Материаловедение. Неметаллические материалы (стр. 7 )

Таким образом, стеклопластики являются конструкционными материалами, применяемыми для силовых изделий в различных отраслях техники: несущие детали летательных аппаратов, кузова и кабины автомашин, автоцистерны, железнодорожные вагоны, корпуса лодок, судов. Из стеклопластиков изготовляют корпуса машин, кожухи, защитные ограждения, вентиляционные трубы, контейнеры и др.

2.3 Газонаполненные пластмассы

Газонаполненные пластмассы представляют собой гете­рогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообраз­ной фаз. Структура таких пластмасс образована твердым, реже
эластичным полимером — связующим, которое образует стенки
элементарных ячеек или пор с распределенной в них газовой фа­
зой — наполнителем. Такая структура пластмасс обусловливает
некоторую общность их свойств, а именно — чрезвычайно малую
массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. В зави­-
симости от физической структуры газонаполненные пластмассы
делят на пенопласты, поропласты и сотопласты.

Полимерные связующие могут быть как термореактивными, так и термопластичными. Для термопластичных пенопластов наиболее опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала и избыточное давление газа внутри ячеек может разрушить пенопласт. Для получе­ния эластичных материалов вводят пластификаторы.

Пенопласты — материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окру - жающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Объем-нал масса пенопластов колеблется от 20 до 300 кг/м3. Замкнуто-ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий — от 0,003 до 0,007 Вт/(м-К). Прочность пенопластов невысока и зависит от плотности материала.

Наиболее распространенными термопластичными пенопла­стами являются пенополистирол (ПС) и пенополивинилхлорид (ПВХ), которые могут использоваться при температурах ±60 °C ненополистирол радиопрозрачен. Термореактивные на основе фенолоформальдегидной смолы (ФФ) и фенолокаучуковые (ФК) пенопласты работают до температуры 120—160 °С. Введением в их состав алюминиевой пудры (ФК-20-А-20) удается повысить рабочую температуру пенопласта до 200—250 °С. Термостоек и термостабилен пенопласт К-40 на кремнийорганическом связую­щей, который кратковременно выдерживает температуру 300 °С. Самовспенивающимися материалами являются пенополиуретан (ППУ) и пенополиэпоксиды (ПЭ), отличающиеся химической стой­костью, высокими электроизоляционными свойствами, низким водопоглощением.

Пенопласты применяют для теплоизоляции кабин, контейне­ров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и т. п. Пенополиуретаны и пенополиэпоксиды используют для заливки деталей электронной аппаратуры. Широкое применение пено­пласты получили в строительстве и при производстве трудноза­топляемых изделий. Пенопласт, являясь легким заполнителем, повышает удельную прочность, жесткость и вибростойкость сило­вых элементов конструкций. Он используется в авиастроении, судостроении, на железнодорожном транспорте и т. д. Мягкие и эластичные пенопласты (типа поролона) применяют для амор­тизаторов, мягких сидений, губок.

Поропласты (губчатые материалы) с открытопористой струк­турой, вследствие чего присутствующие в них газообразные вклю­чения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей атмо­сферой. Их кажущаяся плотность изменяется от 25—60 до 130— 500 кг/м3. Поропласты выпускаются эластичными, например ППУ-Э (на основе сложного полиэфира). На основе поливинилформалей выпускается поропласт ТПВФ, обладающий водопогло­щением 400—700 % за 2 ч.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придается вначале вид гофра, а затем листы гофра склеи­вают в виде пчелиных сот. Материалом для сотопластов служат различные ткани, которые пропитываются различным связующим (фенолоформальдегидным, полиимидным и др.) Сотопласты ис­пользуют как легкие заполнители в трехслойных панелях, состоя­щих из слоев сотопласта и приклееной к ним несущей обшивки. Такая конструкция обеспечивает высокую жесткость и предо­храняет от потери устойчивости. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность.

Сотопласты применяют в виде заполнителей многослойных панелей в авиа - и судостроении для несущих конструкций; при создании наружной теплозащиты и теплоизоляции космических кораблей; в антенных обтекателях самолетов и др. Сотопласты из полиэтилентерефталатной пленки находят применение для тепло­изоляции сосудов в криогенной технике.

2.4 Экономическая эффективность применения пластмасс

Целесообразность применения пластмасс а конструк­циях машин часто диктуется техническими соображениями, но при этом весьма сушественную роль играет экономичность реше­ния. Иногда эффективность применения пластмасс не поддается денежной оценке (например, при улучшении условий труда, экономии остродефицитного материала, энергии и др.).

Применение пластмасс значительно сокращает капиталовло­жения, так как уменьшается трудоемкость проектных работ и по­требность в оборудовании. Экономичность применения пластмасс в производстве выражается в снижении себестоимости, массы и уменьшении затрат на материал (материалоемкости), уменьшении трудоемкости изготовления деталей из пластмасс по сравнению с металлическими (уменьшение величины зарплаты на единицу изделия); сокращения производственного цикла и сроков проек­тирования и освоения новых конструкций.

Экономичность применения пластмасс в эксплуатации выра­жается в снижении массы конструкции, уменьшении эксплуата­ционных затрат (на смазывание, ремонт и т. д.), повышении эксплуа­тационной надежности машин, расширении технических возмож­ностей работы конструкции и повышении ее технико-экономиче­ских параметров (грузоподъемности, КПД, срока службы и т. д.). Снижение материалоемкости конструкции и связанная с этим экономия металлов являются важнейшей народнохозяйственной задачей.

Пластмассовые детали снижают материалоемкость в связи с малой массой и значительно более высоким коэффициентом полез­ного использования материала (в среднем КИСп = 0,9-0,95; при прессовании 0,9; при литье и выдавливании 0,95). Затраты на мате­риал составляют 40—75 % всех затрат на изготовление машин, поэтому экономия материала — один из важнейших резервов сни­жения себестоимости машин. Иногда вследствие высокой стои­мости некоторых пластмасс снижение массы материала на кон­струкцию не приводит к уменьшению затрат на материал, но при этом необходимо учитывать и другие выгоды. При использо­вании металлических деталей требуется три вида обработки (литье, термообработка, механическая обработка) с большим числом опе­раций (до 30—50), а пластмассовых деталей — только один вид обработки — формообразование детали методом пластической де­формации.

Таким образом, замена металлических деталей пластмассо­выми весьма эффективна. При этом уменьшается масса конструк­ции в 4—5 раз; снижается трудоемкость изготовления деталей примерно в 4—5 раз; число операций и их трудоемкость умень­шается в 5—б раз, что сокращает длительность производственного цикла и высвобождает оборотные средства. Капиталовложения (затраты на здания, оборудование, инвентарь) также уменьшаются в 4—6 раз. Себестоимость продукции снижается в 2—3 раза. Детали из пластмасс не только дешевле деталей из цветных металлов в 4—9 раз, но в отдельных случаях (литьевые) в 2—6 раз дешевле деталей из черных металлов,

В конструкциях летательных аппаратов, двигателей и приборов пластмассы и другие неметаллические материалы находят все большее применение, в среднем они составляют 7—25 % массы дозвуковых транспортных самолетов и до 20—30 % массы ракеты (без топлива).

В сельскохозяйственном машиностроении замена металлоке-рамических деталей на детали из сополимеров этилена позволяет увеличить срок службы подшипниковых втулок культиваторов в 2,4—3 раза. В цементном производстве футеровка сополимерами взамен стальных листов увеличивает срок службы бункеров, лот­ков, желобов в несколько раз.

Экономический эффект достигается на горно-обогатительных предприятиях, заводах черной и цветной металлургии (1 т листа из полиэтилена низкого давления или сополимеров этилена позво­ляет экономить 16—20 т легированной стали и т. д.).

Из пленочных материалов наиболее дешевые полиэтиленовые и поливинилхлоридные, более дорогие фторопластовые, поликарбонатовые и самые дорогие пленки полиимидные.

3 Композиционные материалы

Общие сведения, состав и классификация. Композиционные материалы с металлической матрицей практически не используются, а композиционные материалы с неметаллической матри­цей нашли широкое применение. В качестве неметаллических мат­риц используют полимерные, углеродные и керамические мате­риалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение полу­чили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Уголь­ные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из син­тетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связы­вает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60—80 об. %, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами) — 20—30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы, как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.