Неметаллические детали, в машиностроении и их свойства

∆X=(∆X)0e-(τ / τp)

где ∆х и (∆х)0 - отклонения измеряемой величины от равновесного значения в данный момент времени  т и в начальный момент т = 0; т„ — время релаксации (для простых  релаксирующих систем величина постоянная). При τ = τр величина ∆х = (∆х)0/е (т. е. за время релаксации ∆х уменьшается  в 2,72 раза). По величине τ р обычно судят о скорости релаксационных процессов.

Для эластичных полимеров характерно явление гистерезиса. У этих материалов кривые зависимости  деформации от напряжения при нагружении и разгрузке образца не совпадают (происходят релаксационные процессы). Релаксация деформации - это изменение  относительного удлинения (или сжатия) образца при постоянном напряжении во времени. При приложении силы образец  находится в неравновесном состоянии, и со временем начинается релаксация; через какое-то время деформация достигает равновесного значения (равновесие между а = const и тепловым движением). После снятия нагрузки образец начинает восстанавливать свою первоначальную форму (упругое последействие). Удлинение  происходит в результате распрямления, раскручивания цепей (высокоэластической деформации) и перемещения макромолекул друг относительно друга (вязкого течения). Чем больше время испытания, тем  больше вязкое течение. .Деформация в  этом случае состоит из обратимой  и необратимой. Эти медленно протекающие  процессы изменения формы образца  называют ползучестью.

Рис. 3. Влияние  скорости (W) приложения нагрузки на характер кривых растяжения (W1 > W2 > W3)

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. 

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.

2. Резины общего  назначения

К группе резин  общего назначения относят вулканизаты  неполярных каучуков - НК, СКБ, СКС, СКИ.

НК — натуральный  каучук является полимером изопрена (С5Н8)„. Он растворяется в жирных и  ароматических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и  др.), образуя вязкие растворы, применяемые  в качестве клеев. При нагревании выше 80—100°С каучук становится пластичным и при 200°С начинает разлагаться. При  температуре — 70°С НК становится хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его кристаллизация. Кристаллическая фаза возникает  также при растяжении каучука, что  значительно увеличивает его  прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами: р„ = 3-1014 -23·1018 Ом см; е = 2,5.

СКБ — синтетический  каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу С. В, Лебедева. Формула полибутадиена (С4Н6)„. Он является некристаллизующимся  каучуком и имеет низкий предел прочности  при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить  усиливающие наполнители (сажу, окись  цинка и др.). Морозостойкость  СКБ невысокая ( — 40 - 45°С). Он набухает в тех же растворителях, что и  НК. Кроме СКБ выпускают дивинильные  каучуки СКВ и СКБМ, отличающиеся повышенной морозостойкостью, а также  стереорегулярный каучук СКД, который  по основным техническим свойствам  приближается к НК. Дивинильные каучуки  вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.

СКС - бутадиенстирольный каучук получается при совместной полимеризации  бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2 = СН —  С6Н5).

В зависимости  от процентного содержания стирола  каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука  зависят от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем  выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного каучука  СКС-30 получают резины с хорошим  сопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости  и диэлектрическим свойствам  они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять  при низких температурах (-74; -77°С). При  подборе соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой  механической прочностью.

СКИ — синтетический  каучук изопреновый — продукт  полимеризации изопрена (С5Н8). .Получение  СКИ стало возможным в связи  с применением новых видов  катализаторов (например, лития). По строению, химическим и физико-механическим свойствам  СКИ близок к натуральному каучуку. В промышленности выпускают, каучук СКИ-3, СКИ-З-П, наиболее близкий по свойствам  к НК; каучук СКИ-3Д предназначен для электроизоляционных резин, СКИ-ЗВ - для вакуумной техники.