Неметаллические материалы (стр. 7 из 17)
Полисульфон — простой ароматический полиэфир, в макромолекулах которого между фениленовыми группами имеются звенья — SO2 — (повышают стойкость к нагреву), группы - О-, - С(СН3)2 - (уменьшают жесткость). Это аморфный, трудно кристаллизующийся полимер. Материал термически стабилен, химически стоек, по прочностным свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температурах от — 100 до + 175°С (в инертной атмосфере до 400°С). Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий, металлизованных матриц для типографских клише.
Полиимиды — ароматические гетероциклические полимеры. Цепь макромолекул содержит имидные циклы и ароматические ядра, соединенные гибкими связями - О -, - СО -. В зависимости от структуры полиимиды могут быть термопластичными и термореактивными. Наибольшее практическое применение получили линейные полиимиды. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от - 200 до + 300°С), стойкостью к радиации. На основе полиимидов получают пленки, по прочности не уступающие лавсановым. Полиимиды стойки к действию растворителей, масел, слабым кислотам и основаниям. Разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров. Могут длительно работать в глубоком вакууме при высоких температурах. Полиимидные прессовочные хорошо сопротивляются ползучести, стойки к истиранию, обладают низким коэффициентом трения.
Полиимиды применяют в виде пленок для изоляции проводов и кабелей, печатных схем, электронно-вакуумной тепловой изоляции. Пресс-материалы используют для изготовления изделий конструкционного, антифрикционного и электроизоляционного назначения. Полиимидные связующие применяют для наполненных пластиков.
Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. В основной цепи макромолекул содержатся бензимидазольные ЦИКЛЫ.
Большинство полимеров бесцветные, однако полимеры с ярко выраженной системой сопряжения в цепи имеют темный цвет. Полимеры могут иметь кристаллическое или аморфное строение, быть термопластичными и термореактивными. Сшитая структура получается при введении сшивающих агентов.
Полибензимидазолы обладают высокой термостойкостью (температура разложения на воздухе 300-600°С, температура размягчения 300-490°С); хорошими прочностными показателями, высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Композиции на основе поли-бензимидазолов могут использоваться в качестве абляционных теплозащитных материалов. Антифрикционные материалы — АСП-пластики обладают термостойкостью и самосмазывающимися свойствами.
Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов; из АСП-пластиков изготовляют подшипники, шестерни. Полибензимидазолы могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков.
Композиционные материалы
Композиционными называют искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов. Одним из компонентов является матрица (для полимеров — связующее), другим — упрочнители. Родоначальником композиционных материалов являются армированные стеклопластики. Их физическая природа, схемы армирования и расчетные особенности переносятся на композиционные полимерные материалы.
В качестве матриц используют полимерные, углеродные, керамические и металлические материалы. В качестве упрочнителей применяют волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (окислов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства различных волокон, применяемых в качестве, упрочнителей, приведены в табл.2. Углеродные волокна на воздухе могут работать до температуры 450°С, в нейтральной и восстановительной среде они сохраняют прочность до 2200°С. Борные и керамические волокна обладают высокой твердостью и мало разупрочняются с повышением температуры. Органические волокна могут работать до температуры 200 — 300°С.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие упрочняющие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60—80% об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами. и нитевидными кристаллами) — 20 — 30% об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
Повышение адгезии матрицы к волокнам достигается поверхностной' обработкой последних. С этой целью применяют вискеризацию — введение нитевидных кристаллов в межволоконное пространство. Вискеризация осуществляется путем осаждения нитевидных кристаллов на поверхность волокон («мохнатые» волокна с выращенными на них перпендикулярно длине монокристаллами — «усами»). Этим достигается повышение прочности материала при сдвиге в 1,5 — 2 раза, модуля упругости при сдвиге и прочности при сжатии на 40 — 50%. По характеру матрицы композиционные материалы подразделяют на полимерные, углеродные и металлические. По упрочнителю их можно классифицировать на карбоволокниты (углепласты), содержащие в качестве упрочняющего материала углеродные волокна; бороволокниты с упрочнителями в виде борных волокон; органоволокниты с синтетическими волокнами; металлы, армированные волокнами
Свойства армирующих волокон таблица 2 | Плот- | Предел | Модуль | Относи- | Температура | |
| Тип волокна | ность, | прочно- | упругости, | тельное | стабильности. |
| г/см3 | сти, | 103 | удлинение, % | СС | |
| кгс/мм2 | кгс/мм2 | ||||
| Стеклянные: | |||||
| алюмоборосиликатные | 2,5-2,6 | 140-220 | 6 | 2-3 | 700* |
| высокомодульные | 2,5-2,6 | 390-470 | 9,5-11 | 4,4-5. | До 870 |
| Углеродные высокомодульные | 1,75-1,95 | 230-290 | 28-31 | 0,7-1 | 2200 |
| Борные | 2,5 | 280-320 | 39-40 | 0,7-0,8 | TТразм = 3650) 980 |
| (Тпл = 2200) | |||||
| Окись алюминия | 3,97 | 210 | 17 | — | 1000 - 1500 |
| Карбид кремния | 3,18 | 350 | 42 | _ | (Tпл = 2050) 1200 - 1700 |
| Синтетические: | (Tпл = 2090) | ||||
| полиамидное (капрон) | 1,14 | 77-85 | 0,32-0,35 | 13-17 | 196-216** |
| полиэфирное (лавсан) | 1,38 | 48-62 | 1,02-1,1 | 14-15 | 235-255** |
| полиакрилонитрильное (нитрон) поливинилспиртовое (винол) | 1,17 | 46-56 | 0,46-0,58 | 16-17 | — |
| Поливинилспиртовое (винол) | 1,26 | 60-100 | 2,5 | 7-12 | - |
| Из ароматического полиамида | 1,4 | 200-280 | 11-12 | 2-5 | |
| Проволоки: | |||||
| вольфрамовая | 19,3 | 220-430 | 35-42 | — | — |
| молибденовая | 10.2 | 215 | 36 | _ | __ |
| титановая | 4,72 | 190-200 | 12 | _ | |
| стальная | 7,9 | 420 | 20 | — | - |
*Температура плавления.
**Температура деструкции
Преимуществом композиционных материалов являются высокие прочность и жесткость (для карбоволокнитов Ơв = 65 - 170 кгс/мм2, Е= 12000 - 18 000 кгс/мм2; для бороволокнитов Ơв = 90 - 175 кгс/мм2, Е = 21400 - 27000 кгс/мм2), хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность и термическая стабильность. Плотность композиционных материалов составляет от 1,35 до 4,8 г/см3.
Композиционные материалы являются перспективными конструкционными материалами для различных отраслей машиностроения.
1. Карбоволокниты
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей (наполнителей) в виде углеродных волокон (карбоволокон).
Углеродные волокна получают термообработкой органических волокон. В зависимости от температуры термообработки и содержащегося углерода волокна подразделяют на частично карбонизованные (900°С, 85-90%), карбонизованные (900-1500°С, 95-99%) и графитированные, (1500 — 3000°С, >99.%). Два последних типа имеют наибольшее значение.
В зависимости от формы исходного сырья углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгутов, войлока, тканей; волокна можно перерабатывать на обычном текстильном оборудовании.
Практическое применение нашли вискозные кордные волокна (ВК) и полиакрилонитрильные (П АН-вол окна).
Свойства волокон зависят от термообработки, с увеличением температуры происходит образование гексагональных углеродных слоев, их рост и упорядочение. Структура волокон фибриллярная. Каждая фибрилла состоит из лентообразных микрофибрилл, разделенных узкими и длинными продольными порами.
В результате вытяжки достигается ориентация кристаллитов, что позволяет получать высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна.
Обычные углеродные волокна имеют Ơв = 50 - 100 кгс/мм2 и Е = = 2000--7000 кгс/мм2; для высокопрочных и высокомодульных волокон Ơв>150 кгс/мм2 и Е> 15000 кгс/мм2. По удельным прочности (Ơ/р) и жесткости (Е/р) последние превосходят все жаростойкие волокнистые материалы.
Высокая энергия связи С — С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах 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, аппретированию, вискеризации.