Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Химия / Другие методич. материалы / «Формирование понятия композиционных материалов на примере композитов, используемых в авиастроении: изучение их свойств, применения».
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 26 апреля.

Подать заявку на курс
  • Химия

«Формирование понятия композиционных материалов на примере композитов, используемых в авиастроении: изучение их свойств, применения».

Выбранный для просмотра документ Задания группам.docx

библиотека
материалов

Задания группам

Определите:

  • К какому классу композитов относится выбранный образец?

  • Какими свойствами обладает данный композит?

  • Какие детали самолета можно изготовить из него?

Ответьте на вопросы:

Что такое композиционные материалы?


В чем преимущества композиционных материалов?


В чем недостатки композиционных материалов?


Почему композиционные материалы изготавливают слоями?


Отчего зависят условия получения композитов?


Отчего зависят условия получения матриц?


Отчего зависят условия получения наполнителей?


К какому классу композитов относиться данный образец?


Предположите:

Что в данном образце является:

  • матрицей

  • наполнителем?


Какими свойствами может обладать данный образец?


Для каких деталей, частей самолета он может быть использован?


Вылепить структурную формулу фенолформальдегидной матрицы.


Составьте полные и краткие уравнения реакций получения матриц (полимеризации или поликонденсации) используемых при производстве данного композита.


Подготовить сообщение по итогам изучения образца. Подтвердите или опровергните гипотезу: «Благодаря композиционным материалам самолеты становятся легче и могут летать быстрее, выше и дальше с меньшими расходами».




Выбранный для просмотра документ Затруднения.docx

библиотека
материалов

Фиксация затруднения

(Выберите начало предложения, объясняющего ваше затруднение и продолжите его (письменно).

Проанализируйте шаг за шагом и проговорите в слух, что и как вы делали (затруднение)

Зафиксируйте операцию, шаг , на котором возникло затруднение (место затруднения)

Соотнести свои действия на этом этапе с вашим опытом и зафиксируйте. Какого знания или умения недостает для решения исходной задачи ( причина затруднения).



  1. не смог выполнить задание…

  2. Не смог правильно решить поставленную задачу..

  3. получил верный ответ, но не смог его обосновать…

  4. получил верный ответ, смог его обосновать, но не смог объяснить способ получения правильного ответа…

  5. не смог выполнить условия задания…

  6. не могу выполнить задание за 20 минут…

  7. Другое……



Выбранный для просмотра документ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (2).docx

библиотека
материалов

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Одно из самых древних, по всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5):

«И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу”. Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте».

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Структура композиционных материалов. По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Б) Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Е) Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицейПри создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны –одинаковы во всех направлениях. Добавление 5–10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создает значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т.д.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3–15 мм и диаметром 1–30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24% «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза – других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

Екатерина Менделеева

Композиты: сегодня и завтра

Начавшийся бум в применении композиционных материалов, очевидно, является ответом на повышение требований современной техники и высокотехнологичных отраслей. Практика показала, что путем подбора состава и свойств компонентов композиционных материалов (матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя) можно обеспечить получение практически любых изделий с заранее заданным сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Чем объяснить стремительно растущий интерес к композиционным материалам именно сегодня? Прежде всего тем, что традиционные материалы (главным образом, металлы) не всегда отвечают потребностям современной инженерной практики. Например, в особо жестких условиях эксплуатации незаменимость композитов обеспечивается сочетанием таких важнейших характеристик, как высокая механическая прочность, теплостойкость, коррозионная стойкость, малая плотность. Во-вторых, многообразие комбинаций различных исходных материалов и их компонентов, а также технологий их переработки в композитные материалы и изделия практически бесконечны и ограничены только уровнем развития науки и техники. При этом используются такие преимущества композитов, как возможность «бесстружечной» обработки (литье, прессование, экструзия) с получением изделий любой формы, что существенно снижает производственные затраты.

В мировой практике в зависимости от материала матрицы композиционные материалы подразделяются на полимерные, керамические, металлические, а также углерод-углеродные композиты. В настоящее время на международном и российском рынке наибольшее распространение получили полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые, в свою очередь, делятся по типу используемого волокна: углепластики создаются на основе углеродных волокон, стеклопластики – стеклянных, органопластики – органических, базальтопластики – базальтовых волокон и т.п. ПКМ также делятся на непрерывно армированные (в качестве наполнителя выступают текстильные материалы на основе непрерывных волокон: нити, жгуты, ленты, ткани, объемноплетеные формы), дискретно армированные (упрочненные дискретными – рубленными или штапельными волокнами), наполненные (упрочненные различного рода дисперсными частицами). В современной технике наибольший интерес представляет класс непрерывно армированных ПКМ. Такие материалы, по праву относящиеся к классу конструкционных, способны обеспечить максимальную реализацию прочностных характеристик при создании уникальных изделий и конструкций нового поколения применительно к ответственным сооружениям и сложным техническим системам.

Рынок полимерных композитов

По экспертным оценкам, объем мирового рынка полимерных композитов за 2011 год составил около 13 млн т. Основными производителями композитов в мире (в объемном выражении) являются Китай (28%), США (22%) и Европейский Cоюз (14%). Объем российского рынка составляет 0,5–1% от мирового, то есть практически находится в пределах статистической погрешности. Статистика мирового потребления конструкций и изделий из ПКМ (в стоимостном выражении) показывает, что основный их объем сосредоточен в гражданских секторах экономики. Среди них следует выделить строительную индустрию, включая строительство объектов транспортной инфраструктуры (18% мирового объема потребления), энергетику и электронику (21%), транспортное машиностроение (15%), жилищно-коммунальное хозяйство (12%), ветроэнергетику (более 11%). Таким образом, основным драйвером роста выступает строительный сектор, на который с учетом транспортной и коммунальной инфраструктуры приходится 30% общего объема мирового потребления ПКМ и изделий из них.

hello_html_4d3f1352.jpg

Направления развития производства и потребления ПКМ в гражданских отраслях промышленности России в целом соответствуют мировым тенденциям. По оценкам, основными потребителями ПКМ в гражданском секторе к 2020 году будут транспортная инфраструктура, строительная индустрия, энергетика, силовая электроника и радиотехника (без инфраструктуры), транспортное машиностроение, включая автомобилестроение, цветная металлургия, химия и нефтехимия, жилищно-коммунальный комплекс, нефте- и газодобыча, гражданское авиа- и судостроение.

Роль ВИАМ в создании композитов

Первый отечественный композиционный материал был создан в 1939 году. Этот материал, получивший название «дельта-древесина», был разработан учеными ВИАМа под руководством профессора Я.Д. Аврасина на основе шпона карельской березы и бакелитового лака. В годы Великой Отечественной войны в условиях дефицита алюминиевых сплавов дельта-древесина стала основным конструкционным материалом планеров самолетов и воздушных винтов. Инициатором дальнейшего развития ПКМ, прежде всего для отраслей ВПК, также стал ВИАМ.

В конце 60-х годов после соответствующей инициативы начальника ВИАМа, члена-корреспондента АН СССР А.Т. Туманова были приняты государственные решения и выделены основные направления первоочередных НИОКР: двигателестроение, транспортная авиация, ракетная техника, фронтовая авиация, вертолетостроение. Были созданы производства армирующих волокнистых наполнителей, полимерных связующих и специальных химических добавок, технологическое оборудование и т.д. В профильных учреждениях высшего и профессионального образования была организована целевая подготовка специалистов. ВИАМ был определен головной научной организацией, на которую возлагалась разработка основных компонентов и разработка требований к специальным химическим соединениям и армирующим наполнителям, а также координация работ предприятий различных отраслей по данному направлению. Кроме того, в задачу ВИАМа входило проведение квалификации композиционных материалов, согласование нормативной документации на исходные компоненты, а также технологической документации и материальной спецификации на изготовление изделий. Начальник ВИАМа А.Т. Туманов был назначен руководителем секции «Композиционные материалы» Научного совета АН СССР по конструкционным материалам для новой техники, который возглавил первый заместитель начальника ВИАМа академик С.Т. Кишкин. В общей сложности для нужд предприятий авиационной и ракетно-космической промышленности в ВИАМе было разработано более 300 марок ПКМ, и на базе этих разработок предприятия отрасли освоили в общей сложности производство около 700 марок полимерных материалов.

Следует отметить, что до начала 90-х годов на мировом рынке наша страна наряду с США и Японией входила в число лидеров по объему производства и применения ПКМ. При этом СССР и США развивали отрасль ПКМ главным образом применительно к изделиям оборонно-промышленного комплекса, в то время как основные области применения ПКМ в Японии сосредоточились в гражданском сегменте.

hello_html_1b8c59e6.jpg

С 1992 года развитие отрасли ПКМ в России фактически было прекращено. Новое руководство страны вернуло это направление в число приоритетных, поставив задачу создать новое поколение полимерных композиционных материалов и расширить объемы их производства и применения в различных секторах экономики. В мае 2002 года мне, как Генеральному директору ФГУП «ВИАМ», была предоставлена возможность изложить состояние дел и внести предложения на докладе у главы государства. По инициативе Президента РФ В.В. Путина была разработана и утверждена программа по созданию авиационно-космических материалов и организации их малотоннажного производства. Впервые был реализован поддержанный Президентом РФ принцип малотоннажного производства дефицитных и импортозамещающих материалов на базе ведущих НИИ. Реализация данной программы позволила создать 55 производственных участков для выпуска 273 материалов и их компонентов.

В 2009 году в связи с критическим увеличением объема дефицитных и импортируемых материалов для производства ВВСТ была разработана и утверждена ФЦП «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009–2011 годы и на период до 2015 года». В области ПКМ реализация данной программы позволила к 2015 году создать 27 новых производственных объектов, восстановить и разработать 272 технологии производства материалов и обеспечить импортозамещение 361 материала. При этом создано новое поколение арамидных волокон с пониженным влагопоглощением и повышенными механическими характеристиками, разработан комплекс высокодеформативных связующих, не уступающих, а по отдельным характеристикам превосходящих зарубежные аналоги, восстановлено производство ряда других стратегически важных материалов и компонентов. На базе ВИАМ создан центр компетенций по разработке, квалификации и производству полуфабрикатов ПКМ, в ОНПП «Технология» (ОАО «РТ-Химкомпозит» ГК «Ростехнологии») начал работать центр компетенций по производству крупногабаритных конструкций из ПКМ авиационного и космического назначения и т.п.

hello_html_m2ea885ed.jpg

Традиционно в нашей стране инновации в области ПКМ создавались и создаются преимущественно в государственном секторе науки, в основном для оборонно-промышленного комплекса и сложных технических систем в авиационной, ракетно-космической, атомной промышленности и судостроения. Основной объем научно-исследовательских работ, направленных на разработку новых полимерных связующих, ПКМ, технологий их производства и переработки в конструкции, выполняют отраслевые материаловедческие научные центры и научные организации с государственным участием, такие как ФГУП «ВИАМ», ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «ГНИИХТЭОС», ОАО «Композит», ОАО «НИИПМ» и др., а львиная доля (около 80%) опытно-конструкторских работ, связанных с разработкой изделий на основе ПКМ, выполняется отраслевыми КБ, входящими в интегрированные структуры с государственным участием (ОАК, ОДК, «Вертолеты России» и др.).

Гражданские сферы применения ПКМ

В современной России расширяется применение ПКМ в гражданских секторах экономики: строительной индустрии, инфраструктуре, транспортном, сельскохозяйственном и общем машиностроении, химической и нефтехимической промышленности, энергетическом комплексе. Это способствовало появлению во второй половине 90-х – начале 2000-х годов коммерческого сегмента исследований и разработок, выполняемых как за счет средств бизнес-сообщества (70%), так и с привлечением разных форм бюджетного софинансирования. На текущий момент, по экспертным оценкам, объем производства ПКМ и изделий из них в РФ составляет не более 20–25 тыс. т и не более 12–16 млрд руб. в стоимостном выражении.

К наиболее перспективным рынками ПКМ в нашей стране сегодня можно отнести строительную отрасль, нефтегазовую промышленность, железнодорожный и автомобильный транспорт, судостроение. На долю этих отраслей в мире приходится около 60% объема производимых полимерных композиционных материалов, чему способствует, в частности, ужесточение экологических норм и задачи снижения энергопотребления. Кроме того, в этих отраслях реализуются главные преимущества ПКМ, такие как высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред и неблагоприятных условий эксплуатации, а также сравнительно низкая плотность самих материалов.

Использование композитов становится важным фактором конкурентоспособности выпускаемой продукции. В условиях возрастающей конкуренции формируются компании, специализирующиеся на производстве сырья и компонентов для композитных материалов, инвестирующие крупные средства в исследование и развитие новых материалов, таких как термопластические смолы, угольные и стекловолокна нового поколения, композиты на основе растительных материалов. По-видимому, в обозримой перспективе можно ожидать развития подобных тенденций и в обрабатывающей индустрии.

Разработка сравнительно дешевых технологий в ближайшем будущем приведет к тому, что различные композиционные материалы, и в первую очередь углепластики, получат широкое применение в автомобилестроении. Они могут обеспечить серьезное снижение массы автомобиля, а значит, существенную экономию горючего и, соответственно, снижение вредных выхлопов. По расчетам, снижение массы автомобиля на 7 кг может обеспечить повышение его экономичности на 0,0042 км/л. Замена деталей из черных металлов на детали из углепластиков, стеклопластиков и других конструкционных полимерных материалов позволит снизить массу автомобиля в среднем на 320 кг. Так, в Германии фирма BMW уже начала серийно выпускать модели с использованием ПКМ на основе углеродного волокна, производимого немецкой компанией SGL Group.

hello_html_1b9d2656.jpg

Полимерные композиционные материалы позволяют создавать безнаборные или редко подкрепленные набором корпусные конструкции современных, в том числе высокоскоростных, судов. Важно, что создание крупногабаритных элементов из ПКМ не требует применения сварки, а это снижает стоимость работ не менее чем на 10% и повышает надежность эксплуатации судов. Без использования композиционных материалов практически невозможно создание суперглубоководных средств. Высокая демпфирующая способность ПКМ в сочетании с высокими физико-механическими характеристиками обеспечивает уменьшение перегрузок сложных технических систем. Малая плотность материалов при обеспечении пожаробезопасности позволяет применять их в архитектуре надводной части судов всех типов, что способствует улучшению устойчивости, уменьшению радиолокационной заметности судов, облегчению эксплуатации корпуса.

Высокая устойчивость ПКМ к коррозионным воздействиям, ровная и плотная поверхность изделий, получаемая при формовании, позволяют в ряде случаев отказаться от окрашивания, что играет немаловажную роль в строительной индустрии. Уже сегодня за рубежом из общего объема производства ПКМ (около 8 млн т/год на сумму около 59 млрд евро) почти треть идет для использования в строительстве. В среднем объемная масса ПКМ в 2 раза меньше, чем у алюминия, и в 5–8 раз меньше, чем у стали, меди, свинца. Пределы прочности при сжатии и растяжении ПКМ достаточно высоки и превосходят в этом отношении многие строительные материалы силикатной группы (кирпич, бетон). В целом комплекс свойств строительных материалов можно описать коэффициентом конструктивного качества, который для кирпичной кладки составляет 0,02 (самый низкий из всех строительных материалов), у цементного бетона марки 150 – 0,06, стали марки Ст.3 – 0,5, сосны – 0,7, дюралюминия – 1,6, композиционных конструкций – 2,2. Внедрение в строительство материалов с высоким коэффициентом конструктивного качества предопределяет решение одной из основных задач – снижение веса зданий и сооружений, увеличение сроков их эксплуатации и межремонтного обслуживания.

Применение ПКМ в строительстве мостов значительно сокращает массу сооружения по сравнению с железобетонными конструкциями, что позволяет возводить их быстро, практически не нарушая движение транспорта. Кроме того, при сравнительно более высокой стоимости исходных материалов (в настоящее время) по затратам на весь период эксплуатации мост из ПКМ значительно более выгоден, чем железобетонный, поскольку не требует капитального ремонта и обеспечивает безопасную эксплуатацию до 50 лет, так как ПКМ практически не подвержен коррозии. Как показал зарубежный опыт, использование полимерных композиционных материалов в мостовых сооружениях обеспечивает получение качественно новых долговечных конструкций.

По экспертным оценкам, при замене, например, чугунных ограждений на конструкции из ПКМ стоимость монтажных работ сокращается с 13200 до 2500 руб. за погонный метр, транспортировочные расходы – с 880 до 50 руб./п.м, расходы при эксплуатации – с 8200 до 1300 руб./п.м. По сравнению с аналогичными металлическими трубами, трубы из композиционного материала имеют также ряд преимуществ: срок службы без капитального ремонта в 2–2,5 раза больше, чем у стальных труб. Малый удельный вес композиционного материала и высокая заводская готовность конструкций позволяют существенно упростить монтаж и сократить его длительность в несколько раз. Весьма перспективно использование композитов в строительстве вантовых мостов, армировании сооружений в сейсмоопасных регионах, усилении высотных сооружений и сложных инженерных конструкций.

Перспективы применения композитов в России

Министерство промышленности и торговли РФ на конкурсной основе выделяет субсидии на поддержку развития производства композиционных материалов и изделий из них в рамках реализации программы «Разработка технологий получения комплекса композиционных материалов (композитов) нового поколения, изделий и конструкций из них» и подпрограммы  «Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них». Главная цель – стимулирование развития отрасли конструкционных и композиционных материалов нового поколения.

В ходе реализации подпрограммы будет создана современная нормативно-правовая и нормативная техническая база, регламентирующая разработку, производство и широкое внедрение композиционных материалов и изделий из них в ключевых секторах экономики. Будут разработаны и реализованы пилотные масштабируемые инновационные проекты на основе первоочередных отраслевых проблемно-ориентированных НИОКР, а также сформирована национальная база интеллектуальной собственности в области производства современных композиционных материалов и изделий из них гражданского назначения.

Основной ожидаемый результат заключается в росте объема внутреннего производства продукции композитной отрасли, который к 2020 году составит 120 млрд руб., а объем потребления продукции отрасли на душу населения к 2020 году составит не менее 1,5 кг. Количество разработанных технологий мирового уровня, прошедших опытную отработку и готовых к коммерциализации или переданных в производство, к 2016 году составит не менее 65 единиц, а количество полученных патентов, ноу-хау и других правоохранных документов, удостоверяющих новизну технологических решений, – не менее 58 единиц.

В рамках данной подпрограммы ФГУП «ВИАМ» реализует два пилотных масштабируемых инновационных проекта. Первый проект: «Разработка технологий получения композиционных материалов нового поколения и конструктивных решений для применения при строительстве быстровозводимых мостовых сооружений с использованием в качестве надземных частей опор арочных элементов и профилированного настила, а также освоение производства высокотехнологичной продукции на основе полученных технологически решений». Соисполнителем в данном проекте является ОАО «НИИ Графит». Быстровозводимые мостовые сооружения с использованием в качестве надземных частей опор арочных элементов и профилированного настила из композиционных материалов нового поколения обладают рядом существенных преимуществ. Они устойчивы к коррозии и воздействию высоких и низких температур, в 20 раз легче бетонных и в 5 раз легче стальных конструкций, что позволяет сократить расходы на строительство и эксплуатацию. Изготовление арочного моста на строительной площадке занимает всего два-три месяца, и, следовательно, это позволяет резко сократить экономические потери и уменьшить загрязнение окружающей среды. Помимо этого, возведение арочных мостов с применением элементов конструкции из ПКМ возможно в труднодоступных районах (горная местность и местность с вечной мерзлотой).

В целом по двум сегментам (автомобильные и железные дороги) емкость рынка мостовых сооружений оценивается на уровне 80 тыс. штук. При условии, что средний срок эксплуатации мостов составляет 20–25 лет, каждый год необходимо заменять или проводить капитальный ремонт не менее 3000 мостов. Однако на сегодня фактическое количество мостов, требующих замены, в 2–3 раза больше в связи с тем, что последние 10–15 лет обновление транспортной инфраструктуры в стране проводилось крайне медленно.

Пилотный объект по данному проекту будет построен в 2016 году в Ульяновской области.

Второй инновационный проект – «Разработка технологий получения композиционных материалов нового поколения и конструктивных решений для создания опорных плит и электроизолирующих стяжек соединительных элементов из композиционных материалов для силовых сборок блоков коммутаторов на основе импульсных фототиристоров, предназначенных для создания сверхмощных электромагнитных полей в схемах импульсно энергетики, а также освоение производства высокотехнологичной продукции на основе технологических решений». Соисполнителями по данному проекту являются ООО «Центр нанотехнологий и наноматериалов» и ООО «Новые композитные материалы» (г. Саранск). Применение опорных плит и электроизолирующих стяжек соединительных элементов из композиционных материалов приводит к снижению совокупной стоимости владения, увеличению срока службы оснований сборок за счет уменьшения сроков ремонта, а также снижению веса конструкций на 80%.

Заключение

Композиционные материалы являются одним из наиболее востребованных материальных ресурсов современного промышленного производства. Особенно широко и эффективно они используются в высокотехнологичных отраслях. В настоящее время нет ни одного летательного аппарата, в конструкции которого не были бы использованы композиты. В некоторых конструкциях планера современных летательных аппаратов объем использования ПКМ достигает 60%. Подсчитано, что, например, благодаря композитным составляющим вес Ту-204 удалось снизить на 1200 кг по сравнению с аналогичной металлической конструкцией. А поскольку каждый сэкономленный килограмм веса воздушного судна снижает потребление топлива на 2–3 кг в год, то при цене авиационного керосина 30–40 руб./кг ежегодная экономия доходит до 144 тыс. руб.

hello_html_m99219ef.jpg

В России общепризнанным лидером в разработке состава и технологии производства композитов является Всероссийский институт авиационных материалов. Новые поколения композитов, разработанных ВИАМом, находят свое применение в создании новых образцов авиационной и ракетной техники и не уступают, а по ряду показателей превосходят зарубежные аналоги.

Полимерные композиционные материалы обеспечивают в силовых конструкциях высокую эксплуатационную надежность и долговечность, что помимо традиционных отраслей применения (авиация, космонавтика, судостроение) весьма актуально в строительной индустрии, энергетике, машиностроении, конструкциях дорожной инфраструктуры (в частности, мостовые сооружения) и других отраслях.

Пресс-служба ВИАМ



лючевые слова:полимеры, полимерные отходы, композиционные материалы, полимерная матрица, наполнители.   Сегодня производится примерно 150 видов пластиков. 30 % от этого числа представляют смеси разных полимеров. Практика последних десятилетий показала, что сформировался рынок полимеров крупнотоннажного производства. В связи с этим возникает проблема переработки отходов полимерных материалов, и она обретает актуальное значение не только с позиций охраны окружающей среды, но и с экономических позиций [1–5]. В общей массе полимерных отходов основной удельный вес занимает полиэтилентерефталат — 25 %, затем полиэтилен высокой плотности и низкой плотности (ПЭВП, ПЭНП) — по 15 %, полипропилен (ПП) — 13 %, полистирол (ПС) — 6 %, поливинилхлорид (ПВХ) –5 % и прочие полимеры, использование которых пока ограничено — 21 %. Одним из направлений использования полимерных отходов является создание композиционных материалов с использованием различных наполнителей, в том числе и техногенных отходов (зола уноса ТЭС и шлак металлургических предприятий) [6–8]. Из всех пластиков общего назначения на первое место сегодня выходят полипропилен, полиэтилентерефталат и полиэтилен. Причем полипропилен потеснил все другие полиолефины благодаря разнообразию смесей, сплавов и композитов на его основе [9]. На кафедре химии на протяжении нескольких лет проводится экспериментальная работа по созданию различных полимерных композитов и исследованию их свойств. В качестве наполнителей были использованы мел, тальк, древесная мука и техногенные отходы [10–14]. Результаты экспериментальной работы позволяют утверждать, что природа наполнителя влияет на свойства композита и определяет области его применения. Похожая статья: Влияние химического состава легированных железоуглеродистых сплавов на триботехнические свойства антифрикционных материалов для подшипников скольжения Изделия из минералонаполненных пластмасс находят широчайшее применение в промышленном производстве, в авиа-, автомобилестроении, производстве электронной техники, строительстве, включая реконструкцию зданий и сооружений, производстве емкостей нефтехранилищ, труб, при изготовлении электротехнических изделий, при производстве медицинской техники, спортивного инвентаря и товаров народного потребления (ведра, тазы и другие) [7, 15, 16]. Выбор тех или иных добавок для создания композиции, отвечающей требованиям, связан с их влиянием на ее свойства [17]. Направленное изменение свойств базового полимера достигается путем введения следующих добавок [7]: -          наполнителей для упрочнения и (или) удешевления материала; -          пластификаторов для улучшения технологических и эксплуатационных свойств; -          стабилизаторов для повышения технологической и эксплуатационной стабильности; -          фрикционных и антифрикционных добавок; -          добавок, регулирующих теплопроводность и электропроводность; -          антипиренов, снижающих горючесть; Похожая статья: Использование дисперсных наполнителей для создания композиционных материалов на основе полимерной матрицы -          фунгицидов, повышающих устойчивость к воздействию микроорганизмов; -          добавок, регулирующих оптические свойства; -          антистатиков; -          добавок, создающих ячеистую структуру, и другие. Наполнители необязательно должны быть твердыми [15]. Можно наполнить полимеры газом, тогда мы получим газонаполненные полимеры — пенопласты. Так решается задача резкого снижения плотности полимерных материалов. Очень сложно наполнить полимеры жидкостью, чтобы она была равномерно распределена в виде дисперсных капель, но в литературе можно найти описание методов получения и таких материалов [18]. Свойства наполненных полимерных композитов определяются характеристиками полимерной матрицы, дисперсного наполнителя и их взаимодействием на границе раздела. В результате этого взаимодействия уменьшается подвижность макромолекул и их сегментов в граничном слое, что приводит к повышению температур стеклования и текучести [15]. При переходе к дисперсному порошкообразному наполнителю возможность передачи напряжения от матрицы к наполнителю настолько снижается, что его вклад в увеличении прочности композита начинает конкурировать со снижением прочности матрицы из-за возникающей неравномерности напряжений и развития дефектов. Из-за этого прочность такого композита обычно не увеличивается по сравнению с прочностью матрицы (иногда даже несколько снижается). При наполнении вязких термопластов жесткими наполнителями в количестве более 20 % наблюдается переход от пластического течения к хрупкому разрушению. При этом имеет место существенное снижение ударной вязкости, работы разрушения. Модуль упругости растет с увеличением количества наполнителя, но при этом увеличиваются размер и количество трещин, «псевдопор», возникающих в процессе нагружения при отслаивании матрицы от дисперсных частичек в момент достижения напряжений, соответствующих адгезионной прочности системы. Теоретические данные показывают, что путем уменьшения размеров частиц наполнителя и разброса их диаметров можно существенно снизить вероятность появления крупных дефектов. Другим направлением в создании дисперсно-наполненных полимеров является их модификация частицами каучука для снижения хрупкости и повышения ударостойкости. По литературным данным известно, что результаты были получены для ударопрочного полистирола, эпоксидных и других матриц. Механизм упрочнения материалов весьма сложен, но главная роль отводится торможению развития трещины каучуковыми частицами. Многие авторы указывают на целесообразность создания в целях повышения прочности переходного слоя, обладающего высокой адгезией к матричному полимеру и каучуковой фазе [7]. Похожая статья: Получение композиционных полимерных материалов заданного качества Дисперсные наполнители повышают вязкость и температуру переработки полимеров, снижают технологическую усадку, повышают размерную стабильность готовых изделий, увеличивают модуль упругости материала. Введением в композиты наполнителей можно повысить теплостойкость, снизить горючесть, изменить твердость и прочность, повлиять на другие свойства материала [17, 19]. Содержание наполнителей в полимерном композите должно быть оптимальным как с точки зрения возможности его переработки, поскольку с его увеличением растет вязкость материала, так и с точки зрения его влияния на эксплуатационные характеристики. При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются. Изделия из наполненных полимеров сочетают в себе лучшие качества известных материалов: экологическую чистоту, высокие прочностные характеристики, обладают повышенными значениями износо- и химической стойкости, заданными электрическими, магнитными, бактериостатическими и антиобрастающими (грибками, моллюсками) характеристиками, хорошо поддаются механической обработке. Материал практически не имеет усадки, сохраняет устойчивость формы при высоких температурах [17]. Таким образом, при создании композиционных материалов, необходимо учитывать свойства наполнителей, а также предъявляемые к ним требования и влияние дисперсных неорганических наполнителей на свойства полимерной матрицы.

Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату:
Мельниченко М. А., Ершова О. В., Чупрова Л. В. Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов // Молодой ученый. — 2015. — №16. — С. 199-202.

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЫ

Ершова О.В. 1, Ивановский С.К. 1, Чупрова Л.В. 1, Бахаева А.Н. 1

1. ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Резюме  |   Комментарии (0)   |    PDF (975 K)  |   стр. 14-18

Утилизация пластиковых отходов является одной из самых актуальных общемировых проблем XXI века из-за воздействия мусора на окружающую среду и экологию планеты. Под прессом национальных законодательств и общественного протеста захоронение полимерных отходов на свалках становится все более непопулярным. Эти факторы, а также экологическая грамотность привели к разработке программ по утилизации изделий из полимерных материалов. Для вторичного использования утилизированных пластмасс достаточно стимулов: экологический аспект, спрос потребителей, требования законодательства и низкая стоимость. Поскольку в результате использования полимерных материалов их физико-механические свойства практически не меняются, то возможна их вторичная переработка [7, 16].

Пластические массы обладают многими ценными физическими и химическими свойствами, а композиты на основе пластмасс (с полимерной матрицей) приобретают дополнительные свойства, которые делают материал еще более полезным с точки зрения эксплуатации и, соответственно, привлекательным для потребителя. Способом придания дополнительных или улучшения имеющихся свойств является вспенивание композита. Главной целью использования наполнителей является снижение стоимости полимерных материалов и изделий из них [4, 17].

Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio- составление) – многокомпонентные материалы, состоящие из двух или более компонентов, количественное соотношение которых должно быть сопоставимым. Компоненты существенно отличаются по свойствам, а их сочетание должно давать некий синергический эффект, который трудно предусмотреть заранее [11].

Обычно один компонент образует непрерывную фазу, которая называется матрицей, другой компонент является наполнителем. Между ними создается адгезионное или аутогезионное взаимодействие, которое обеспечивает монолитность материала.

Получение композитов позволяет значительно расширить круг полимерных материалов и разнообразие их свойств уже на основе созданных и выпускаемых промышленностью полимеров. Физико-химическая модификация существующих полимеров, их комбинация с веществами иной природы, иной структуры – один из перспективных путей создания материалов с новым необходимым комплексом свойств [5, 8, 10].

Использование различных смесей полимеров, добавок, наполнителей и способов их обработки, введение их в полимер как в процессе синтеза, так и при переработке позволяет получать полимерные композиционные материалы разной структуры, с требуемым набором эксплуатационных свойств [6].

В зависимости от назначения композиционных полимерных материалов, с целью экономии дорогостоящего сырья, с учетом среды эксплуатации и декоративных требований, можно широко варьировать процентным содержанием исходного сырья и получать изделия с различными физико – механическими показателями, окраской и другими эксплуатационными свойствами.

Поэтому при переработке пластмасс необходимо знать свойства исходного полимерного сырья, добавок, способы их подготовки перед введением в полимер, влияние параметров переработки и разного вида пластмассоперерабатывающего оборудования на технологические и эксплуатационные свойства материалов, условия применения [15].

Современное производство нельзя представить без использования полимерных композиционных материалов в изготовлении тары и упаковки, применяемой в различных отраслях промышленности [3].

Анализ научных статей и технической литературы позволил систематизировать информацию о созданных различных композиционных материалах на основе полимерной матрицы. Приведём некоторые сведения о современных композитах, содержащих вторичное полимерное сырье.

Композиционный материал с отработанными отходами от компакт-дисков, содержащий полиэтилентерефталат и 10–50 % поликарбоната, обладает повышенными термостойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам, лучшей перерабатываемостью на технологическом оборудовании [14].

Частичная замена полиэтилентерефталата полибутилентерефталатом (этиленгликольная группа заменена на бутиленгликольную) приводит к получению материала с улучшенными свойствами, в частности, происходит снижение температуры стеклования и плавления, уменьшение полярности и увеличение эластичности [2].

Смеси полиэтилентерефталата с полиэтиленнафталатом (ПЭН) обладают лучшими барьерными свойствами по сравнению с полиэтилентерефталатом. Полиэтиленнафталат – более дорогой материал, но он медленнее кристаллизуется и имеет менее выраженные эффекты старения [2].

Грануляция смеси полиэтилентерефталата с 1–50 % совмещающихся с ним сополимеров этилена с акриловой или метакриловой кислотой позволяет получить материал с пониженной степенью кристалличности и ударной вязкостью, в 1,5–2 раза превышающей ударную вязкость исходного полиэтилентерефталата. Аналогичный эффект даёт введение сшитого полиэтилена, полипропилена или их сополимеров.

Композиционный материал на основе полиэтилентерефталатных хлопьев, стекловолокна и различный аддитивов находит применение в электротехнике, машино- и автомобилестроении, а также в других отраслях, где требуются инженерно-технические полимеры с высокими физико-механическими и электрическими свойствами. Полиэтилентерефталат, усиленный стекловолокном имеет следующие свойства: высокая твердость и жесткость; высокое сопротивление ползучести; высокая теплостойкость под нагрузкой; хорошие свойства трения и износостойкости; очень хорошие электрические и диэлектрические свойства; высокая химическая стойкость и стойкость к действиям окружающей среды; окрашиваемость поверхности [12].

Из смеси отходов полиэтилентерефталата и поливинилхлорида без сушки получают листы или пленки [9].

Композиция полиэтилентерефталата с полимерным наполнителем (сферическими частицами полистирола и ударопрочного полистирола, полипропилена, добавками АБС– пластика пиротелитового диангидрида) используется в полиграфической, строительной, легкой промышленности для создания шероховатых пленок, листов, волокон, шпагатов [3].

Композиция, состоящая из 80 % полипропилена и 20 % талька, применяется в производстве товаров народного потребления, бытовой химии [3]. Композиции обладают повышенной ударопрочностью при сохранении модуля упругости и увеличенной теплостойкостью;

Композиции полипропилена, наполненного мелом, стеклом, применяют в электротехнической, химической промышленности, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении [3].

Введение в полиэтилен органических перекисей (дикумила) с последующей вулканизацией приводит к образованию поперечных связей, переводящих его из термопластичного состояния в термореактивное. В этом состоянии полиэтилен не плавится при повышении температуры и не растрескивается под влиянием различных сред. Вулканизированный полиэтилен незначительно деформируется при 150 °С.

Композиции полиэтилена с полиизобутиленом, ацетиленовой сажей и стеариновой кислотой используют в качестве полупроводящих экранов кабелей с полиэтиленовой изоляцией [1].

Анализируя состав композитов, необходимо отметить, что важнейшим элементом структуры полимерных композиционных материалов (ПКМ) являются наполнители, имеющие различные функции – от формирования комплекса механических свойств до придания материалу разнообразных специфических свойств, таких как фрикционные, электрические, магнитные и т. п. Поэтому в качестве наполнителей в ПКМ выступают самые разнообразные вещества и материалы, содержание которых также может меняться в очень широких пределах. В этой связи нам представляется целесообразным разделить наполнители на две значительные группы в связи с теми основными функциями, которые они несут в каждом конкретном материале.

Первая группа – собственно наполнители, как правило, в виде частиц ограниченных размеров, введение который определяет общий комплекс свойств ПКМ, способствует снижению усадки, остаточных напряжений и склонности к растрескиванию.

Вторая группа – это наполнители, оказывающие решающее влияние на прочностные характеристики ПКМ, которые мы назвали армирующими элементами. Армирующие элементы – это, как правило, волокнистые материалы достаточно больших линейных размеров, воспринимающие основную нагрузку, действующую на ПКМ.

В зависимости от химического строения, формы и размеров частиц, а также их агрегатного состояния существует ряд подходов к классификации наполнителей. По своей природе наполнители могут подразделяться на органические и неорганические; по агрегатному состоянию – на твердые, жидкие и газообразные; по их роли в композиционном материале (КМ) – на усиливающие дисперсные и армирующие; по форме частиц – на дисперсные, зернистые, волокнистые и слоистые.

Первыми наполнителями полимерных композиционных материалов были дисперсные наполнители – в пресс-материалах на основе фенолформальдегидных олигомеров использовалась древесная мука. Это наиболее распространенный вид наполнителей ПКМ, в качестве которых выступают самые разнообразные вещества органической и неорганической природы.

Как правило, в качестве дисперсных наполнителей выступают порошкообразные вещества с различным размером частиц – от 2–10 до 200–300 мкм. Обычно размер частиц не превышает 40 мкм, однако в последнее время при создании нанокомпозитов используются частицы размером менее 1 мкм. Содержание дисперсных наполнителей в ПКМ меняется в широких пределах – от нескольких процентов до 70–80 %. Такие ПКМ, как правило, изотропны, однако асимметрическая форма частиц при условии заметной ориентации в процессах переработки может приводить к возникновению некоторой анизотропии свойств – последняя более характерна для волокнистых наполнителей.

К числу важнейших требований, предъявляемых к дисперсным наполнителям, относятся способность совмещаться с полимером или диспергироваться в нем, хорошая смачиваемость расплавом или раствором полимера, отсутствие склонности к агломерации частиц, однородность их размера, а также низкая влажность (как правило, необходима сушка).

Для улучшения смачивания наполнителя полимером, улучшения адгезии, снижения склонности частиц к агломерации поверхность порошкообразных наполнителей часто обрабатывают поверхностно-активными веществами. Улучшению адгезии на поверхности раздела «наполнитель – полимер» могут способствовать также реакционно-способные функциональные группы, имеющиеся в наполнителе или специально сформированные. Наиболее распространенными дисперсными минеральными наполнителями являются карбонат кальция, каолин, тальк, диоксид кремния, кварцевая мука, диатомит и аэросил.

Широкое применение в качестве наполнителей находят порошкообразные оксиды металлов (алюминия, железа, свинца, титана, цинка и др.) и разнообразные соли (сульфаты, сульфиды, фториды и др.). Однако, они используются не в массовом порядке, а лишь в отдельных рецептурах для придания тех или иных специальных свойств (химостойкость, теплопроводность, биостойкость и т.п.). К числу наиболее распространенных порошкообразных наколнителей органического происхождения относятся древесная мука и углеродные материалы (сажа, графит) [10].

Из материалов растительного происхождения для наполнения пластмасс используется измельченная лузга подсолнечника, рисовая шелуха, кукурузные початки, стебли сахарного тростника и другие виды отходов сельского хозяйства. Применение растительных отходов позволяет получать биодеструктируемые материалы. Это послужило причиной повышенного интереса к применению в качестве наполнителей пластмасс крахмала, хитина.

Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения.

Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 °С.

Благодаря большой твердости нитей, боропластики обладают высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30 % стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70 % наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в больших пределах – от 2 до 70 %.

Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но низкой прочностью при сжатии и изгибе.

В производстве плоских и крупногабаритных изделий из ПКМ находят применение разнообразные листовые и слоистые наполнители, к числу которых относятся ткани, бумаги, маты, холсты, сетки, пленки, ленты, шпон, фольга и др.

Таким образом, проведённое теоретическое исследование показало, что перспективным направлением переработки отходов полимерных материалов является создание композитов с улучшенными свойствами, которые делают материал еще более полезным с точки зрения эксплуатации и, соответственно, привлекательным для потребителя.

Композицио́нный материа́л - неоднородный материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие материалы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.


Композицио́нный материа́л - неоднородный  материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие материалы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними.

В результате  образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металла, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Преимущества композиционных материалов

  • высокая удельная прочность

  • высокая жесткость (модуль упругости 130…140 ГПа)

  • высокая изнсостойкость

  • высокая усталостная прчность

Недостатки композиционных материалов:

  • высокая стоимость

  • анизотропия свойств (различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др...)

  • повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства.

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют:

  • волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами);

  • слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями);

  • дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц).

Матрица  обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич. композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

Идеи для бизнеса

Статьи

02/02 2015

Маркировки полимеров

 


30/01 2015

Паспорт на гидростанцию У2706.82

 


22/01 2015

Композитные материалы краткие сведения

 


15/12 2014

Полезная литература для производственников

 


15/12 2014

Международная маркировка полимеров для переработчиков, экспресс анализ

 



В



ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ГРУЗОВОМ ВАГОНОСТРОЕНИИ

 

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на протяжении 70 лет находят применение в различных областях техники, в том числе и в транспортном машиностроении. Отличаясь рядом выгодных свойств, они успешно конкурируют с традиционными сталями и цветными сплавами, а в некоторых отраслях промышленности являются практически незаменимым материалом. Эффект их использования столь высок, что в высокоразвитых в промышленном отношении странах существует устойчивая тенденция сокращения выпуска стали и увеличения производства полимерных материалов.

 

Впервые двухкомпонентный композит из стеклянного волокна и затвердевающего состава был использован в Великобритании во время Второй мировой войны, когда появилась задача создания легкого, прочного и радиопрозрачного обтекателя для радиолокационных станций самолетов. С того времени в массовую эксплуатацию поступили гражданские и военные самолеты с крыльями из композиционных материалов, автомобили и трамваи с кабинами и кузовами из стеклопластика, корабли и суда с неметаллическими корпусами, строительные бетонные конструкции с композиционной арматурой.

 

В то же время использование композиционных материалов в кузовных конструкциях железнодорожного подвижного состава на сегодняшний день невелико и ограничено стеклопластиковыми обтекателями кабин грузовых и пассажирских локомотивов и высокоскоростных поездов.

 

Диапазон применяемых в настоящее время композиционных материалов достаточно широк: стеклопластики, поликарбонаты, термопласты. По виду армирующего наполнителя композиты разделяют на:

  • волокнистые (армирующий компонент волокнистые структуры);

  • слоистые;

  • наполненные пластики (армирующий компонент — частицы);

  • насыпные (гомогенные);

  • скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

 

Также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:

  • с полимерной матрицей;

  • с керамической матрицей;

  • с металлической матрицей;

  • композиты оксид-оксид.

 

Основными достоинствами данных материалов являются:

  • высокая стойкость к химическому воздействию перевозимых грузов и окружающей среды.

  • удельная прочность, отнесенная к массе конструкции, близкая к характеристике стали;

  • возможность получения детали сложной геометрии за одну технологическую операцию;

  • возможность получения изделия, совместимого с химическими и пищевыми продуктами;

  • сохранение механических характеристик в течение всего срока службы при воздействии повышенных и пониженных температур;

  • отсутствие необходимости применения дорогих покрытий;

  • легкость ремонта.

 

Перечисленные преимущества послужили основанием для поиска вариантов применения неметаллических материалов в грузовом вагоностроении даже с учетом их высокой стоимости. Эффективность использования подвижного состава напрямую зависит от материалоемкости конструкции, ее долговечности, стоимости производства и эксплуатационных расходов. При этом основные параметры грузовых вагонов (масса тары, грузоподъемность, долговечность и т.п.), изготавливаемых из традиционных материалов, практически не имеют резерва для дальнейшего их совершенствования.

 

Применение композиционных материалов в элементах кузова грузового вагона способствует увеличению коррозийной стойкости без использования дорогостоящего покрытия, что позволяет снизить частоту проведения ремонтов либо избежать их. Помимо этого, применение новых материалов обеспечивает снижение массы тары вагона.

 

Себестоимость типичной волокнистой полимерной композиции в среднем в 3 раза больше себестоимости стального листа, но при этом эффективность применения композиционного материала выше благодаря его прочностным характеристикам. При изготовлении деталей, к которым предъявляются повышенные требования по механическим свойствам, экономия достигается за счет снижения толщины и массы детали по сравнению с металлическим изделием. В ходе изготовления деталей сложной формы затраты на обработку и окраску могут быть значительно ниже по сравнению с производством аналогичных комплектующих из стального листа.

 

Стоимость производства волокнистой полимерной композиции в значительной степени определяется расходами на необходимое технологическое оборудование, которое в свою очередь зависит от количества изготавливаемых изделий. На формование детали обычно затрачивается больше времени, чем на штамповку стального листа. Однако суммарная стоимость обработки металла включает в себя ряд дополнительных операций. Так, вследствие исключения в ряде случаев работ по сборке и окраске композиционный материал может иметь ценовое преимущество. Кроме того, при изготовлении конструкций из металла применяются дорогостоящие и трудоемкие операции по сварке и зачистке, нехарактерные для неметаллических материалов.

 

Стоимость оснастки для формования волокнистой полимерной композиции составляет около 10% стоимости оборудования для обработки стального листа. При выпуске партии изделий общая экономия может быть тем более существенной, чем выше стоимость единичного изделия. В связи с этим умеренные затраты на оборудование в случае применения волокнистой полимерной композиции позволяют рассматривать композиционный материал как наиболее экономичный для изготовления деталей кузовов.

 

Внедрение композиционных материалов на железнодорожном транспорте возможно только при поэтапном решении комплекса следующих задач:

  • разработка технико-экономического обоснования применения нового материала в конструкции вагона;

  • определение нового материала и его характеристик, выбор технологии изготовления;

  • разработка конструкции узлов вагона с применением нового материала.

 

Указанные работы составили совместный проект специалистов ООО «Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий» («ВНИЦТТ»), ЗАО «Тихвинский вагоностроительный завод» («ТВСЗ») и ООО «Нанотехнологический центр композитов» («НЦК») по внедрению композиционных материалов в конструкцию вагонов-хопперов. В ходе пилотного проекта была поставлена задача повышения эксплуатационной надежности вагонов-хопперов, перевозящих минеральные удобрения. Как известно, самым уязвимым элементом их кузовов является крыша с загрузочными люками, которая коррозирует вследствие воздействия влаги и остатков удобрений.

 

К данным узлам конструкции предъявляются следующие требования: соответствие климатическому исполнению «УХА» с обеспечением эксплуатационной надежности в диапазоне температур воздуха от минус 60 до плюс 50 °С;

  • обеспечение показателей прочности и устойчивости в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных)»;

  • обеспечение назначенного срока службы 32 года;

  • применение материалов, устойчивых к коррозионному и химическому воздействию перевозимых грузов, а также по своим химическим свойствам нейтральным к пищевым грузам и не выделяющим в воздушную среду химических веществ в концентрациях, превышающих допустимые по ГН 2.3.3.972-00.

 

Поскольку композиционный материал допускает как изготовление крыши целиком, так и ее отдельных элементов, на первом этапе работы было выполнено обоснование целесообразного объема применения неметаллических материалов на основе сравнительной оценки экономической эффективности различных вариантов конструкции:

  1. вагон-хоппер цельнометаллический;

  2. вагон-хоппер с крышками загрузочных люков, изготовленными из композитных материалов;

  3. вагон-хоппер с крышками и рамками загрузочных люков, изготовленными из композитных материалов;

  4. вагон с крышками и рамками загрузочных люков и крышей, изготовленными из композитных материалов.

 

Оценка вариантов проводилась на основании сравнения двух показателей вагона: себестоимости изготовления и стоимости ремонтов.

 

Анализ полученных данных показал, что применение деталей, изготовленных из композиционного материала, увеличивает первоначальную стоимость вагона. Однако свойства конструкции обеспечивают ее использование на протяжении всего жизненного цикла вагона. При этом экономический эффект от применения композиционных материалов достигается за счет уменьшения затрат на ремонт. Наиболее эффективным является вариант вагона-хоппера с неметаллической крышей, включая загрузочные люки.

 

Подтверждение экономической целесообразности использования ПКМ позволило перейти к следующему этапу разработки элементов вагона — определению характеристик новых композиционных материалов и технологии их производства. Необходимо отметить, что на сегодняшний день в грузовом вагоностроении уже существует положительный опыт использования композиционных материалов в конструкции вагона-хоппера для минеральных удобрений.

 

В ходе исследования поставленной задачи была выполнена разработка универсальных материалов для элементов вагона, совместимых с более широкой номенклатурой грузов. Для изготовления малогабаритных элементов конструкции — крышек загрузочных люков — был отобран наполненный полиуретан на основе термопластичного связующего. Применительно к проектированию крышки загрузочного люка на данном этапе выбор был сделан в пользу волнообразной формы подкрепляющих ребер, а в качестве технологии производства — вакуумная формовка листов на основе термопластичной матрицы с наполнителем.

При проектировании крышки загрузочного люка основным ограничивающим фактором являлась необходимость унификации конструкции для разных типов вагонов-хопперов производства ЗАО «ТВСЗ» и соблюдение требований нормативного документа ГН 2.3.3.972-00 к материалу изделия. По результатам проведенных исследований в качестве окончательного варианта материалом для крышки был выбран наполненный поликарбонат. Его физико-механические характеристики обеспечивают выполнение обозначенных выше требований. По своей структуре он является нейтральным к пищевым и другим типам грузов и не выделяет вредных веществ.

 

Изготовление малогабаритных элементов конструкции выполняется на вакуум-формовочной машине (ВФМ). Сам процесс формования включает в себя несколько этапов:

  1. установка и уплотнение полимерного листа на ложементе ВФМ;

  2. нагрев листа до высокоэластического состояния;

  3. предварительное пневмоформование (выдувка купола);

  4. подъем формы, вакуумное формование. Стол с формой поднимается в верхнее положение, под раздутый купол, где кромка стола прижимается к уплотнителю на нижней части ложемента (к уплотнителю на верхней части ложемента прижат лист полимера, который вместе с драпирующим столом образует герметичную формовочную камеру). Из формовочной камеры выкачивается воздух — производится вакуумирование. В результате под действием разности давлений между атмосферным воздухом и давлением в формовочной камере разогретая заготовка принимает контуры формы, находящейся на драпирующем столе;

  5. охлаждение изделия;

  6. подготовка и съем готового изделия.

 

В качестве материала для изготовления крупногабаритного элементаконструкции — крыши вагона-хоппера — был выбран стеклонаполненный ПКМ на основе термореактивного связующего с трехслойной структурой композита (внешние слои из стеклопластика на основе термореактивного связующего и пенного наполнителя внутри), содержащей подкрепляющие металлические закладные элементы.

 

При производстве крыши используется технология напыления и ручной выкладки, которая путем изменения ориентации слоев армирующего материала, типа и свойств пенного наполнителя, параметров технологии позволяет варьировать в широком диапазоне параметры структуры материала.

 

В результате работы получена подробная схема структуры композиционного материала и элементов конструкции в целом (количество, тип и требуемые свойства слоев стеклопластика, параметры и требуемые свойства пенного заполнителя, схемы расположения закладных элементов). Полученные данные послужили исходной информацией для проектирования технологических карт процесса производства изделия.

 

В основу выбора материала для крыши легли условия технологичности производства крупногабаритного изделия и требования к физико-механическим свойствам материала. Крыша должна иметь цельнонесущую конструкцию и дополнительно жестко связывать стенки кузова вагона. Помимо этого, необходимо обеспечивать выполнение требований безопасности при перевозке пищевых грузов. Требуемые прочностные показатели конструкции соблюдены благодаря применению композита с сэндвич-структурои, пенным наполнителем и закладной металлической рамой.

 

Технологичность производства достигается выбором термореактивного связующего с необходимыми свойствами и технологии напыления и выкладки, аналогичными изготовлению небольших лодок и яхт. Нейтральность к пищевым грузам обеспечивается путем применения специальных связующих, используемых при производстве водопроводных труб или иных стеклопластиковых изделий, контактирующих с пищей, или применением специальных укрывных пленок.

 

Технология изготовления крупногабаритных элементов конструкции заключается в размещении на оснастке слоев армирующего материала с последующей их ручной пропиткой термореактивным связующим или же в механизированном смешивании и напылении рубленого стекловолокна и связующего.

 

При ручной выкладке армирующий материал в виде ткани и мата слоями выкладывается на оснастку и пропитывается вручную. Связующее обычно наносится с помощью кисти или валика. Далее слои армирующего материала прикатываются друг к другу до полного удаления излишков смолы и воздушных пузырей. Пакет обычно отверждается при комнатной температуре и нормальном давлении.

 

Технологии ручной выкладки и напыления позволяют в процессе формования размещать внутри изделия закладные элементы (металлические каркасы, вспененные материалы, крепежные детали и т.п.) из различных материалов, необходимых для усиления и последующей сборки конструкции, установки дополнительных элементов облицовки кузова вагона- хоппера.

 

На заключительном этапе исследовательского проекта была выполнена разработка моделей изделий с помощью программных систем трехмерного моделирования. Их использование позволяет рассматривать множество вариантов исполнения конструкции при относительно малых трудозатратах.

 

На первой стадии осуществлен синтез конструкции с целью получения исходной геометрии, обладающей определенными свойствами (например, теоретический контур изделия, присоединительные размеры и т.д.). Исходными данными в этом случае выступили технические требования к изделию.

 

На второй стадии выполнялось моделирование первоначальной версии конструкции методом конечных элементов.

 

По результатам анализа в конструкцию внесены необходимые изменения: выбраны структура композита, требуемые физико-механические свойства, конструктивно-силовая схема, тип соединений и т.д., после чего сделан ее повторный анализ. Данный процесс носит итерационный характер с целью выбора оптимального исполнения конструкции, типа композитного материала и технологии производства.

 

На третьей стадии проработан окончательный вариант конструкции с учетом особенностей выбранного материала и технологии производства, технологичности и сборки в составе изделия (например, минимальные радиусы округлений, толщины, уклоны и т.д.).

 

Для крышки загрузочного люка на данном этапе откорректированы радиусы округлений, углы наклона вертикальных поверхностей, толщина. Исходя из технологичности производства, выбран процент наполнения матриц. Для крыши вагона-хоппера внесены уточнения геометрических параметров сэндвич-структуры.

 

Результатом работы стало создание конструкторской документации на опытные образцы элементов конструкции вагона- хоппера, которая подлежит дальнейшей экспериментальной проверке на опытном производстве.

 

Описанные в данной статье этапы работ являются исследовательской частью комплекса мероприятий, направленного на внедрение изделий из новых материалов в конструкцию грузового вагона. Для окончательного подтверждения принятых конструкторских и технологических решений в настоящее время изготавливаются макетные и опытные образцы, проводятся прочностные и функциональные испытания, поднадзорная эксплуатация изделий.

 

Проведенное исследование подтвердило экономическую целесообразность использования композиционных материалов в конструкции грузового вагона. Реализованные опытно-конструкторские мероприятия позволили разработать неметаллические элементы вагона, имеющие различные габаритные размеры и эксплуатационную нагруженность, а также выбрать наиболее подходящую технологию их изготовления.

 

Дальнейшее исследование на предмет использования композиционных материалов возможно применительно к следующим элементам конструкции грузовых вагонов:

  • крыша крытого вагона;

  • съемные устройства вагона-платформы для защиты грузов от атмосферных осадков;

  • сдвижные двери крытого вагона;

  • сосуды вагонов-цистерн и контейнеров-цистерн для транспортирования различных агрессивных сред (водных растворов кислот и их солей, щелочей и других жидких продуктов с примесями абразива);

  • поручни, подножки, переходные площадки, лестницы;

  • крышки разгрузочных люков;

  • покрытие кузова для защиты от воздействия солей и абразивного износа.

  • Классификация композитов

  • Они могут классифицироваться:

  • по виду армирующего наполнителя — волокнистые (армирующим компонентом служат волокна), слоистые и наполненные. Армирующие элементы представляют собой волокна, нити, листы, порошки, гранулы и микросферы из органических, неорганических, металла или керамики,

  • по виду наполнителя — хлопок, мел, опилки, углеродные и кевларовые волокна, полимеры и стекло,

  • по виду связующего-матрицы: полиэфиры, фенолы, формальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламиновые смолы, полиамиды, ацетали, полипропилен и пр. Связующие подразделяются на термопласты (полипропилен, полиамид, ацетали), которые обратимо размягчаются при высокой температуре и реактопласты (эпоксидные и фенолформальдегидные смолы), в которых при первичном нагреве происходят необратимые изменения структуры и поэтому при повторном нагреве они уже не размягчаются.

  • Особые свойства композиционных материалов

  • При переработке композитов необходимо учитывать, что они очень чувствительны к температуре и влажности. Наполнители гигроскопичны, поэтому перед переработкой необходимо зачастую их сушить до нормативных значений остаточной влажности.

  • Большинство композитных волокнистых материалов изотропны, то есть значения физико-механических характеристик в разных направлениях может отличаться в разы.

  • Современные композиты представляют многовариантные системы с заданными техническими параметрами. Чаще всего это слоистые композиты, в которых армирующим элементом является листовой материал (например бумага с пропиткой меламинофенольным связующим или углеродное (карбоновое) полотно с пропиткой эпоксидным компаундом) или прессованные волокна из стекла, углерода, полимеров или минералов, пропитанные смолой.

  • В итоге полученные характеристики композитов оказываются выше, чем у исходных материалов. К композиционным материалам можно отнести многослойные пластики, ламинированные плиты и наполненные пластики.

  • В последние годы армированные и наполненные пластики слились в класс композиционных материалов и грань между ними провести практически невозможно. 

  • Композиционные материалы







  • 1. Композиционные или композитные материалы – материалы будущего.

  • После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много разпревышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. Упервых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

  • Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемымизначениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

  • 2. Типы композиционных материалов.


  • 2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

  • Композитные материалы или композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

  • 2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

  • 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 полиамидная.
    Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ейформу. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,нитридов и других), 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 сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

  • По виду упрочнителя композитные материалы классифицируют настекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты иоргановолокниты.

  • В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слоисобираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работыматериала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можносоздать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.
    Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

  • Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.
    Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

  • Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивлениесдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.
    Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех направленных.

  • 3. Классификация композиционных материалов.

  • 3.1. Волокнистые композиционные материалы.

  • Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму,по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

  • Композитые материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

  • Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокондолжны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.
    Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

  • Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модульупругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

  • Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

  • Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных ивысокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбидабора и др.

  • Композиционные материалы на металлической основе обладают высокойпрочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность кконцентраторам напряжения.

  • Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

  • Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

  • Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

  • 3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

  • В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом,несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
    Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.
    Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.

  • Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов иредкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяетсохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т [pic]. В связи с этимтакие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненныекомпозиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

  • Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП(спеченный алюминиевый порошок).

  • Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему покоррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкиестали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа.

  • Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов.
    Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. % двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно твердыйраствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое применениеполучили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель,упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительностивыдержки при данной температуре.

  • 3.3. Стекловолокниты.

  • Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качественаполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствиевлияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатногосостава.

  • Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, сметаллической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и дажеволокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют дляизготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качествесвязующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпусаприборов и т. п.).

  • Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательносклеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

  • Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, атакже в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.
    При старении в течение двух лет коэффициент старения К = 0,5-0,7.
    Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.

  • 3.4. Карбоволокниты.

  • Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции,состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в видеуглеродных волокон (карбоволокон).

  • Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительнойсредах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим
    (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержаниюкарбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризациянитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличениемежслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

  • Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

  • Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углероднойлентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.

  • Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают наэпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать притемпературе до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и
    КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до
    300 °С.

  • Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическимсопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и оченьнизкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращаетсаморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химическистойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и Епочти не изменяются.

  • Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чемтеплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрическиесвойства: [pic] = 0,0024-0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ? = 10 и tg =0,001 (при частоте тока 10[pic] Гц).

  • Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянныеволокна, что удешевляет материал.

  • 3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.

  • Коксованные материалы получают из обычных полимерныхкарбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительнойатмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродныхматериалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь,в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенномрежиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метанразлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнахупрочнителя, связывая их.

  • Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочностьсцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материалобладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью ктермическому удару.

  • Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениямпрочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты;при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200
    °С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия.
    Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другомувысок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение).

  • 3.6. Бороволокниты.

  • Бороволокниты представляют собой композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя – борных волокон.

  • Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге исрезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости,теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борныхволокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела сматрицей.

  • Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексныеборостеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаютсястеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитейоблегчает технологический процесс изготовления материала.

  • В качестве матриц для получения боровлокнитов используютмодифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и
    КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать притемпературе не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

  • Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, онистойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

  • 3.7. Органоволокниты.

  • Органоволокниты представляют собой композиционные материалы,состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в видесинтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительновысокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действиизнакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетическихволокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; онималочувствительны к повреждениям.

  • К органоволокнитах значения модуля упругости и температурныхкоэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки.
    Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическоевзаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось непревышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильностьмеханических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур,действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700кДж/мІ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочностьпри сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

  • Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажномтропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводностьнизкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать притемпературе 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего иполиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С.

  • В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнамиприменяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такиематериалы обладают большей прочностью и жесткостью.

  • 4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов.

  • Области применения композиционных материалов не ограничены. Ониприменяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки,лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора итурбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкцийаппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов,бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, деталикомбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементысборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областяхнародного хозяйства.

  • Применение композиционных материалов обеспечивает новыйкачественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических итранспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

  • Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционныхматериалов достаточно хорошо отработана.

  • Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именнополимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузовагоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники,панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульныекарбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники,аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании идругом.

  • Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типыграфитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов,химически стойкой аппаратуры.

  • Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космическойтехнике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов итрансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

  • Органоволокниты применяют в качестве изоляционного иконструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационнойтехнике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов,покрытия корпусов судов и другое.

http://www.youtube.com/watch?v=Pgan9irY05Q

Выбранный для просмотра документ Композиты.docx

библиотека
материалов

Композиционные материалы в Авиастроений

Волокниты с полимерной матрицей





hello_html_2f8b3012.png

Рис.1 Способ изготовления волокнистых композитов с полимерной матрицей.



















Метод получения полимерных мембран в ванне с полимером

hello_html_m149d4812.png

Выбранный для просмотра документ Композиционные материалы.docx

библиотека
материалов

Композиционные материалы.

 Композиты представляют собой системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов, имеющих границы раздела между ними.

Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей.

Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями.

По типу матрицы различают композиционные материалы на полимерной, металлической и керамической основе.

По виду и структуре наполнителя композиты делятся на дисперсно-упрочненные (а), упрочненные волокнам (в-г) и слоистые (д,е). 

hello_html_m390992ea.jpg



Углепластики – композиционные полимерные материалы, армированные наполнителями из углеродных волокон в виде нитей, ленты, ткани.

Углепластики характеризуются низкой плотностью, высокой прочностью, вибропрочностью, повышенной химический стойкостью, практически нулевым коэффициентом линейного расширения.

Углепластики используются как конструкционные материалы в авиакосмической технике, автомобилестроении, судостроении, машиностроении, медицинской технике.

Жаропрочный композит с никелевой матрицей (рабочая температура до 1000-1200 °С). Наполнителем могут быть мелкодисперсные порошки диоксида тория ThO2 и диоксида гафния HfO2 или вольфрамовая проволока.

Так введение в сплав никеля с хромом вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 %, позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в два раза. Применяются в авиационной и космической технике для изготовления лопаток газовых турбин, камер сгорания. hello_html_3ac3346f.png

На фото: Лопатки газовых турбин из никелевого композита.  

Композиционные материалы с борными волокнами (боропластик и бороалюминий)

Широко используются в авиации и ракетно-космической технике. Их использование для изготовления крупных деталей для космических кораблей.

По модулю упругости и теплостойкости бороалюминевые композиты превосходят все высокопрочные алюминиевые сплавы. Бор мало разупрочняется с повышением температуры, поэтому композиты сохраняют высокую прочность до 400 – 500°С. Высокая демпфирующая способность материала обеспечивает вибропрочность изготовленных из него конструкций.

hello_html_16c6a0d4.jpg

Промышленное применение нашел материал ВКА-1, содержащий 50% непрерывных высокопрочных волокон бора в матрице алюминия. 

Применение композитов разного состава в конструкции космического корабля «Спейс Шаттл» позволило снизить его массу на 1402 кг. Такая экономия массы позволила уменьшить затраты на вывод корабля на орбиту на несколько

миллионов долларов, что заранее окупило затраты на стоимость элементов конструкции из этих материалов. 



Выбранный для просмотра документ Композиционные материалыв в авиастроений.docx

библиотека
материалов

Композиционные материалыв в авиастроений.



hello_html_m4aea0d8b.jpg

Рис. 1. Схема планера боевого самолета, изготовленного с использованием композиционных материалов; 1 - каркас остекления кабины; 2 - обшивка кабины; 3 - главные лонжероны; 4 - силовой набор крыла и хвостового оперения; 5 - пилон; б - обшивка фюзеляжа; 7 - предкрылки; 8 - закрылки, спойлеры, элероны: 9 - рули направления и высоты: 10 - места крепления двигателя к люки; 11 и 12 - конструкция пола кабины; 13 - передняя и задняя стенки кабины; 14 - основные элементы поперечного силового набора; 15 - бимсы: 16 - топливный бак.

Метод получения полимерных мембран в ванне с полимером.





hello_html_64402a4.jpg

Выбранный для просмотра документ ЛИСТ САМООЦЕНКИ.docx

библиотека
материалов

Лист самооценки знаний (работа в группе) .

п/п

Фамилия имя

Я  всегда активно участвовал во всех заданиях группы (пары). 

Я брал на себя руководство группой в случае необходимости, чтобы мы создали хорошую работу

 Анализировал, обобщал, делал выводы 

Находил и исправлял ошибки

Стимулировал дискуссию, предлагая различные точки зрения

Всего

баллов

Задание








Задание








Задание








Задание








Задание








Задание








ИТОГО










Знаю-3 балла; знаю недостаточно-2 балла; колеблюсь-1 балл; не знаю -0 баллов.

Я хочу сказать ...

  • Мне больше всего удалось ...

  • За что я могу себя похвалить?

  • За что я могу похвалить однокурсников?

  • Что приобрёл?

  • Что меня удивило?

  • Для меня было открытием то, что ...

  • Что, на мой взгляд, не удалось? Почему? Что учесть на будущее?





Выбранный для просмотра документ Полимерные композиционные материалы.docx

библиотека
материалов

Полимерные композиционные материалы : основные типы

Тема: Сырье

Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. 
Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям. 
Полимерные композиционные материалы 
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ. 
Стеклопластики
Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п. 
Углепластики
Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря. 
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование. 
Боропластики 
Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики. 
Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды. 
Органопластики
Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. 
Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты. 
Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д. 
Полимеры, наполненные порошками
Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день. 
Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. 
Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал. 
Текстолиты 
Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить. 
Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов. 



Выбранный для просмотра документ Смолы.docx

библиотека
материалов

Независимо от природы волокна (стекловолокно , углеволокно , кевлар , древесное волокно) , адгезия смолы и пропитываемость волокон являются самым важным моментом для производства качественного изделия.

  ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ

Эпоксидная смола — мономеры, олигомеры или полимерные растворы, содержащие не менее двух эпоксидных или глицидиловых групп, которые расположены на концах и вдоль основной цепи молекулы, либо в кольце алицикла и способные под действием отвердителей образовывать сшитые полимеры.

Эпоксидные смолы и олигомеры в подавляющем большинстве случаев синтезируют реакцией замещения эпихлоргидрина с многоатомными спиртами и фенолами или многоатомными аминами - соединениями содержащими активный атом водорода.

Наибольшее практическое и широкое применение для получения эпоксидных смол нашли дифенилолпропан и эпихлоргидрин. Реакция протекает в щелочной среде в присутствии раствора NаОН.

При взаимодействии дифенилпропана с эпихлоргидрином образуется полимер с прямой цепью, характеризующийся двумя функциональными группами - эпоксидной и гидроксильной. Строение неотверждённых эпоксидных смол может быть выражено следующей формулой:

hello_html_1d9377fc.gif

В структурной формуле число n указывает на число мономеров в полимере эпоксидной смолы (степень полимеризации эпоксидной смолы) и может достигать 25, но чаще всего встречаются эпоксидные смолы с n меньше 10.

Эппоксидная смола марки ЭД-20 имеет 2 эпоксидные группы. Структурная формула эпоксидной смолы ЭД-20 имеет вид:

hello_html_m953c30d.gif

Чем выше степень полимеризации эпоксидной строки, тем выше вязкость. При больших значениях степени полимеризации эпоксидная смола будет твердым веществом.

Представляют самое универсальное семейство смол, применяемых для производства композитных конструкций и судоремонта. Практически по всем параметрам эти смолы обеспечивают самые высокие показатели клеевого шва и прочности . В настоящее время разработаны смолы, не содержащие вредных для здоровья веществ и не выделяющие при отверждении фенола. Смолы обладают крайне малой усадкой. В случае ремонта компонента, изначально изготовленного на основе полиэфирных и винилэфирных смол и подвергнутого деформации и трещинам , хорошо армированная эпоксидная смола имеет прочность связи с основой 2000 пси (у винилэфирной 500 пси) . Не имеет значения , из какого сочетания древесины , углеволокна , кевлара , стекловолокна и наполнителя состоит ремонтируемое изделие, смола хорошо впитается и навсегда образует с ним композитное единое целое. Когда эпоксидная смола используется в качестве химически стойкого барьерного слоя , покрытие ею обладает очень низким водопоглощением ( менее 0.5%) и можно быть уверенным в том , что отделочные покрытия будут иметь хорошее сцепление с эпоксидной основой, а основа – с корпусом судна. Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вязкостью и контролируемым временем отверждения.

  ВИНИЛЭФИРНЫЕ СМОЛЫ

Структурная формула эпоксивинилэфирной смолы.
hello_html_3825a832.gif

Отражают шаг в верном направлении развития смола. Хотя и имеют тот же пероксидный механизм образования пространственных связей , что и полиэфирная смола. Дополнительную прочность этим гибридным смолам придают эпоксидные молекулы, заложенные в их основу. Усадка при отверждении умеренная. Повышенная прочность модифицированной смолы предотвращает образование микротрещин, а сама основа смолы к тому же служит повышению адгезии к поверхности. Обладают неплохими водостойкими качествами и некоторые имеющиеся в продаже барьерные покрытия изготовлены на основе смол этого семейства. К отрицательным сторонам винилэфирных смол относятся критичность к их приготовлению , высокий уровень содержания вредных веществ (в форме стирола) , чувствительность к влажности и температуре (может не полимеризоваться). Хорошая винилэфирная смола весьма дорогая по сравнению с полиэфирной , и по цене близка к эпоксидной. Винилэфирные смолы несомненно превосходят по характеристикам полиэфирные при рассмотрении стандартного пероксидного процесса , однако их адгезия к разнородным и ранее отвержденным поверхностям все еще остается крайне низкой и многие корпуса на базе винилэфирной смолы страдают все той же проблемой массового отслоения наружного слоя стеклопластика от заполнителя и переборок. Плюс ко всему практически всегда барьерные покрытия наносятся уже после продажи судна и здесь очень важно , чтобы это покрытие имело прочную связь с основой. Винилэфирные смолы обладают хорошей адгезией к стекловолокну и низкой адгезией к более экзотическим материалам (кевлар , углеволокно) и древесине. Для отверждения полиэфирных и винилэфирных смол на открытой поверхности требуется введение специальных добавок. Нанесение последующих слоев нуждается в тщательной подготовке поверхности для обеспечения адгезии.

  ПОЛИЭФИРНЫЕ СМОЛЫ

Полиэфи́ры (или полиэ́стеры) — высокомолекулярные соединения, получаемые поликонденсациеймногоосновных кислот или их ангидридов с многоатомными спиртами. Известны природные (янтарь,древесная смола, шеллак и др.) и искусственные полиэфиры. Практическое применение получилиглифталевые смолы, полиэтилентерефталат, полиэфирмалеинаты и полиэфиракрилаты.

Самые дешевые из всех смол , применяемых в стеклопластиковом судостроении с использованием отрицательной формы в виде матрицы. Главное преимущество полиэфирных смол по сравнению с винилэфирными и эпоксидными – их крайняя дешевизна. Отрицательными сторонами являются плохая адгезия , высокий уровень фильтрации воды , сильная усадка и высокое содержание вредных веществ. Могут применяться только со стекловолокном. Лучше всего подходят для изготовления конструкций , не критичных к весу , адгезии и прочности на излом. Примером может служить изготовление простого цельного стеклопластикового элемента в открытой матрице за одну операцию и без образования вторичных соединений на этой смоле. Если точность формы не очень важна, водостойкость не имеет значения и место работы имеет хорошую вентиляцию, тогда полиэфирная смола будет главным кандидатом. Полиэфирные смолы с давних времен обладают плохими характеристиками в области адгезии и растяжения, в результате чего готовое изделие склонно к образованию микротрещин и формированию слабого вторичного клеевого соединения . Эти характеристики приобретают значение, когда заходит речь о соединении разнородных материалов в одном изделии или когда материалы не имеют обычной стекловолокнистой основы. Готовый корпус на основе полиэфирной смолы страдает осмотическим пузырением, если его не обработать эпоксидной смолой для образования барьерного покрытия. Верфи завалены корпусами и надстройками , пораженными огромными участками расслоения стеклопластика и отделения его от заполнителя. Все это стало результатом повсеместного в промышленности нарушения технологии склеивания (использования полиэфирной смолы в качестве клея).

Полиэтилентетрафталат

hello_html_1ee5983c.png



Процесс образования глифталевых смол, модифицированных касторовым маслом, сопровождается процессом дегидратации касторового масла, которая протекает при ...


hello_html_57e660fe.png


Фенолформальдегидные смолы (феноло-формальдегидные[1], PF, от англ. Phenol formaldehyde resin) — синтетические смолы из группы феноло-альдегидных смол[1] со войствами реактопластов или термореактопластов. Являются жидкими или твёрдыми олигомерными продуктами поликонденсациифенола с формальдегидом в щелочной или кислой среде (новолачные и резольные смолы (бакелиты), что соответственно влияет на их свойства.

Роль реакционноспособных функциональных групп в этих соединениях играют:

  • в феноле – три С-Н-связи в орто- и пара-положениях (легче идет замещение в двух орто-положениях);

  • в формальдегиде – двойная связь С=О, способная к присоединению по атомам С и О.

Это определяет возможность образования цепных макромолекул по схеме поликонденсации:

hello_html_m4cca42e.gif

Реакция проводится в присутствии кислых (соляная, серная, щавелевая и другие кислоты) или щелочных катализаторов (аммиак, гидроксид натрия, гидроксид бария).

Бакелитовый клей

hello_html_6e30346a.png



hello_html_m7fb86ffd.jpg

Выбранный для просмотра документ Стеклопластики.docx

библиотека
материалов

Стеклопластики : свойства, производство изделий, применение в промышленности

Стеклопластики (стеклонаполненные пластики) — один из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они представляют собой композиционные конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность с относительно небольшой плотностью. 
Основными компонентами стеклопластиков являются стекловолокнистые армирующие материалы и синтетические связующие. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жесткость стеклопластика. Связующее придает материалу монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Кроме того, связующее придает материалу способность формоваться в изделия самых различных форм и размеров, что обеспечивает широкое применение стеклопластиков во многих отраслях промышленности. 
Благодаря армированию полимерной матрицы стекловолокном, стеклопластик приобретает свойства, недоступные обычным пластмассам. Стеклопластик на порядок лучше них по прочности, истираемости, линейному расширению, ударным и вибрационным нагрузкам. Из-за высоких прочностных характеристик, стеклопластик называют «легким металлом», но в то же время он имеет низкую плотность, по сравнению с металлом, низкую теплопроводность и не подвержен коррозии. Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материалов будущего. 
Основные свойства
Малый вес
Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия. 
Диэлектрические свойства
Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока. 
Высокая коррозионная стойкость
Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей. 
Механические свойства
При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали. 
Теплоизоляционные свойства
Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д. 
Технологии производства изделий из стеклопластиков
Одним из важнейших преимуществ технологии производства изделий из стеклопластика является короткий цикл освоения и подготовки производства изделий из стеклопластика, который составляет всего 2 недели. А так же технология производства позволяет производить изделия практически любой сложности. Это говорит о том, что предприятие в коротких срок может начать производство любых изделий и любой цветовой гаммы. Стеклопластики и базальтопластики получают различными методами: протяжки, пропитки, намотки и прямого прессования. 
Открытые методы формования
Метод ручной выкладки
Наиболее простой по аппаратурно-технологическому оформлению. Его применяют для изготовления крупных изделий: строительных конструкций, корпусов лодок, кузовов автомобилей. Примером наиболее крупного изделия, получаемого ручной выкладкой, является корпус тральщика длиной 50 и шириной 8 м. При этом методе исключена возможность регулирования содержания наполнителя. К другим недостаткам относятся: 
- большие затраты ручного труда
- высокие расходы на материал
- длительный цикл изготовления изделия. 
Достоинством метода является его универсальность, т.е. получение изделий практически любых форм и размеров. 
Так как прикатка формуемого изделия рифленным валиком для удаления воздуха и уплотнения материала производится при низких усилиях (менее 1,5 МПа), то нагрузка на формы также невилика, в связи с чем в большинстве случаев применяют формы из стеклопластиков, которые примерно в 10 раз дешевле соответствующих форм для горячего прессования. Низкая стоимость стеклопластиковых форм явилась основной предпосылкой применения метода ручной выкладки в малосерийном производстве, тем более что невысокая износостойкость этих форм ограничивает срок их службы выпуском всего нескольких тысяч деталей. В данной области производства изделий действуют в основном мелкие предприятия. Несмотря на перечисленные недостатки, метод ручной выкладки довольно распространен. 
Метод напыления
Более всего подходит для изготовления недорогих деталей простой конфигурации из полиэфирных стеклопластиков, особенно санитарно-технических изделий. В основном их получают из органического стекла, усиленного с наружной стороны слоем из ненасыщенных полиэфирных смол. Чаще всего формы, используемые для изготовления изделий напылением, выполняют из дерева или стеклопластиков, а при больших партиях изделий — из стеклопластиков с металлической облицовкой. 
Метод напыления более производительный и менее дорогой, чем ручная выкладка, но имеет ряд недостатков: 
затруднено изготовление изделий сложной конфигурации; 
стекловолокнистая пыль, находящаяся во взвешенном состоянии, а также пары мономера загрязняют воздух, ухудшая условия труда. 
Способ напыления довольно простой (рубленое волокно пропитывают отверждающейся смолой, и затем эту смесь равномерным слоем с помощью распылительного устройства наносят на форму, где и происходит отверждение), но, тем не менее, требует точного соблюдения определенных условий. Прежде всего, необходим строгий контроль за качеством смешения смолы, загустителя и инициатора. 
Хорошее качество смеси получается при использовании высокопроизводительных, плавно работающих насосов, дозаторов и смесителей, при этом необходимы постоянные температуры смешиваемых компонентов, массовая доля стекловолокна (обычно ~20 %) и одинаковая длина волокон. 
Многообразие получаемых при напылении деталей вызывает необходимость не только в автоматической подаче материала, но и в системах распознавания оснастки (головки распылителя, захватов, вставных деталей). Так как это требует значительных капиталовложений, то эффективно только при изготовлении сложных высококачественных изделий. 
Метод намотки
Данный метод применяется при изготовлении тел вращения: труб для нефтегазовой, химической промышленности; газоотводящих труб; цистерн для хранения и транспортировки химически активных продуктов, воды, горюче смазочных материалов; промышленных резервуаров. 
Емкости и трубы из стеклопластика имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из традиционных материалов. Стоимость оборудования и оснастки значительно зависит от метода намотки и диаметра изготавливаемого изделия. Намотка обеспечивает создание ориентированной структуры изделий с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве усилителя жгутов, лент, нитей из высокопрочных стеклянных волокон способствует достижению максимальной прочности изделий. 
Намотка, относящаяся к способам производства специальных изделий, позволяет изготавливать их разнообразной конфигурации и размеров: самые маленькие могут быть длиной в несколько сантиметров и диаметром в несколько миллиметров; примерами крупных изделий могут служить корпуса маяков, судов и железнодорожных цистерн. При изготовлении несложных изделий, таких как трубы, наибольшая экономическая эффективность достигается при непрерывной намотке, обеспечивающей высокую серийность производства. Изготовление прецизионных деталей с переменным диаметром требует ведения процесса в периодическом режиме. В этом случае для обеспечения высокопроизводительного процесса с невысокими затратами используют современные наиболее совершенные и сложные в техническом отношении машины типа токарного станка. Эти машины характеризуются высокой скоростью хода осевого суппорта (≥ 2 м/с), имеют программное управление и электронные системы контроля траекторий движения оправки и глазка нитеправителя, обеспечивающие точность позиционирования < 0,1 мм. 
Закрытые методы формования
Закрытыми способами формуют препреги и премиксы на основе реактопластов и термопластов. Из них преимущественно получают детали, отличающиеся высокой термостойкостью, стойкостью к тепловому старению, жесткостью и твердостью поверхностного слоя, хорошими звуко-, электро- и теплоизоляционными свойствами. 
Пропитка под давлением
Процесс был запатентован в 40-х годах под названием Marco-метод. Пропитка под давлением предназначена преимущественно для мелкосерийного производства (менее 20 тыс. шт.) и характеризуется минимальным выделением мономера по сравнению с другими методами, позволяет быстро перейти на выпуск новой продукции, так как при этом используют недорогую и простую по конструкции оснастку. К недостаткам относятся: 
- невозможность получения деталей с высоким качеством поверхности без последующего покрытия; 
- невысокая производительность; 
- значительная усадка изделий. 
Существует множество машин, работающих по методу пропитки под давлением, — от небольших с большими затратами труда до сложных автоматических установок. Наиболее эффективные из применяемых способов повышения производительности процесса пропитки под давлением следующие:

- подогрев форм; 
- использование процессов челночного типа (с движением вперед-назад); 
- повышение степени автоматизации процесса; 
- разработка модифицированного процесса под названием TERTM (thermal expansion resin transfer molding) — пропитка под давлением с термическим расширением; 
- создание новых марок смол, обеспечивающих ускорение цикла формования. 
Все эти усовершенствования существенно повышают конкурентноспособность процесса пропитки под давлением по отношению к высокопроизводительным способам формования. Разновидностью технологии пропитки под давлением является пропитка под вакуумом, разработанная в Западной Европе и Японии. В последние годы она распространилась и в США. 
Этот метод особенно эффективен при изготовлении деталей большого размера: затраты на оснастку по сравнению с другими методами минимальны. При пропитке под вакуумом отпадает необходимость в наружном механизме замыкания, так как эту функцию выполняет вакуум, а в качестве материала форм используют армированные пластмассы. Незначительный вакуум в полости формы способствует улучшению пропитки волокна смолой, уменьшению воздушных включений и снижению стоимости формы. 
Метод прессования
Используется для изготовления мебели (столы, стулья), для производства спортивных товаров, создания игровых площадок и бассейнов. Цикл прессования составляет 4-7 мин в зависимости от размеров изделия. Прессование армированных пластиков в зависимости от способа пропитки волокнистого наполнителя имеет две разновидности: 
- прессование сухих, предварительно пропитанных холстов и тканей (препрегов) и премиксов; 
- прессование с пропиткой непосредственно в форме («холодное» прессование). 

Наибольшее применение нашел первый способ. При изготовлении изделий простой конфигурации используют обычно прямое (компрессионное) прессование, а для получения прецизионных изделий сложной формы, например, технических деталей, электроарматуры, предпочтительно литьевое прессование. 
Требования, предъявляемые к высокому качеству наружной поверхности деталей привели к созданию автоматических установок для дозирования компонентов при подготовке заготовок из препрегов. 
Созданы автоматические манипуляторы для загрузки пакетов заготовок в многогнездные формы пресса. Создано новое поколение прессов высокой точности, оснащенных современными системами контроля, на которых можно получать детали с высоким качеством поверхности и примерно одинаковые по стоимости со стальными деталями. 
Серьезной и не решенной до конца проблемой в переработке полиэфирных пресс-материалов остается недостаточно высокое качество поверхности получаемых деталей, препятствующие их лакированию. Проблема частично решается: покрытие наносится непосредственно в форме — In-Mould-Coating (IMC), для этого пресс-форму после отверждения связующего приоткрывают на 3-5 мм и через зазор впрыскивают лак (обычно полиуретановый); затем форму закрывают для распределения и отверждения лака, который очень текуч и отверждается в течение 30 с. 
В большинстве прессов новых конструкций эта операция предусмотрена. Американская фирма Budd вместо покрытия в форме прелагает создавать вакуум вокруг линии ее разъема. Качество поверхности получаемых деталей такое же как при способе IMC, и кроме того, исключаются затраты на покрытие. 
Литье под давлением
Метод начали применять в промышленных масштабах во второй половине 60-х годов. По сравнению с прессованием литье под давлением имеет следующие преимущества: 
- высокая степень автоматизации процесса; 
- точность дозирования материала; 
- незначительные потери материала; 
- непродолжительное время цикла; 
- незначительная последующая обработка готовых деталей вследствие лучшего качества поверхности. 
При изготовлении одинаковых деталей литьем под давлением производительность процесса на 22% выше, чем при прессовании, из-за меньшей продолжительности цикла. 
Недостатки процесса литья под давлением: 
- прочность, вязкость и сопротивление ударным нагрузкам деталей из композиций, усиленных коротким волокном, ниже чем прессованных деталей; 
- литьевое оборудование имеет большой расход материала на литниковую систему. 
Для литья под давлением преимущественно применяют препреги и в меньшей степени – премиксы и гранулят. Массовая доля стекловолокна обычно не превышает 20-25 %. Хранят и транспортируют препреги в рулонвх массой 400 кг, а премиксы — в резервуарах из листового железа. С целью сокращения отходов в виде литников и грата широко используют литье под давлением с обогреваемыми до температуры 120-130 ºС литниковыми каналами — так называемое безлитниковое формование. 
Существуют два метода безлитникового литья под давлением. Первый состоит в том, что центральный литниковый канал укорачивают, вводя выступающую часть литьевого сопла пластикатора в литьевую форму; по второму методу центральный канал укорачивают, регулируя температуру втулки центрального литникового канала независимо от температуры формы. В любом случае отходы материала снижаются на 20-80 %. Совершенствование техники литья под давлением привело к фомованию через «холодно-канальные» литниковые системы. 
Пултрузия
Отдельным направлением в изготовлении стеклопластика является метод непрерывной вытяжки (пултрузии) через формообразующую фильеру. Изготовление профиля таким образом осуществляется с помощью специальной пултрузионной машины. Стеклопластиковый профиль трудногорючий и не выделяет при пожаре сильнодействующий газ диоксин, в отличие от поливинилхлорида. 
Благодаря своим удивительным свойствам стеклопластиковый профиль находит широкое применение в гражданском и промышленном строительстве, транспортном машиностроении, при изготовлении оконных и балконных блоков, электротехнических коробов, несущих конструкций, труб, лестниц, стеновых блоков и т.д. 
Метод протяжки
Один из немногих непрерывных методов изготовления изделия из армированных волокнами реактопластов. Это несложный в аппаратном оформлении процесс, состоящий из трех стадий: 
пропитки в ванне непрерывного армирующего волокнистого агента в виде ровницы или мата жидким связующим (термореактивной смолой, содержащей катализатор); 
протягивания пропитанных ровницы или матов через обогреваемое формующее устройство, где происходит формование профиля и отверждение связующего; 
разрезание профиля на секции нужной длины. 
В настоящее время ~95 % смол, используемых при протяжке, приходится на ненасыщенные полиэфиры, остальное — на эпоксидные смолы. В последние годы метод протяжки стали применять для получения профилей из винилэфирных и эпоксидных смол. Такие профили обладают более высокой химической стойкостью, чем из полиэфирных смол. 
В некоторых областях применения и особенно в строительстве возможна даже частичная замена протянутыми профилями экструдированных алюминиевых изделий. Алюминий корродирует, вдавливается при нагрузках, его необходимо анодировать перед окрашиванием. Изделия, полученные протяжкой, лишены этих недостатков, и их масса составляет 65-70% массы экструдированных алюминиевых профилей. Основным фактором, препятствующим более широкому использованию протянутых профилей, является недостаточно высокая производительность оборудования для протяжки. Одной из быстрорастущих областей применения изделий, изготовленных методом протяжки в строительстве, является производство оконных профилей из армированных ненасыщенных полиэфиров, которые наряду с поливинилхлоридными конкурируют с аналогичными алюминиевыми изделиями. 
В последние годы значительно расширились области применения изделий, изготовленных методом протяжки, чему способствовали такие технологические усовершенствования, как усложнение конфигурации профилей, возрастание скоростей протягивания, увеличение срока службы формующего устройства, повышение точности расположения волокнистого наполнителя.



Выбранный для просмотра документ ТЕКСТОЛИТЫ.docx

библиотека
материалов

ТЕКСТОЛИТЫ (от латинского textus-ткань и греческого lithos-камень), слоистые пластики, армированные тканями из разложенных волокон. Связующее в текстолите – главным образом термореактивные синтетические смолы (полиэфирные, фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиамидные, фурановые, кремнийорганические и другие.) или термопласты (полиамиды, поликарбонаты, полиолефины и т.п.), иногда - неорганические связующее на основе силикатов щелочных металлов, фосфатов А1 и др.

В В зависимости от природы волокон различают собственно текстолиты (хлопковые волокна), органотекстолиты (синтетические и искусственные волокна), стеклотекстолиты (различные стеклянные волокна), асботекстолиты (асбестовые волокна), углетекстолиты, или углеродо–текстолиты (углеродные волокна), базальтотекстолиты (базальтовые волокна) и др.

Используемые ткани различаются видом переплетения (полотняное, сатиновое, саржевое), толщиной и структурой нити или жгута, числом нитей на единицу длины в направлении основы и утка ткани, толщиной, поверхностной плотностью (массой 1 м2). Наибольшее применение в производстве текстолита находят однослойные ткани полотняного и сатинового переплетения. Для получения текстолита с повышенной межслоевой прочностью применяют многослойные (объемно плетеные) ткани, слои в которых переплетены между собой. В ряде случаев ткани изготовляют из волокон различной природы, стеклянных и углеродных, углеродных и органических волокон.

Свойства текстолитов зависят главным образом от природы волокон в тканях, характеристики самой ткани, свойств и количества связующего, технологии изготовления. Изделия из текстолита изготовляют путем послойной выкладки или намотки тканей с нанесенным связующим на оправку по форме изделия с последующим контактным, вакуумным, автоклавным или прессовым формованием, а также механической. обработкой текстолитовых листов, плит или пластин.

Процесс изготовления текстолита

Процесс изготовления текстолита состоит из стадий приготовления смолы и лака, подготовки, пропитки и сушки ткани, сборки и прессования пакетов, обрезки кромок и дополнительной тепловой обработки. Для пропитки ткани применяют спиртовые растворы твердых фенолоформальдегидных (иногда крезолоформальдегидных) смол, содержащих до 14% фенола или трикрезола . Спиртовой раствор твердых смол содержит 50-60% сухого остатка. Концентрация лака устанавливается в зависимости от типа ткани и назначения текстолита.

Стадия подготовки ткани заключается в сшивке отдельных кусков и наматывании рулонов весом до 60 кг на каждую оправку. Пропитка тканей осуществляется на горизонтальных, или на вертикальных пропиточно-сушильных машинах.

Пропитка  происходит следующим образом: ткань погружается в ванну с лаком, по выходе из нее ткань отжимается валиками и поступает на сушку в шахту, расположенную над ванной. Для того чтобы понизить вязкость лака его подогревают до 30-40˚С  горячей водой через рубашку с ванны. Концентрация лака и его количество поддерживаются постоянными. На выходе из ванны ткань отжимается специальными валиками. В процессе отжима смола лучше распределяется по ткани, глубже ее пропитывает, а избыток смолы удаляется.

Процесс сушки заключается в удалении летучих (влаги, спирта, свободного фенола) из сырой пропитанной ткани и происходит при температуре около 120˚С. Ткань нагревается паровыми калориферами, находящимися в шахте и горячим воздухом нагнетаемым в шахту. Время сушки определяется толщиной ткани и ее структурой.

После сушки пропитанную ткань разрезают и так же как и собирают в пакеты, которые загружают в пресс.

Прессование проводят в многоэтажных прессах с нижним давлением. Процесс прессования складывается из стадии прогрева пакетов до необходимой температуры,  стадии выдержки для осуществления процесса отверждения и стадии охлаждения без снятия давления, которая необходима для предотвращения коробления листов.

Далее, для обеспечения привлекательного внешнего вида, края отпрессованных листов обрезаются дисковыми пилами и отправляются в отдел технического контроля для испытаний показателей качества, после чего перемещаются на склад готовой продукции.

Иногда с целью улучшения свойств листы после прессования подвергают дополнительной тепловой обработке. Такая обработка приводит к углублению процесса поликонденсации смолы и исчезновению внутренних напряжений в материале.

АСБОПЛАСТИКИ, реакто - и термопласты, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя асбестовый материал в виде порошка (прессовочные и литьевые массы), волокон (асбоволокнит), бумаги (асбогетинакс), тканей (асботекстолит). Связующими в асбопластиках служат термореактивные синтетические смолы, главным образом феноло -или меламино-формальдегидные, реже кремнийорганические, фурановые; содержание связующего-50-70% от массы асбопластика. В состав пластиков могут входить и другие наполнители, например, асбоволокнит и асботекстолит иногда содержат тальк, SiO2, а асбогетинакс - бумагу из смеси асбеста с небеленой сульфатной целлюлозой. Асбестовым порошком наполняют и термопласты, напр. полиэтилен, полистирол, ПВХ.

Асбопластики - прочные, теплостойкие (до 250°С) и огнестойкие материалы, обладающие высокими фрикционными, а также электроизоляционными и антикоррозиоными свойствами, химической и атмосферостойкостью. Свойства  в значительной степени определяются видом связующего и наполнителя, в частности материалы из антофиллитового асбеста придают пластикам более высокую кислотостойкость, чем материалы из хризотилового асбеста, а также степенью наполнения, способом изготовления и др.

В производстве слоистых асбопластиков наибольшее качественная пропитка достигается, когда наполнителем является асбестовый войлок. При степени наполнения 60% материал, полученный прессованием при 20 МПа, имеет прочность при растяжении 190-210 МПа, при изгибе 390-400 МПа и модуль упругости 22400 МПа.

Слоистые пластмассы:  Текстолит, стеклотекстолит, гетинакс.

 — материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего. Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей, располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества использованы бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции.

В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите). Перечисленные наполнители сначала пропитывают бакелитовыми или кремнийорганическими лаками, сушат и режут на листы определенного размера. Подготовленные листовые наполнители собирают в пакеты заданной толщины и подвергают горячему прессованию, в процессе которого отдельные листы при помощи смол прочно соединяются друг с другом.

Гетинакс и текстолит устойчивы к минеральным маслам, поэтому широко используются в маслонаполненных электроаппаратах и трансформаторах. Наиболее дешевым слоистым материалом является древесно-слоистая пластмасса (дельта-древесина). Она получается горячим прессованием тонких листов березового шпона, предварительно пропитанных бакелитовыми смолами. Дельта-древесина применяется для изготовления силовых конструкционных и электроизоляционных деталей, работающих в масле. Для работы на открытом воздухе этот материал нуждается в тщательной защите от влаги.

Текстолит обладает повышенными механическими свойствами и теплостойкостью по сравнению с обычными пластмассами, в то же время легко поддается механической обработке: распиловке, сверлению, точению, шлифовке и т.д, а по сравнению с металлами он обладает большей эластичностью, стойкостью к истиранию и как следствие увеличенным сроком службы.

Каждая поставляемая партия сопровождается документом о качестве (паспортом). За партию принимают листы материала одной марки, изготовленные за одни технологический цикл из тканиодной партии, пропитанной смолой одной партии. Паспорт должен содержать артикул использованной ткани (для марки ПТК), номер партии, дату изготовления, результаты испытания главных показателей качества или вместо этого подтверждение соответствия показателей требованиям ГОСТ.

Область применения Текстолита:

Благодаря высоким физико-механическим свойствам, а также устойчивости к действию бензина, масел и в значительной степени воды, текстолит марки ПТК применяется в машиностроении для изготовления прокладочных шайб, вкладышей и подшипников, шкивов и бесшумных шестерен.

Неметаллические зубчатые колеса являются более эластичными и виброустойчивыми по сравнению с аналогичными изделиями из стали при одних и тех же условиях эксплуатации. Часто они работают в паре с металлическими и изнашиваются меньше. Текстолитовые шестерни длительно работают в распределительных механизмах авиационных и автомобильных двигателей, в редукторах, в коробках скоростей некоторых станков, в передачах от электромоторов мощностью до 100 КВт, в ткацких станках. Изготавливают различные типы шестерен: цилиндрические прямозубые, цилиндрические косозубые и конические.

Зубчатые колеса вырезают из плит текстолита обычными методами, применяемыми в производстве металлических зубчатых колес. Текстолит марки ПТМ уже многие годы с успехом применяется для изготовления вкладышей подшипников металлургических прокатных станов вместо бронзы! Преимуществами неметаллических подшипников является сравнительная легкость изготовления, хорошая перерабатываемость, низкий коэффициент трения, малая истираемость. Применение их взамен металлических, в том числе бронзовых, и баббитовых позволяет сэкономить до 30% электроэнергии, в несколько раз увеличить срок службы и значительно уменьшить износ шейки валов машин. Текстолитовые подшипники применят в шаровых мельницах, центробежных насосах, турбинах и других машинах. При коэффициенте трения около 0,003-0,006 (со смазкой) такие подшипники служат в 10-15 раз дольше бронзовых. Недостатком текстолитовых подшипников в данном случае является низкая теплопроводность материала, затрудняющая отвод теплоты трения. Для снижения коэффициента трения и истираемости, а также повышения теплопроводности в состав лака, используемого для изготовления материала вводят графит. При этом срок службы подшипников еще более увеличивается.

Обрабатывают текстолит на токарных, сверлильных и шлифовальных станках. Изделия в отличии от металлических не требуют окраски. Отдельные части материала могут быть склеены различными клеями.

Химическая стойкость материала не так уж высока, однако условиях воздействия кислот низкой и средней концентрации его можно применять в химической промышленности (при дополнительной защите бакелитовым лаком).

В электротехнике листовой текстолит А и Б применяется для изготовления разнообразных изоляционных деталей, пазовых клиньев электрических машин, шкивов, шестерен, вкладышей подшипников и т.д. В случае применения материала в качестве замены гетинакса, детали электроизоляционного назначения (например, колодки) подвергаются лакировке.

ПЛАСТМАССЫ

Старейшая пластмасса, полученная на базе Целлулоид нитроцеллюлозы. Нитроцеллюлоза является эфиром целлюлозы, которая по своему химическому составу относится к углеводам общей формулы (С,.Н1()05)й.

Целлюлоза—главная составная часть древесины и растительных волокон. Целлулоид получается путем пластификации нитроцеллюлозы при помощи камфоры. Удельный вес целлулоида 1,35 —1,6; сопротивление растяясению 300—725 кг/сл2. Выпускается листами толщиной от 1 до 3 мм, применяется для изготовления триплекса.

Недостаток целлулоида—его легкая воспламеняемость.

Пластмасса с удельным весом 1,40, получается Текстолит из прѳссованой тканевой основы, пропитанной бакелитовым лаком (лаковой смолой, содержащей одну молекулу формальдегида на одну молекулу фенола). Механические качества текстолита: крепость на разрыв 18 — 20 у;? мм2, на сжатие 26—28 кглшъ, на изгиб 18 кг/лш2 прп удлинении 4 °/0.

В силу малого удлинения в качестве самостоятельного конструкционного материала текстолит не применяется, хотя его не- намокаемость в воде, простота крепления к дереву и стойкость протпв атмосферных и прочих влияний дает основания предвидеть его использование в первую очередь в качестве материала для обшивки лодок и поплавков гидросамолетов.

Родственная текстолиту пластмасса гетинакс вместо тканевой имеет бумажную основу п обладает, примерно, теми же, что и текстолит, качествами.

Фенолоформальдегидная смола. Основное сырье Карболит для производства—фенол или крезол, формальдегид или смесь его с ацетальдегидом (до 30°/0), с фурфуролом (до 30°/0). Механические качества для фенольного и крѳзольного карболита различны:

крезольпый                                                                                              фонольный

Крепость на разрыв……………………………….. 183 кг/см2………………… 144 кг/см2

Модуль упругости на растяжение 28800 „ ……………………………………  29600 „

Крепость на сжатие……………………………….. 863 „ ………………………..  999 „

Поперечный изгиб………………………………… 937 „ ………………………..  445 и

Удельный вес………………………………………… 1,179…………………………. 1,116

Из карболита могут изготовляться кнопки сигналов, кожух снегоочистителя, рукоятки рычагов, всевозможные прокладки и шайбы.

Масса с удельным весом 1,3» применяется в видѳ прокладок под шайбы болтов, идет на изготовления роликов и других мелких частей, пѳ испытывающих напряжений.

Из пластмасс можно лить и штамповать детали оборудования: ролики, штурвалы, рычаги, мало нагруженные шестерни, краны, и т. п. Пластмассами выгодно заменять дорогостоящие металлы.

Выбранный для просмотра документ анализ листов самооценки.docx

библиотека
материалов


Варианты ответов студентов в листах самооценки:

Я хочу сказать ...


  1. Мне больше всего удалось :

  • записать в тетрадь

  • найти ответы на заданные вопросы

  • Найти свойства

  • Выслушать одногруппников

  • Собрать работу в одно сообщение

  • Найти информацию

  • Построить формулу смолы в текстолите

  1. За что я могу себя похвалить?

  • За работу в команде

  • Нашел ответы почти на все вопросы

  • Смог слепить структурную формулу

  • За умение слушать

  • Активность

  • Хорошо сработали За быструю работу и организованность

  • Раскрыть смысл задания

  • За стремление узнать новое, за КПД

  1. За что я могу похвалить однокурсников?

  • Все работали

  • Слаженность

  • За работу

  • Помогали выполнять задания

  1. Что приобрёл?

  • Знания о КМ -7

  • Умение работать над материалом

  1. Что меня удивило?

  • КМ

  • Работа в группе

  • Ничего-2

  • Слаженная работа в группе

  • Сравнительная несложность КМ

  • Показ проекта студентами

  • То, что многие материалы есть в самолетах

Разнообразие вопросов и предоставленные материалы

  1. Для меня было открытием то, что ...

  • Карбон- самый дорогой материал

  • Есть такие материалы

  • Не все так просто

  • КМ востребованы

  • Изделия из КМ создают поштучно

  1. Что, на мой взгляд, не удалось? Почему? Что учесть на будущее?

  • Организованность работы хромала

  • Удалось полностью выполнить работу, на будущее надо больше времени на выполнение

  • Надо лучше готовиться, готовиться и готовиться

  • Не удалось ответить на все вопросы из-за нехватки времени

  • На будущее учесть, чтобы работали много слаженнее, не отвлекались на разные вопросы не по теме, думали на «одну» голову



Выбранный для просмотра документ каучуки табл.doc

библиотека
материалов

ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ КАУЧУКОВ


Название каучука



Формула каучука



Мономер


Свойства


Применение


Бутадиеновый

(СКБ)

(-СН2-СН=СН-СН2-)n

нерегулярное строение

бутадиен – 1,3

СН2=СН-СН=СН2

уступает натуральному по эластичности и износостойкости

производство кабеля, обуви, бытовых резиновых изделий

Дивиниловый

(СКД)

(-СН2-СН=СН-СН2-)n

стереорегулярное строение

бутадиен – 1,3

СН2=СН-СН=СН2

превосходит натуральный по износостойкости, но уступает по эластичности

производство шин, бытовых резиновых изделий

Изопреновый

(СКИ)

hello_html_m7ef9a875.gif

-hello_html_m2cd2a906.gifН2С СН2-

С=С

Н3С Н n


стереорегулярное строение

изопрен

2-метилбутадиен-1,3

СН2=С-СН=СН2

СН3

превосходит натуральный по износостойкости и эластичности

производство шин

Бутадиен-стирольный

(СКС)


hello_html_15bbf85f.gifhello_html_58854ad0.gif

-СН2-СН=СН-СН2-СН-СН2-

С6Н5


бутадиен – 1,3

СН2=СН-СН=СН2

и

стирол

СН=СН2

С6Н5

уступает натуральному по эластичности, высокая водо- и газонепрони-цаемость

производство транспортер-ных лент

Хлоропреновый


hello_html_15bbf85f.gifhello_html_58854ad0.gif

-СН2-С=СН-СН2-

Сl n

хлоропрен

2-хлорбутадиен-1,3

СН2=С-СН=СН2

Cl


масло- и бензостойкий, термостабильн-ый

производство труб для перекачки нефти

Силиконовый

hello_html_6d2ae184.gif

Rhello_html_39d4ace6.gif

-Si-O-

R n

кремнийорганические соединения

R-Si-R

O

высокая термостабиль-ность

химическая промышлен-ность, авиа-ционная и космическая техника

Полиурета-новый

(-O-R-O-CO-NH-R1-NH-CO-)n

гликоль

HO-R-OH

диизоцианат

CON-R1-NCO


высокая износостойкость, стойкость к окислению

химическая промышлен-ность, авиа-ционная и космическая техника


Выбранный для просмотра документ наполнители схема.docx

библиотека
материалов

hello_html_192ad860.gif

Выбранный для просмотра документ словарь.docx

библиотека
материалов

Словарь терминов

Анизотропи́я (от др.-греч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) — различие свойств среды (например, физическихупругости,электропроводноститеплопроводностипоказателя преломленияскорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям


Боропластики 
Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями.


Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. 

Органопластики
Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды


Стеклопластики
Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла


Текстолиты 

Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон.


Углепластики
Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д


Эпоксидная смола — мономеры, олигомеры или полимерные растворы, содержащие не менее двух эпоксидных или глицидиловых групп, которые расположены на концах и вдоль основной цепи молекулы, либо в кольце алицикла и способные под действием отвердителей образовывать сшитые полимеры.

hello_html_1d9377fc.gif





ПОЛИЭФИРНЫЕ СМОЛЫ

Полиэфи́ры (или полиэ́стеры) — высокомолекулярные соединения, получаемые поликонденсацией многоосновных кислот или их ангидридов с многоатомными спиртами. Известны природные (янтарь, древесная смола, шеллак и др.) и искусственные полиэфиры

hello_html_1ee5983c.png

Фенолформальдегидные смолы (феноло-формальдегидные[1], PF, от англ. Phenol formaldehyde resin) — синтетические смолы из группы феноло-альдегидных смол[1] со войствами реактопластов или термореактопластов. Являются жидкими или твёрдыми олигомерными продуктами поликонденсациифенола с формальдегидом в щелочной или кислой среде (новолачные и резольные смолы (бакелиты), что соответственно влияет на их свойства.

hello_html_m4cca42e.gif

Бакелитовый клей

hello_html_6e30346a.png

Автор
Дата добавления 03.09.2016
Раздел Химия
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров931
Номер материала ДБ-175031
Получить свидетельство о публикации

"Инфоурок" приглашает всех педагогов и детей к участию в самой массовой интернет-олимпиаде «Весна 2017» с рекордно низкой оплатой за одного ученика - всего 45 рублей

В олимпиадах "Инфоурок" лучшие условия для учителей и учеников:

1. невероятно низкий размер орг.взноса — всего 58 рублей, из которых 13 рублей остаётся учителю на компенсацию расходов;
2. подходящие по сложности для большинства учеников задания;
3. призовой фонд 1.000.000 рублей для самых активных учителей;
4. официальные наградные документы для учителей бесплатно(от организатора - ООО "Инфоурок" - имеющего образовательную лицензию и свидетельство СМИ) - при участии от 10 учеников
5. бесплатный доступ ко всем видеоурокам проекта "Инфоурок";
6. легко подать заявку, не нужно отправлять ответы в бумажном виде;
7. родителям всех учеников - благодарственные письма от «Инфоурок».
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://infourok.ru/konkurs


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ


Идёт приём заявок на международный конкурс по математике "Весенний марафон" для учеников 1-11 классов и дошкольников

Уникальность конкурса в преимуществах для учителей и учеников:

1. Задания подходят для учеников с любым уровнем знаний;
2. Бесплатные наградные документы для учителей;
3. Невероятно низкий орг.взнос - всего 38 рублей;
4. Публикация рейтинга классов по итогам конкурса;
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://urokimatematiki.ru

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх