Анализ применения неметаллических материалов в машиностроении

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Объективные потребности  развития различных отраслей техники  обусловили создание новых конструкционных материалов с высокой прочностью и большими значениями модуля упругости на металлической, керамической и полимерной основах. Неумолимые законы природы диктуют необходимость резкого увеличения прочностных характеристик изделий про минимизации их массы. Это стало возможным при изготовлении композиционных материалов на полимерной основе (композитов)

Понятие неметаллические  материалы включает большой ассортимент  материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др. Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является великий русский химик А. М. Бутлеров. Промышленное производство первых синтетических пластмасс (фенопластов) явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г. С. Петровым (1907—1914 гг.). Блестящие исследования позволили С. В. Лебедеву впервые в мире осуществить промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций (1930—1940 гг.) и распространена на механизм цепной полимеризации.

Успешное развитие химии и физики полимеров связано  с именами видных ученых: П. П.. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Важный вклад внесен К. А. Андриановым в развитие химии кремнийорганических полимеров, широко применяемых в качестве термостойких материалов.

Применение  неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность. Все вышеперечисленные факторы и обусловили актуальность нашего исследования.

Целью работы является анализ применения неметаллических материалов в машиностроении

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

-изучить свойства  пластмасс;

-рассмотреть  термопласты и их классификацию;

- определить  свойства реактопластов;

- изучить методы  обработки пластмасс;

- определить  свойства фторопластов;

- рассмотреть  характеристики капролона.

Методы  исследования:

- обработка,  анализ научных источников;

- анализ научной литературы, учебников и пособий по исследуемой проблеме.

Объект  исследования – неметаллические материалы

Предмет исследования – применение неметаллических материалов в машиностроении

 

 

 

 

СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАСТМАСС

Пластмассы  и их свойства

 

Пластмассы различных видов нашли широкое применение в машиностроении благодаря своим высоким антикоррозионным и механическим свойствам. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют хороший внешний вид, блестящую гладкую поверхность различных цветов.

Пластмассы  это материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем охлаждении.

Пластмассы  состоят из связующего вещества и  наполнителя. Связующими служат смолы, а наполнителем различные вещества: древесная мука, волокнистые материалы, обрезки или листы бумаги, ткани  и т.п.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механическую прочность, снижают усадку при. прессовании и. придают материалу те или иные специфические свойства (фрикционные, антифрикционные и т. д.). Для повышения пластичности в полуфабрикат добавляют пластификаторы (органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе эластичность, облегчает ее обработку. Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (различные амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок, служащие для декоративных целей) [1].

Различают два  основных вида пластмасс: термопластичные  и термореактивные.

К термопластичным  материалам или термопластам (thermoplast) относятся полимеры, которые при  нагревании в процессе переработки переходят из твердого агрегатного состояния в жидкое: высокоэластическое или вязкотекучее (литьевые термопласты переходят в вязкотекучее состояние). При охлаждении материала происходит обратный переход в твердое состояние. Поведение при нагревании отличает термопласты от термореактивных материалов или реактопластов (thermoset), которые отверждаются при переработке и не способны далее переходить в жидкое агрегатное состояние.

Термопласты и  их классификация

 

В зависимости  от принимаемых фазовых состояний термопластичные материалы делятся на аморфные и кристаллические (точнее кристаллизующиеся). В кристаллизующихся литьевых термопластах всегда сохраняется какая-то доля незакристаллизованного (аморфного) материала, поэтому эти материалы иногда называют частично-кристаллическими. Некоторые материалы (PC), в принципе способные к кристаллизации, не кристаллизуются при литье под давлением, оставаясь аморфными. Есть материалы, которые могут быть аморфными или кристаллизоваться в зависимости от условий литья. Другие- очень сильно меняют степень кристалличности и свойства при изменении технологического режима.

Способность к  кристаллизации - очень важное свойство материалов, определяющее их поведение  при переработке, и которое обязательно  должно учитываться при конструировании изделий и пресс-форм и выборе технологического режима литья. Кристаллизующиеся материалы имеют высокий уровень усадки и анизотропии усадки (разница продольной и поперечной усадки). Пигменты и другие добавки, действуя как нуклеаторы (зародышеобразователи кристаллизации), могут значительно изменять структуру и свойства кристаллизующихся материалов.

В зависимости  от температуры аморфные термопласты  имеют 3 физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.  
Для стеклообразного состояния характерны небольшие упругие деформации. Переход из высокоэластического состояния в стеклобразное происходит в некотором диапазоне температур, центр которого называют температурой стеклования Tc (glass transition temperature, Tg). В зависимости от метода определения температура стеклования может значительно изменяться. При повышении температуры стекловании повышается температура эксплуатации аморфного материала [10].

Полимер в высокоэластическом состоянии способен к большим  обратимым деформациям, достигающим сотен и более %. При повышении температуры литьевой термопластичный материал переходит из высокоэластического состяния в вязкотекучее. Температура такого перехода называется температурой текучести Тт. Выше температуры текучести в полимере проявляются необратимые деформация вязкого течения. При нагревании амофного материала обычно визуально наблюдается нефазовый переход, напоминающий процесс плавления для кристаллизующихся термопластов. Температуру такого перехода условно называют температурой плавления (melting temperature, Tm) аморфного материала.

В кристаллизующихся  термопластах аморфная фаза может приобретать  описанные выше физические состояния. При нагревании кристаллическая  фаза плавится. Температура этого  фазового перехода называется температурой плавления Тпл (melting temperature, Tm). Свойства кристаллизующихся полимеров зависят от содержания кристаллической фазы и от того, в каком физическом состоянии (стеклообразном или высокоэластическом) находится при температуре эксплуатации аморфная фаза.

Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам

Литьевые термопластичные  материалы делят на несколько  групп в зависимости от уровня эксплуатационных свойств. К таким свойствам прежде всего относится температура долговременной эксплуатации. 
     Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации):

- Материалы  общего назначения или общетехнического  назначения (general purpose plastics);

- Конструкционные пластмассы  или пластмассы инженерно-технического назначения (engineering plastics);

- Суперконструкционные (super-engineering plastics) или высокотермостойкие полимеры (high temperature plastics).

Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных  эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения (general purpose TPE) и инженерно-технического назначения (engineering TPE).

Классификация термопластов по химической структуре

По химическому  строению многочисленные литьевые термопластичные  материалы обычно подразделяют на несколько групп (классов). Современная промышленность выпускает большое количество типов полиолефинов (PO), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (PE) и полипропиленов (PP). Многочисленные типы материалов представлены в группах стирольных пластиков (PS), полиамидов (PA), сложных полиэфиров (polyester)[6].  
     Традиционно выделяют группы полимеров на основе целлюлозы (cellulosic plastics), фторполимеров или фторопластов (fluoro plastics). Изготовители акриловых полимеров или акрилатов (acrylic) часто указывают только принадлежность материала к данной группе и не приводят тип материала.

Гомополимеры. Сополимеры. Стереоизомеры

Полимеры, построенные  одинаковых мономеров называют гомополимерами (homopolymer), из разных - сополимерами (copolymer).  
     Для некоторых типов материалов (полипропилен, полистирол и др.) помимо химической формулы большое значение имеет стереоизомерия - тип пространственной конфигурации боковых групп атомов относительно полимерной цепи. Наиболее важные типы стереоизомеров:

- изотактический (isotactic) - боковые группы расположены  по одну сторону полимерной  цепи;

- синдиотактический  (syndiotactic) - боковые группы последовательно  чередуются по одну и другую  сторону полимерной цепи;

- атактическиий  (atactic) - беспорядочное расположение боковых групп по одну и другую сторону полимерной цепи.

Развитие технологи  синтеза полимеров с использованием металлоценовых катализаторов, позволило  наладить в последние годы промышленный выпуск различных стереоизомеров.

В качестве примера  влияния стереоизомерии на эксплуатационные свойства материала можно привести синдиотактический полистирол (SPS), являющийся кристаллизующимся материалом в отличие от обычного аморфного  атактического полистирола.

По структуре  сополимеры делят на несколько типов:

- блок-сополимер  (block-copolymer) - регулярное чередование  последовательностей (блоков) звеньев  в основной цепи; 
     - статистический сополимер (random copolymer) - нерегулярное чередование последовательностей звеньев; 
     - привитой сополимер (graft copolymer) - имеет основную цепь в виде гомополимера или сополимера, к которой присоединены боковые цепи; 
     - чередующийся или альтернатный сополимер (alternating copolymer) -  регулярное чередование звеньев в основной цепи.

В последнее время большое развитие получили интерполимеры - сополимеры, образующие гомогенную структуру (компоненты не выделяются в отдельные фазы).

Помимо двойных  сополимеров, построенных из двух типов  мономерных звеньев, выпускаются тройные  сополимеры (terpolymer), состоящие из трех типов звеньев, а также сополимеры с четырьмя и большим количеством типов звеньев. Тройными сополимерами являются АБС-пластики (ABS), ACA-сополимер (ASA) и др. [4].

Классификация термопластов по типу наполнителя

Наполнители могут значительно изменять эксплуатационные и технологические свойства термопластов.

Термопласты, содержащие стекловолокно и др. виды стеклянных наполнителей, традиционно называют стеклопластиками (glass filled). В последние  годы большое распространение получили материалы, наполненные длинным стекловолокном, требующие особых условий переработки.

Углепластиками (carbon filled) называют материалы, содержащие углеродное волокно.

Иногда выделяют группу «специальных» термопластов. К ним относят материалы, содержащие антипирены (материалы с повышенной стойкостью к горению), электропроводящие добавки (антистатические, электропроводящие, ЭМИ-экранирующие материалы), антифрикционные добавки (материалы с пониженным коэффициентом трения), добавки, придающие износостойкость и др.

Реактопласты  и их свойства

 

Термореактивные пластмассы (текстолоит, карболит пресс-материал

Ж3-010-62, АК-4, АГ-17 и др.) при повторном нагреве  не переходят в пластическое состояние.

Пример реактопластов - это стеклотекстолит. Стеклотекстолиты бывают КАСТ и ВФТ-С.

Таблица 1.1

Технические характеристики стеклотекстолит КАСТ-В, ГОСТ 10292-74Е.

Изгибающее  напряжение при разрушении по основе, МПа  Flexural Strengh, break, on warp, MPa	127-132
Прочность при  разрыве по основе, МПа  Tensile Strength on warp,MPa	211-284
Разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа  Compression Strendth in parallel to layers, MPa	54-64
Ударная вязкость по Шарпи по основе, КДж/м 2  Charpy Impact Strength on warp, KJ/m2	88-113
Модуль упругости  при растяжении по основе, МПа  Tensile Modulus on warp, MPa	2,1*10 4
Модуль упругости  при растяжении по основе, МПа  Tensile Modulus on warp, MPa	2,1*10 4
Коэффициент теплопроводности, Вт/м град  Coefficient of Thermal Conductivity, W/m*grad	.
при 20ОС  At 20О C	0,29
при 150ОС  At 150 ОC	0,33
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом см, не менее  Volume Resistvity, Ohm*cm,min	3*10 12
Электрическая прочность, КВ/мм, не менее  Electric Strength, KV/mm, min	23