Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 9. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К неметаллическим материалам относятся волокнистые материалы (древесина) и полимерные материалы (органические или неорганические): пластмассы, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи и герметики, лакокрасочные покрытия, стекло, керамика. 9.1. Полимеры Полимерами называют высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Их молекулярная масса составляет 10 5 … 10 7 . Следовательно, свойства полимера определяется не только его химическим составом, но и строением и взаимным расположением молекул. Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул, различают полимеры: линейные, разветвленные, плоские ленточные, плоские сетчатые, слоистые и пространственные ( рис. 9.1). Рис. 9.1. Формы макромолекул. Гибкие длинные макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль цепи и слабыми молекулярными связями, что обеспечивает их эластичность, способность размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении (полиэтилен, полиамид). Разветвленные молекулы отличаются наличием 151 боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен ...). Плоские ленточные молекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. Они обладают повышенной теплостойкостью и большей жесткостью. Пространственные молекулы образуются при соединении молекул между собой прочными химическими связями. Образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Молекулы с редкой сеткой (сетчатые) теряют способность растворяться и плавиться, но обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые молекулы (пространственные) отличаются твердостью и большой теплостойкостью. Эти полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. Аморфные полимеры строятся из цепных молекул, и собраны в пачки. Пачки являются структурными элементами, и могут перемещаться относительно соседних элементов. Некоторые аморфные полимеры состоят из цепных молекул, свернутых в клубки (глобулы). Такая структура дает низкие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул.). При повышении температуры, глобулы могут разворачиваться, что повышает механические свойства. Квази кристаллические полимеры (квази – как бы) образуются только из достаточно гибких макромолекул с регулярной структурой. В этом случае возможно образование пространственных решеток внутри пачки. Гибкие пачки складываются в ленты, многократно поворачиваются на 180 о и образуют пластины ( рис. 9.2, а). Пластины, наслаиваясь, друг на друга, образуют правильные кристаллы. При затруднении наслоения образуются сферолиты ( рис. 9.2, б), состоящие из лучей, чередованием кристаллических и аморфных зон. Кристаллические участки состоят из микрофибрилл ( рис. 9.2, в). По отношению к нагреву, полимеры разделяются на термопластичные и термостойкие. Термопластичные полимеры имеют линейную или разветвленную структуру молекул. При нагреве они размягчаются, могут плавиться, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. 152 Термореактивные полимеры в начальной стадии образования имеют линейную структуру. При нагреве они размягчаются. Далее образуется пространственная структура, полимер получает термостабильное твердое состояние. Особенности строения полимеров определяют их свойства. Высока молекулярная масса, приводит к невозможности перехода в газообразное состояние или образованию низковязких жидкостей. Термостабильные полимеры – не размягчаются. Полимеры могут находиться в трех стабильных состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Рис. 9.2. Структура квази кристаллических полимеров: а – единичный пластинчатый кристалл; б – сферолит; в – микрофибила. Стеклообразное – твердое аморфное состояние, движения звеньев и перемещения макромолекул нет. Высокоэластическое состояние характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы под действием незначительных нагрузок. Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние с большой вязкостью. Полимеры обладают одним неприятным свойством – они стареют (самопроизвольно и необратимо изменяются их важнейшие механические свойства) под воздействием света, кислорода (озона), влажности, теплоты, длительного хранения. Процессы старения ускоряются под воздействием механических напряжений. Сущность старения заключена в сложной цепной реакции с образованием свободных радикалов (реже ионов) сопровождаемой 153 деструктуризацией. Наиболее устойчивы к воздействию высоких атмосферных температур и влаги полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамидные волокна. Для замедления старения, в полимеры добавляют стабилизаторы (органические вещества, антиоксиданты). Например: срок службы полиэтилена, стабилизированного сажей увеличивается до 5 лет; поливинилхлорид имеет срок службы до 25 лет. Пластмассы Пластмассы – многокомпонентные искусственные материалы. Обязательным компонентом является связка. В качестве связки используются: синтетические смолы; эфиры, целлюлоза. Некоторые пластмассы состоят только из одной связки (полиэтилен, фторопласты, органическое стекло). Вторым компонентом является наполнитель (порошкообразные, волокнистые, сетчатые вещества органического или неорганического происхождения). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании полуфабриката, придают материалу необходимые свойства. Для повышения эластичности и облегчения обработки в пластмассу добавляют пластификаторы (олеиновая кислота, стеарин, дибутилфторат …). Исходная композиция может содержать: отвердители (амины); катализаторы (перекиси) процесса отвердения; красители. Основой классификации пластмасс служит химический состав полимера: фенолоформальдегидные (фенопласты); эпоксидные; полиамидные; полиуретановые; стирольные и другие. По характеру связующего вещества, различают термопластичные (термопласты) и термореактивные пластмассы. Термопласты получают на основе термопластичных полимеров. Они удобны для переработки (при нагревании пластифицируются), имеют низкую объемную усадку (не более 4%), отличаются большой упругостью, малой хрупкостью. Термореактивные пластмассы после отверждения и перехода в термостабильное состояние 154 отличаются хрупкостью, могут дать усадку до 15%. Поэтому в состав этих пластмасс вводят усиливающие наполнители. По виду наполнителя, различают пластмассы: порошковые (карболиты) - с наполнителем в виде древесной муки, графита, талька … Волокнистые – с наполнителем из: очесов хлопка и льна (волокниты); стеклянных нитей (стекловолокниты); асбеста (асбоволокниты). Слоистые – с листовым наполнителем: бумажные листы (гетинакс); хлопчатобумажные ткани, стеклоткани, асбестовые ткани (текстолит, стеклотекстолит, асботекстолит). Газонаполненные – с воздушным наполнителем (пенопласты, поропласты). Особенностями пластмасс являются: малая плотность; низкая теплопроводность; большое тепловое расширение; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость; хорошие технологические свойства. Методы переработки пластмасс определяются их свойствами. Основными методами являются: экструзия, литье, литьевое прессование, вакуумное и пневматическое формование, вальцевание, вспенивание, сварка, горячее напыление, строгание в листы, обработка на станках со снятием стружки. Экструзия заключается в выдавливании расплава через калиброванное отверстие мундштука. Сечение отверстия определяет поперечную форму изделия. Данным методом получают стержни различного профиля, трубы, листы, пленки. Прессование заключается в формообразовании изделия в закрытой полости (ручье) специального инструмента – штампа (пресс - формы). Различают горячее и холодное прессование. При горячем прессовании, нагретую композицию (гранулы, ткани, пропитанные смолой) помещают в нагретую пресс – форму. При смыкании половинок пресс - формы композиция заполняет всю полость ручья. Изделие выдерживают в пресс – форме до отвердения. Подогрев композиции и пресс - формы производят токами высокой частоты, паром, перегретой водой … Данным методом перерабатывают композиции на основе фенолоальдегидных смол, аминопласты и армированные полиэфирные пластики. Способ применяется 155 для получения корпусных и мелких деталей. При холодном прессовании композицию не нагревают. Прессование производят при давлении 14…120 МПа. После прессования заготовку нагревают до 80…260 о . Данным способом перерабатывают асфальтопековые пластмассы и композиции на основе фенолоальдегидных смол. Способ применяется для получения неглубоких корпусных деталей. При литьевом прессовании, композицию в расплавленном состоянии выдавливают в ручей пресс – формы, затем выдерживают до затвердевания. Способ позволяет получать сложные изделия (наличие ребер, резьбы, выступов, выемок …) из термореактивных смол и высоковязких термопластов. При под давлением, , композицию в расплавленном состоянии выдавливают в ручей пресс – формы, затем выдерживают под давлением до затвердевания. Способ позволяет получать еще более сложные по форме изделия (наличие ребер, резьбы, выступов, выемок …) из термореактивных смол и высоковязких термопластов. Методом штамповки перерабатываются листовые материалы из термопластов (полистирол, полиамиды, фторопласты …). Формообразование изделий способом направленной вытяжки производится силовым воздействием на нагретый лист установленный между пуансоном и матрицей. При формообразовании способом свободной вытяжки пуансон отсутствует, а лист прижимается к матрице или воздействием на наружную сторону листа избыточного давления или воздействием на внутреннюю сторону листа разряжением. Вспенивание применяется для получения ячеистых конструкций малой объемной массы. Для вспенивания применяют фенолоальдегидные мочевиноальдегидные смолы, полистирол, поливинилхлорид, ацетат целлюлозы и каучуки. Метод заключается в ведении в пластик газов (газообразующих наполнителей). Метод применяется для изделий, требующих хорошие тепло - звуко - и шумоизоляционные свойства. Сварка применяется для получения неразъемных соединений изделия из термопластов. Для сварки применяют горячий воздух (250…300 о ). Поверхности зачищают, выравнивают, 156 обезжиривают и прижимают друг к другу под давлением 200…300 КПа. За счет взаимной диффузии происходит переплетение макромолекул. Полимеры часто используются для нанесения покрытий на металл, дерево, бумагу, пластмассу с целью защиты от коррозии, эрозии и для украшений. Возможно нанесение на обрабатываемую поверхность жидкой композиции, которая высыхает при испарении растворителя. Часто, покрытия наносят способом горячего распыления пластика прошедшего через воздушно - ацетиленовое пламя. Механическая обработка пластмасс, в основном, применяется для удаления литниковой системы, облоя, заусенцев, получения фасок и отверстий. Рекомендации по применению некоторых пластмасс в машиностроении приведены в табл. 9.1. 9.2. Резиновые материалы Резина – продукт специальной обработки (вулканизации) каучука. От других материалом, резина отличается высокой эластичностью (относительное удлинение до 1000%). Основой любой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК). Для улучшения свойств каучуков, в резину вносят специальные добавки: Вулканизирующие вещества - участвуют в образовании пространственно – сетчатой структуры вулканизата. Обычно применяют серу или селен. Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, оксиды свинца или магния. Противостарители (антиоксидианты) замедляют процесс старения резины. Противостарители химического действия замедляют окисление каучука. Физические Противостарители (парафин, воск …) образуют на внешней части изделия защитные пленки. Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластичность каучука, повышают морозостойкость резины. Обычно применяют парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы … Таблица 9.1 157 Области применения и способы переработки пластмасс. Пластмасса Применение Переработка Полиэтилен низкой плотности ПЭНП (высокого давления) Пленки, трубы, изделия, работающие при обычных температурах. Литье под давлением, экструзия, пневмо - вакуум - формирование, прессование, спекание, сварка. Полиэтилен высокой плотности ПЭВП (низкого давления) Пленки, трубы, антифрикционные и защитные покрытия Литье под давлением, экструзия, вакуум - формирование, прессование, спекание, сварка. Блок - сополимеры пропилена с этиленом БСПЭ Трубы, фитинги, корпусные детали, панели Литье под давлением, экструзия, прессование. Полистирол (АБС – пластики) Тара, крупногабаритные корпусные детали. Литье под давлением, экструзия, прессование. Полиметилметакрилат ПММА Остекление кабин, герметики. Литье под давлением, экструзия, прессование, сварка, склеивание. Фторопласты Детали антифрикционного назначения, прокладочные материалы. Прессование, экструзия, литье под давлением. Полиамиды ПА66, 6, 610, 612, 11, 12 Детали, работающие под нагрузкой, корпуса, гибкие детали. Литье под давлением, экструзия. Полиформальдегид ПФ, СФ Шестерни, втулки, антифрикционные детали. Литье под давлением, сварка, склеивание По воздействию на каучук, различают: инертные (мел, тальк …) и активные наполнители. Инертные наполнители вводятся для удешевления резины. Активные наполнители (углеродистая сажа, оксид цинка …) улучшают механические свойства резины. Регенерат – продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости резины, регенерат снижает склонность резины к старению. Антипирены – снижают воспламеняемость и горючесть резины. Фунгициды – защищают резину от воздействия микроорганизмов, особенно в условиях 158 тропиков. Дезодоранты – подавляют неприятный запах резины. Красители и пигменты вводят для окраски резины. Большинство каучуков – непредельные высокомолекулярные соединения с линейной или слабоветвистой структурой. Наличие в молекулах непредельных связей позволяет переводить макромолекулы в стабильное состояние. Для этого, в местах двойной связи присоединяют двухвалентную серу, получая пространственную сетчатую структуру (вулканизация). В зависимости от вводимой серы получают сетку с разной величиной ячейки. При 1 … 5% серы – получают мелкоячеистую структуру и резина получается высокоэластичной. С увеличение концентрации серы, резина становится менее эластичной, повышается ее твердость. При 30% серы – получают твердый материал (эбонит). 9.3. Клеи и герметики Клеи герметики относятся к пленкообразующим материалам. Клеи применяются для склеивания различных материалов. Герметики – обеспечивают уплотнение и герметизацию швов, стыков и т.д. В состав этих материалов входят: Пленкообразующие вещества (термореактивные смолы, каучук …). Растворители (спирты, бензин …). Пластификаторы, для устранения усадочных явлений при склеивании, и для повышения эластичности пленки. Отвердители и катализаторы, для перевода пленкообразующего вещества в термостабильное состояние. Наполнители, для повышения прочности и других характеристик клеевого слоя. Клеевые соединения, по сравнению с другими видами соединений, позволяют: соединять различные материалы в различных сочетаниях; более стойки к коррозии; более технологичны при ремонте изделий; позволяют соединять тонкие изделия и т.д. Органическая природа многих клеев определяет их низкую длительную теплостойкость (до 350 о С). Клеи на основе кремнийорганических и неорганических полимеров имеют повышенную теплостойкость (до 1000 о С). 159 Клеи классифицирую по ряду признаков. По пленкообразующему веществу различают клеи смоляные и резиновые. По адгезионным свойствам, различают клеи универсальные и специальные. По отношению к нагреву, различают клеи обратимые (термопластичные) и необратимые (термостабильные). По условия отверждения, различаю клеи горячего или холодного склеивания. По внешнему виду, различают жидкие, пастообразные и пленочные клеи. По назначению, различают конструкционные силовые и не силовые клеи. Смоляные клеи изготавливают на основе термореактивных смол, которые отверждаются в присутствии катализатора и отвердителей. Клеи холодного склеивания, как правило, обладают малой прочностью. Клеи горячего склеивания, за счет более полного отверждения, имеют высокую прочность и теплостойкость. Рассмотрим основные виды клеев. Клеи на основе модифицированных фенолформальдегидных смол применяют для склеивания металлических силовых элементов, деталей из стеклопластика и т.д. Фенолкаучуковые клеи имеют высокую адгезию к металлам, достаточно эластичны и теплостойки, водостойки, обеспечивают прочное соединение при неравномерном отрыве. Выпускаются марки: ВК - 32 - 200; ВК - 3; ВК - 4; ВК - 13. Фенол кремнийорганические клеи содержат в качестве наполнителя асбест, алюминиевый порошок. Клеи термостойки, водостойки, обладают высокой длительной прочностью. Выпускаются марки: ВК - 18, ВК - 18М (теплостойкость до 600 о С). Клеи на основе эпоксидных смол затвердевают только в присутствии отвердителя (соотношение «смола: отвердитель» = 10: 1 … 10: 3). Они являются силовыми конструкционными клеями, обладают: высокой прочностью пленки, хорошей адгезией к металлам, водостойки, маслобензостойки, но имеют низкий предел прочности на изгиб и низкую теплостойкость. При увеличении добавки отвердителя, уменьшается время отверждения (от 24 до 1 часа). Для повышения изгибной прочности, в композицию добавляют пластификатор и волокнистые наполнители. К клеям холодного отвердевания 160 относят композиции с маркировкой «ЭД», а также марки Л - 4, ВК - 9, КЛН - 1, ЭПО. К клеям горячего затвердевания относят: ВК - 32ЭМ, К - 153, ФЛ - 4С. Эпоксидно - кремниевые композиции ТКМ - 75, Т - 73 применяются для приклеивания режущей части инструментов. Клей УП - 5 - 207М обладает высокой влагостойкостью, стоек к смене температур, вибрациям и старению. Клеи полиуретановые холодного и горячего отвердения. В состав композиции входят полиэфиры, полиизоцианаты и цементный наполнитель. При смешивании компонентов происходит химическая реакция, в результате которой клей затвердевает. Клеи обладают: универсальной адгезией, хорошей вибростойкостью, прочностью, маслобензостойкостью. Выпускаются композиции: ПУ - 2, ВК - 5, ВК - 11. Эти клеи высокотоксичны. Клеи на основе кремнийорганических соединений обладают высокой теплостойкостью, маслобензостойки, не вызывают коррозию черных сплавов. Применяются для склеивания легированных сталей, титановых сплавов, неорганических материалов, стеклопластиков и асбопластиков. Выпускаются композиции: ВК - 2, ВК - 8, ВК - 15. Резиновые клеи предназначаются для склеивания резины с резиной, резины с металлами (стеклом). Они представляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях. Многие из них требуют горячей вулканизации (140 … 150 о С). Для увеличения адгезии, в состав композиции вводят синтетические смолы (Клей 88НП). Для повышения хладостойкости и теплостойкости (от –60 0 С до +300 о С), в композицию вводят кремнийорганические смолы (КТ - 15, КТ - 30, МАС - 1В). Неорганические клеи - это высокотемпературные клеи. Клеи выпускаются в виде: концентрированных водных растворов; твердых порошков (после нанесения композиции, заготовки нагревают, композиция плавится, потом затвердевает); дисперсных растворов. Фосфатные клеи – раствор фосфатов с инертным или активным наполнителем. Выпускаются композиции: АХФС, АФС. АФХС (алюмохромофосфатная связка) – температура отверждения 20 - 250 о С; σ в 3 - 10МПа; τ сдвига 0,9 - 1,4 МПа; огнеупорность 1000 … 1800 о С; водо - 161 кислотостоек. Применяется для склеивания различных металлов. АФС (алюмофосфатная связка, наполнитель – ZrO 2 + Ti); σ сж до 250 МПа. 9.4. Лакокрасочные материалы Лакокрасочные материалы (ЛКМ) применяются с целью нанесения на наружные поверхности деталей защитных или декоративных покрытий. Качественные покрытия наносятся на предварительно обработанные поверхности: шлифовка поверхности до получения шероховатости не более R z 0,6 … 1,2 мкм, удаление с поверхности жировых, масляных и окисных пленок, нанесение на поверхности специальных грунтовок. Различают лакокрасочные материалы: прозрачные (лак); кроющие (эмаль) и подготовительные (грунтовка). Лаки состоят из природной или синтетической основы, пластификаторов и красителей. Эмали выполняются на природной или синтетической основе с добавками: пластификаторов; красителей; пленкообразователей; антипенных, диспергирующих, кроющих и т.д. добавок. Покрытия наносятся кистью, распыление, окунанием и др. способами. В машиностроении применяются ЛКМ на канифольной (КФ), битумной (БТ), глифталевой (ГФ), пентафталевой (ПФ), алкидно - стирольной (МС), эпоксидной (ЭП), алкидно - уретановой (УР), кремнийорганической (КО) и полимерной (ХВ, ХС, АС, ВЛ…) основах. 9.5. Прокладочные материалы Прокладочные материалы применяются для герметизации соединений корпусных или иных деталей (особенно при высоких давлениях и температурах внутри герметизируемой полости), для теплоизоляции и электроизоляции разъемных частей. В качестве прокладочных материалов используют естественные, синтетические или композиционные материалы. Естественные материалы – кора пробкового дерева, асбест, войлок и отожженная медь. Кора пробкового дерева применяется при небольших 162 давлениях и температура. Основное ее достоинство – маслобензостойкость. Но кора пробкового дерева – дефицитный материал, поэтому применение ее, ограничено. Часто применяют пробковую крошку связанную синтетическим клеящим составом. Асбест обладает прочностью, эластичностью, диэлектрическими свойствами, устойчив при температуре до 1500 о . Войлок – плотный шерстяной материал. Войлочные прокладки предотвращают попадание в соединения посторонних веществ, задерживают смазочные масла, смягчают удары и вибрации, являются хорошим шумоизолятором. Красную отожженную медь применяют при высоких температурах и давлениях. Синтетические материалы – маслобензостойкая резина, различные пластмассы. Эти материалы, обычно хорошие диэлектрики, но имеют низкую морозостойкость, теплостойкость, малый срок службы. Применяются в неответственных соединениях или, как матрица композиционных материалах. Композиционные – целлюлозосодержащие материалы или композиция: синтетический материал – упрочнитель. целлюлозосодержащие материалы (бумага, плотный картон) применяются в качестве тонких прокладок в узлах, не подвергаемых воздействию влаги. Из бумаги, обработанной хлористым цинком, касторовым маслом и глицерином получают фибру. Фибра – прочный и долговечный диэлектрик стойкий к маслу и воде. Из композиционных материалов чаще всего применяют композиции на основе маслобензостойкой резины. В качестве наполнителя используется: распушенный асбест, графитный порошок, стальная фольга, стальная проволока или их сочетание. Композиционные прокладочные материалы наиболее универсальны, относительно дешевы, имеют большую долговечность. Контрольные вопросы 1. Что такое полимер; 163 2. Назовите конструктивные особенности пластмасс. 3. Что такое «старение» пластмасс? 4. Назовите основные методы переработки пластмасс. 5. Что является основой резины? 6. Зачем нужна вулканизация резины? 7. Что такое неорганические клеи? 8. Что такое естественные прокладочные материалы? 9. Что такое композиционные прокладочные материалы? |