Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 26 )

Основной вопрос сейчас - умение конструировать изделия из керамики, максимально используя ее достоинства как конструкционного материала и создавая в самой конструкции наиболее благоприятные условия, сводящие к минимуму ее недостатки (отсутствие пластической деформации и низкую ударную вязкость).

Керамика как конструкционный материал практически не изучена. В редких зарубежных публикациях не рассматриваются вопросы создания керамических конструкций, а описываются лишь свойства керамики и технологии ее получения. В настоящее время конструктор находится в затруднительном положении: он не имеет ни практического опыта конструирования силовых элементов из керамики, ни даже основных исходных данных для достоверного анализа ее работоспособности.

Другим обстоятельством, осложняющим работу конструктора, является то, что детали из конструкционной керамики должны изготавливаться сразу и целиком, поскольку пока нет возможности получать их сваркой или деформированием, собирать на болтах и винтах, клепать и т. д. Этим обусловлена жесткая связь конструкции изделия из керамики с технологией изготовления, зависимость фактических свойств материала в самом изделии от конструкции и технологии. Например, реальная прочность конструкции может быть резко снижена в результате действия остаточных напряжений и образования дефектов, возникших при формировании и обжиге изделий, спроектированных без учета специфики керамики.

При постановке и развертывании работ необходимо определить комплексный подход к решению создания изделий и деталей из керамики. Сущность его заключается в том, что «отработка» конструкции, материала и технологии должна проводиться в неразрывной и взаимной связи, т. е. свойства материалов должны определяться по методикам, учитывающим условия эксплуатации реальных конструкций, а размеры образцов и технология их получения - приближаться к таковым у изделия. Только при таком подходе будет обеспечена реальная возможность создания силовых конструкций из хрупких материалов. В этом случае над решением единой задачи под единым руководством и по единой идеологии работают одновременно и конструкторы и технологи, испытатели и исследователи материала.

Необходимо отметить, что конструкция из керамики требует совершенно иных решений, например, в сопловом аппарате ГТД нельзя просто заменить металлическую лопатку керамической - в этом случае следует учитывать хрупкость керамики и условия теплового воздействия. В настоящее время накоплен определенный опыт конструирования и создания теплонапряженных силовых конструкций. Теоретические и практические исследования позволили выработать некоторые аспекты научного конструирования деталей и элементов из хрупких материалов и сформулировать принципы их проектирования.

Глава 5. ПЛАСТМАССЫ

5.1. Состав, классификация и свойства пластмасс

Пластмассами называют материалы, основу которых составляют органические полимеры, находящиеся при формировании изделия в вязкотекучем или вязкоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом. Различают термопласты, т. е. полимеры пластмассы, способные размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, и реактопласты, т. е. пластмассы, изготовленные на основе отвердевающих олигомеров. Особенность последнего класса пластмасс заключается в том, что в результате их полимеризации (или поликонденсации) исходные сырьевые материалы необратимо переходят в неплавкие нерастворимые вещества с жесткой пространственной структурой.

В отдельный класс полимеров относят эластомеры. Эластомеры применяются чаще всего как высокомолекулярные пластификаторы для снижения хрупкости стеклообразных или кристаллических полимеров. Расширение применения эластомеров в составе композиционных материалов на основе пластмасс сдерживается пониженным сопротивлением тепловому старению и термоокислительной деструкции эластомеров, содержащих двойные связи. Кроме того, повышенная липкость и деформируемость эластомеров обычно не позволяют выпускать их в гранулированном виде, что также затрудняет их применение в технологии переработки пластмасс. Лишь немногие эластомеры доступны сегодня в гранулированном виде. Тем не менее, применение эластомеров как компонентов смесевых композиционных материалов (в том числе конструкционных) непрерывно расширяется.

Наиболее существенным преимуществом пластмасс является их низкая плотность (в среднем 1200 кг/м3), тогда как плотность черных металлов равна приблизительно 7800 кг/м3. Использование пластмасс для изготовления деталей автомобиля, например кузовов или бамперов, позволяет снизить, и довольно значительно, удельный расход топлива в процессе эксплуатации машины. Кроме того, пластмассы более технологичны, чем металлы, они легче формуются, не требуют для обработки применения высоких температур и высокопрочного режущего инструмента. Они вытесняют бетон и металл в системах водоснабжения. Для этого есть веские причины. Одна из них – меньшая материалоемкость. Так, стенки пластмассового резервуара для воды емкостью 500 м3 в 2 - 3 раза тоньше, чем аналогичного железобетонного. Но достоинство пластмасс не только в этом. При изготовлении таких резервуаров из армированного стеклопластика времени требуется на неделю меньше, чем при изготовлении бетонных резервуаров.

Пластиками называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В их состав входят связующие материалы и наполнители. Исходная композиция может содержать также отвердители (амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также красители.

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), получаемые 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 хрупки, часто дают большую усадку (до 10 - 15 %) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассу делят на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька и др.; 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); газонаполненные (наполнитель - воздух или нейтральные газы - пено- и поропласты).

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами.

Особенностями пластмасс являются малая плотность (1 - 2 т/м3); низкая теплопроводность [0,1 - 0,3 Вт/(м*К)], значительное тепловое расширение, в 10 - 30 раз больше, чем у стали [(15 - 100) 10-6 °С-1]; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость; фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность силовых пластиков сопоставима с прочностью стали. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства.

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

5.2. Термопластичные пластмассы

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60 - 70 °С начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более теплостойкие структуры могут работать до 150 - 250 °С, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400 - 600 °С.

При длительном статическом нагружении появляется вынужденно-эластическая деформация и прочность понижается. С увеличением скорости деформирования не успевает развиваться высокоэластическая деформация и появляется жесткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности термопластов составляет 10 - 100 МПа. Модуль упругости (1,8 - 3,5)103 МПа. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2 - 0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности.

Термопласты делят на неполярные и полярные.

5.2.1. Неполярные термопластичные пластмассы

К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (–СН2–СН2–)n – 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, полиэтилен средней плотности (раньше его называли полиэтиленом высокой плотности), получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74 - 90 % и полиэтилен высокой плотности, получаемый при среднем давлении и имеющий кристалличность 85 – 93 %.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре до 60 - 100 °С. Морозостойкость достигает - 70 °С и ниже. Полиэтилен химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей.