Они  устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного  и конструкционного материала в  электрорадиопромышленности, авиационной  технике, автостроении; из них изготовляют  трубы, емкости.

РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ______________

1. ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ  РЕЗИН

Резиной называется продукт специальной  обработки (вулканизации) смеси каучука  и серы с различными добавками.

Резина  как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими  свойствами, которые присущи каучуку  — главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим  деформациям (относительное удлинение  достигает 1000%), которые почти полностью  обратимы. При комнатной температуре  резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне  температур.

Модуль  упругости лежит в пределах 0,1 — 1 кгс/мм2, т. е. он в тысячи и десятки  тысяч раз .меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают несжимаемой); коэффициент Пуассона равен 0,4 — 0,5, тогда как для металла эта  величина составляет 0,25 — 0,30. Другой особенностью резины как технического материала  является релаксационный характер деформации. При комнатной температуре время  релаксации может составлять-10 ~ 4 с  й более. 
При работе резины в условиях многократных механических напряжений часть энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутреннее трение (в самом каучуке и между молекулами каучука и частицами добавок); это трение преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых  материалов характерны высокая стойкость  к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

В результате совокупности технических свойств  резиновых материалов их применяют  для амортизации и демпфирования, уплотнения и герметизации в условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов 
(шлангов), для покрышек и камер колес самолетов, автотранспорта и т. д. 
Номенклатура резиновых изделий насчитывает более 40000 наименований.

Состав  и классификация резин. Основой  всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который  и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные  добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже. 1. Вулканизующие  вещества (агенты) участвуют в образовании  пространственно-сеточной структуры  вулканизата. Обычно в качестве таких  веществ применяют серу и селем, для некоторых каучуков перекиси. Для резины электротехнического  назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые  соединения — тиурам (тиурамовые резины).

Ускорители  процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца, магния и др. влияют как  на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов.. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии окислов  некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе  резиновой смеси активаторами. 
Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдольнеозон Д и др.). Физические противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они

применяются реже. 
Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. 
В качестве мягчителей вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество

мягчителей 8 — 30% от массы каучука. 
Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные

(усиливающие)  и неактивные (инертные). Усиливающие  наполнители 
(углеродистая сажа и белая сажа — кремнекислота, окись цинка и др.) повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стоимости резины.

Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат — продукт переработки  старых резиновых изделий и отходов  резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

5.Красители  минеральные или органические  вводят для окраски резин.

Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеленые) поглощают коротковолновую часть  солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения.

Любой каучук является непредельным высокополимерным соединением с двойной химической связью между углеродными атомами  в элементарных звеньях макромолекулы. Молекулярная масса каучуков исчисляется  в 400000 — 450000. 
Структура макромолекул линейная или слаборазветвленная и состоит из отдельных звеньев, которые имеют тенденцию свернуться в клубок, занять минимальный объем, но этому препятствуют силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому молекулы каучука извилистые (зигзагообразные). 
Такая форма молекул и является причиной исключительно высокой эластичности каучука (под небольшой нагрузкой происходит выпрямление молекул, изменяется их конформация). По свойствам каучуки напоминают термопластичные полимеры. 
Наличие в молекулах каучука непредельных связей позволяет, при определенных условиях, переводить его в термостабильное состояние. Для этого по месту двойной связи присоединяется двухвалентная сера (или другое вещество), которая образует в поперечном направлении как бы «мостики» между нитевидными молекулами каучука, в результате чего получается пространственно-сетчатая структура, присущая резине (вулканизату). Процесс химического взаимодействия каучука с серой в технике называется вулканизацией

В зависимости  от количества вводимой серы получается различная частота сетки полимера. При введении 1-5% серы образуется редкая сетка, и резина получается высокоэластичной, мягкой. С увеличением процентного  содержания серы сетчатая структура  становится все более частой, резина более твердой, и при максимально  возможном (примерно 30%) насыщении каучука  серой образуется твердый материал, называемый эбонитом]