Материаловедение. Неметаллические материалы (стр. 13 )

В случае необходимости склеивания теплостойких резин на основе кремнийорганического каучука и приклеивания их к метал­лам применяют клеи, содержащие в своем составе Кремнийоргани­ческие смолы (клей КТ-15, КТ-30, MAC-IB). Клеевые соединения могут работать при температурах от —60 до 200—300 °С.

Клей-герметик виксинт применяют для склеивания резин, стекла, полиимидной пленки, стеклянных тканей.

Неорганические клеи. Эти клеи являются высокотемпературными. Клеи (связ­ки) могут быть в виде концентрированных водных растворов неорганических полимеров; в виде твердых порошков, которые сначала плавятся, а потом затвердевают, и в виде дисперсий. Последние затвердевают или вследствие химического воздействия порошка и жидкости (клей-цемент), или без химического взаимо­действия при высыхании (клеи-пасты).

Применяют следующие виды неорганических клеев: фосфатные, керамические, силикатные. Фосфатные клеи являются растворами фосфатов. Часто в состав клеев вводят наполнители инертные или активные. Порошки металлов образуют аморфные кислые фосфаты. Клей АХФС (на алюмохромфосфатной связке) отверждается при различных температурах (от 20 до 250 °С)

Керамические клеи (фритты) являются тонкими суспензиями оксидов щелочных металлов (MgO, A12O8, SiO2 и др.) в воде. Такие клеи наносятся на склеиваемые поверхности, подсушиваются, а затем при небольшом давлении нагреваются до температуры плавления компонентов и выдерживаются в течение 15—20 мин. Прочность соединения сохраняется при температуре 500—1000 °С.

Силикатные клеи. Жидкое стекло обладает клеящей способ­ностью, им можно склеивать стекло, керамику, стекло с металлом, асбест. Алюмосиликатная связка (АСС) с различными наполни­телями образует клеи, отверждающиеся при 120 °С за 1—2 ч. Клеями можно склеивать разнородные материалы (металлы, стекло, керамику). Прочность соединения металлов усж = 455 ~ 1100, у = 50-150 МПа.

Свойства клеевых соединений. Клеевые соединения наиболее эффективно работают на сдвиг. В клеевых соединениях могут происхо­дить равномерный и неравномерный отрыв и отдирание (отслаива­ние) пленки у кромки шва.

В случае неравномерного отрыва прочность соединения в несколько раз меньше, чем при равномерном отрыве. При сжатии прочность клеев больше в 10—100 раз, чем при растя­жении.

Прочность склеивания существенно зависит от температуры причем большое влияние оказывает вид клея и характер напряжен­ного состояния. Коэффициент Пуассона клея м = 0,3; модуль сдвига G = 0,38 Е; модуль упругости Е = 2000 ~ 4000 МПа; удлинение отвержденной пленки около 3,5 %. 

Рисунок 8 - Зависимость разрушающего напряжения при сдвиге клеевых соеди­нений титановых сплавов на основе полиамидного клея от продолжитель­ности и температуры старения: / — 204 °С; 2 — 260 °С; 3 — 315 °С

Теплостойкость клеев различна. Фенолокаучуковые и эпоксид­ные клеи работают длительно (до 30 000 ч) при температуре 150 °С и выше. Полиароматические и элементоорганические клеи выдержи­вают температуру 200—400 °С в течение 2000 ч; карборансодержащие клеи — до 600 °С в течение сотен часов.

Клеящие материалы со временем «стареют». В условиях экс­плуатации и при хранении склеенных изделий наступает охрупчивание клея, которое протекает тем быстрее, чем выше температура (рисунок 8). Увеличение жесткости клея вызывает возрастание концентрации напряжений, вследствие чего прочность падает. Наиболее высокой термостабильностью обладают полиимидные и полибензимидазольные клеи. Некоторые клеи при действии переменных температур теряют 8—20 % прочности. Выносливость — число циклов до разрушения клеевого шва — зависит от вида клея.

Герметики. Герметики применяют для уплотнения и герметизации клепаных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков и баков, различных металлических конструкций, приборов, агре­гатов.

Тиоколовые герметики получают на основе полисульфидкого каучука. Сера, входящая в состав основной молекулярной цепи, сообщает пленке высокую газо - и паронепроницаемость. У них высокая адгезия к металлам, древесине, бетону. Они стойки к топливу и маслам.

Промышленностью выпускаются тиоколовые герметики У-ЗОМ и УТ-31. Срок службы герметиков 25 лет. Их применяют в авиа­ционной и автомобильной промышленности, в судостроении, для строительной техники.

Анаэробные герметики получают на основе полиакрилатов. Эти герметики выпускаются под названиями анатерм и унигерм, за рубежом они называются локтайдами. При отверждении они не дают усадки и не требуют больших давлений. Пленка герметиков стойка к вибрации и ударам, они могут работать в агрессивных средах и при высоких давлениях, длительно при температуре от —200 до 200 °С, кратковременно до температуры 300 °С. Прочность соединения при сдвиге в случае использования анатерма составляет 6—17,5 МПа.

Анаэробные герметики применяют для герметизации микроде­фектов в сварных соединениях, отливках, штампованных деталях, для контровки болтов, резьбовых соединений, герметизации трубо­проводов и др. Недостатком этих герметиков является высокая стоимость.

Кремнийорганические герметики отличаются повышенной теп­лостойкостью. Представителями их являются виксинт и эластосил. Виксинт применяется для поверхностной герметизации металли­ческих соединений, электро-, радиоаппаратуры, для внутришовных клепаных и сварных соединений; может работать при температуре от —60 до 250 °С; стоек в различных климатических условиях; выдерживает вибрацию и удары.

Эластосил применяется для герметизации металлов, органи­ческих и силикатных стекол, керамики, бетона; водо-, тепло-, атмосферостоек при температуре от —60 до 200 °С, является диэлектриком.

Эпоксидные герметики могут быть холодного и горячего отверж­дения; работают в условиях тропической влажности, при вибра­ционных и ударных нагрузках; применяются для герметизации металлических и стеклопластиковых изделий. Герметик УП-5-197С применяется в судовых конструкциях, УП-6-103 в шахтной аппа­ратуре, УП-5-105-2 в электрорадиотехнических изделиях, УП-5-122АТ стоек к топливу и маслам. Герметики холодного от­верждения могут работать длительно при температуре от —60 до 75 °С, горячего отверждения при температуре от —60 до 140 °С

6 Керамические материалы

Керамика — неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемператур­ного обжига. В результате обжига (1200—2500 °С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходи­мые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезирован­ные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В кера­мике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газо­вая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные хи­мические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1 —10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежела­тельно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обла­дает плотной спекшейся структурой поликристаллического строе­ния, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А12О3 (ко­рунд), ZrO2, MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекло­видной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров Как и для других неорганических материалов, оксидная керамик обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупно кристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается. При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамик из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Керамика на основе А12О3 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвертеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую — как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавление различных металлов, окислов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3960 кг/м3, твердость 92—93 HR. и красностойкость до 1200 °С. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.