Современные тенденции развития полимерных и композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова»

Кафедра «Промышленный Менеджмент и Сертификация»

Курсовая работа

По теме

«Современные тенденции развития полимерных и композиционных материалов»

Чебоксары 2011

ВВЕДЕНИЕ

Первые упоминания о полимерах относятся к первой половине 19 века.

Однако, тогда имелось ввиду немного другой смысл, чем современные представления о полимерах. “Истинные” полимеры к тому времени еще не были известны. Лишь с начала 20-х годов 20 века появилось новое представление о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы. Настоящее время многие ученые называют «век композиционных материалов».

Но композиционные материалы зародились не в настоящее время, человек использовал их еще в древние времена. Так, даже самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары регулировали даже пористость своих изделий. Упоминание о таких материалах содержится в Библии.

Объектом нашего исследования являются полимерные и композиционные материалы.

Цель данной курсовой работы - изучить требования к полимерным и композиционным материалам «нового поколения» и рассмотреть перспективные области их использования.

Задачи:

1) Указать характеристики полимерных и композитных материалов.

2) Показать классификацию полимерных и композитных материалов.

3) Описать методы получения полимеров и композитов.

4) Выделить направления использования полимеров и композиционных материалов.

5) Описать перспективные направления развития композиционных и полимерных материалов.

Полимеры -- неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер -- это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико.

Композициомнный материамл -- искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

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 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Полимерные и композиционные материалы распространены в различных областях жизнедеятельности человека. Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и другим свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. А композиционные материалы стали незаменимым сырьем в авиастроении, в космонавтике и в военном деле.

1. НАЗНАЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Историческая справка происхождения полимеров и композитов

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол).

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря не ковалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

В наши дни всё большее применение обретают различные композитные материалы. Высокая надёжность и прочность обусловили популярность и быстрое распространение композитов по всему миру.

Композит - это искусственно созданный, неоднородный материал. Как правило, он включает в свой состав от двух и более компонентов. Таким образом, композитный материал, состоящий из двух веществ, как бы совмещает в себе достоинства обоих составляющих. Большая часть всех композитов, кроме слоистых, состоит из нескольких компонентов, выполняющих роль матрицы и армирующего составляющего. Последнее, зачастую, представляет собой гибкий материал, поэтому ему и нужна форменная матрица.

Чтобы лучше понять, что такое композитный материал стоит окунуться в историю. Появлению первых образцов оного мы обязаны Египту. Приблизительно в 15 веке до н. э. был создан первый композит, представляющий собой самую обычную фанеру. В Европе материал приобрёл популярность лишь в 16 веке н.э., как материал для изготовления мебели. Многослойное дерево было настолько надёжным, что его стали применять при строительстве авиационного транспорта. Фанера используется и по сей день - это ещё раз подтверждает надёжность и практичность композитных материалов.

В наши дни композитные материалы приобрели ещё большее распространение и стали использоваться даже как покрытие и облицовка. Примером этому может служить алькантара - необычайно крепкая и надёжная ткань. Этот материал представляет собой пластиковые нити, сложенные в несколько слоёв по принципу прядения. Таким образом, мы получаем многоволоконную структуру, отвечающую требованиям категории композитов по всем параметрам. Этот обивочный материал обрел широкую популярность, благодаря своёй мягкости и прочности. Автомобильная алькантара способна соперничать даже с такими материалами, как кожа и замша.

В наши дни композитные материалы выступают в роли обшивочного материала и силовых элементов самых различных конструкций. Наиболее распространён он в автомобилестроении, где такие материалы, как алькантара используются для создания автомобильных чехлов и покрытия различных панелей.

химический полимерный композиционный керамический

1.2 Общие понятия о полимерах и композиционных материалах

Полимеры - это такие высокомолекулярные, главным образом органические, вещества, очень крупные молекулы которых, называемые поэтому макромолекулами построены по одному и тому же принципу из многократно повторяющихся структурных звеньев, образованных из мономеров.

Полимеры либо встречаются в природе, например целлюлоза, крахмал, каучук, белки, либо изготовляются синтетически, например полихлорвинил, полистирол, полиамиды и многие другие.

Особые механические свойства:

· эластичность -- способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

· малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

· способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

· высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

· растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

· способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Полимеры сочетают свойства газов (по упругости), жидкостей (по тепловому расширению, сжимаемости, текучести) и твердых тел (по способности сопротивляться деформации).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам (КМ) можно также дать следующее определение: композициомнный материамл -- искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения. Все КМ можно разделить на два вида: естественные и искусственные.

Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений (волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином), кости человека и животных (тонкие прочные нити фосфатных солей соединены пластичным коллагеном), а также эвтектические сплавы. Основой матрицы КМ могут служить металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе). Роль матрицы в КМ состоит в придании формы и создании монолитного материала.

КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

Отметим следующие характеристики композиционных материалов:

· высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)

· высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)

· высокая износостойкость

· высокая усталостная прочность

· из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

· легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

· высокая стоимость

· анизотропия свойств

· повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны

1.3 Классификация полимерных и композиционных материалов

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры. Органическими полимерами называют соединения, содержащие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Это могут быть также вещества, в состав молекул которых входят и другие элементы, если их атомы не образуют главную цепь и не соединены непосредственно с атомами углерода. Это смолы и каучуки.

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель -- кремнийорганические соединения.

Неорганические полимеры -- полимеры, не содержащие в повторяющемся звене связей C-C, но способные содержать органические радикалы как боковые заместители.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай -- звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей -- молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями -- неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных -- высокомолекулярных.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.

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

Наиболее широкое применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят (смотри Рисунок 1):

· полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;

· металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

· композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);

· композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами и SiC.

При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции с ударной прочностью и ударным модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1.4 Основные методы получения

Синтетические полимеры получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации (смотри Рисунок 2). Полимеризация -- это процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счет кратных связей (С = С, С = О и др.) или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (О, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав,
Поликонденсация -- зто процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и да более функциональные группы (ОН, СО, СОС, NHS и др.) способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по элементному составу не соответствуют исходным мономерам.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реакций в результате разрыва непредельных связей. Макромолекула при цепной полимеризации образуется очень быстро и сразу же приобретает конечные размеры, т. е не возрастает при увеличении длительности процесса.
Полимеризация мономеров циклического строения происходит за счет раскрытия цикла и в ряде случаев пропекает не по цепному, а по ступенчатому механизму. Макромолекула при ступенчатой полимеризации образуется постепенно, т. е. сначала образуется димер затем тример и т.д., поэтому молекулярная масса полимера растет со временем. Принципиальное отличие ценной полимеризации от ступенчатой и от поликонденсации состоит в том, что на разных стадиях процесса реакционная смесь всегда состоит из мономера и полимера и не содержит ди-, три-, тетрамеров. С увеличением продолжительности реакции растет лишь число макромолекул полимера, а мономер расходуется постепенно. Молекулярная масса полимера не зависит от степени завершенности реакции или, что то же, от конверсии мономера, которая определяет только выход полимера.

Многие полимеры нельзя получить ни полимеризацией, ни поликонденсацией, поскольку или неизвестны исходные мономеры, или мономеры не образуют высокомолекулярных соединения, синтез таких полимеров осуществляют, исходя из высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых содержат реакционноспособные функциональные группы. По этим группам полимеры вступают и те же реакции, что и содержащие такие группы низкомолекулярные соединения.
Реакции в цепях полимера могут происходить без существенного изменения молекулярной массы полимера (таи называемые полимер-аналогичные превращения), с увеличением молекулярной массы полимера (синтез привитых и блок сополимеров) или с уменьшением молекулярной массы (деструкция макромолекул).

Все способы получения композитов подразделяются на твердые, жидкофазные и осаждения.

Твердофазные способы заключаются в предварительном совмещении (объединении) армированных элементов и матрицы и их последующего компактирования в изделие с помощью горячего прессования, ковки, прокатки, диффузионной сварки, экструзии и др. методов.

Для изготовления композитов, армированных высокопрочными частицами, непрерывными и короткими волокнами, матами, сетками, наибольшее применение находят твердофазные методы порошковой металлургии. Эти методы позволяют получать композиты с заданной пористостью, но к недостаткам методов следует отнести трудности равномерного распределения армируемой фазы в объеме матрицы на этапе подготовки шихты, а также возможность повреждения волокон при компактировании.

Наиболее производительным процессом слоистых композитов методом твердофазного совмещения является технология непрерывного компактирования с использованием прокатки или диффузионной сварки. По этой технологии между валками прокатного стана уплотняют до компактного состояния либо матричные ленты и арматуру в виде непрерывных волокон (сеток, матов), либо ленты с расположенными между ними дискретными волокнами.

Наибольшее применение получает сварка взрывом ? основной способ получения слоистых композитов, при котором соединение образуется в твердой фазе. Метод не требует нагрева перед деформацией, что сохраняет хорошую прочность армируемых волокон. Таким способом получают многослойные листы, полосы, цилиндрические заготовки и т.д. В результате детонации взрывчатого вещества происходит соударение метаемой пластины и заготовки. При этом имеет место значительная пластическая деформация поверхностных слоев и их местный адиабатический нагрев, приводящие к образованию прочного сварного соединения отдельных пластин.

Методы осаждения получают развитие в последние годы. Они заключаются в синтезе композитов (создании) нанесением на подложку чередующихся слоев матрицы и арматуры. Существует несколько способов получения композитов нанесением покрытий: плазменным напылением, электролитическим осаждением, осаждением из газовой фазы, вакуумным, эмиссионным и др. методами.

Жидкофазные методы обладают рядом существенных преимуществ, главные из которых: возможность получения изделий сложной конфигурацией с минимальной последующей обработкой или без нее; ограниченное силовое воздействие на хрупкие компоненты; широкая номенклатура компонентов; упрощенное аппаратурное обеспечение; высокая производительность и возможность механизации; реализация непрерывных технологических процессов.

Жидкофазные методы предполагают использование ряда технологий.

1. Литейные технологии.

С их помощью композиты получают двумя способами: соединением твердых и жидких фаз и соединением различных компонентов, находящихся в жидком состоянии.

Процесс соединения твердых и жидких фаз осуществляется в следующем порядке (смотри Рисунок 3):

· Укладка, установка армированных элементов в полость литейной формы перед заливкой матричным расплавом;

· Заливка в литейную форму гетерогенного матричного расплава, содержащего армированные элементы, приготовленного в ковше;

· Введение армированных элементов в матричный расплав в процессе заливки его в кристаллизатор или литейную форму;

· Сборка (намотка армированных элементов в присутствии жидкого матричного сплава):

1) Методом вакуумного всасывания получают, например, композиционные отливки из жаропрочного сплава, армированные W-волокнами.

2) Метод литья с комплексным электромагнитным и вакуумным воздействием позволяет устранить нежелательное эрозионное разрушение поверхности армированных волокон, при вакуумном всасывании ? электромагнитное поле регулирует скорость движения расплава при заливке и пропитке.

Одним из наиболее распространенных методов получения многослойного металла является так называемое литое плакирование ? жидких металлов твердых армированных элементов, предварительно размещенных в литейной форме или изложнице. Например, для получения биметаллического плакированного листа, сляб из легированной коррозионностойкой стали с предварительно простроганной и обезжиренной поверхностью устанавливается на некотором расстоянии от стенки. Затем производится сифонная заливка в изложницу жидкой, углеродистой стали.



Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Электрошлаковый обогрев.

Патоном Б.Е. и др. разработан способ получения слоистых композитов с использованием электрошлакового обогрева (ЭШО), который позволяет получить биметалл с надежным соединением независимо от толщины прокатываемого металла.

Применение метода плакирования с использованием ЭШО позволяет расширить возможности композиций различных элементов для получения заданного сочетания свойств, экономить легированные стали, повышать качества изделий из биметалла.

3.Центробежное литьё.

Широкое развитие получило литейное плакирование втулок, цилиндров, трубных заготовок с помощью центробежного литья, технологические схемы которого различны.

4.Электрошлаковый переплав.

Для получения композитных заготовок является технология электрошлакового переплава (ЭШП): общая металлическая ванна разделяется металлической, охлаждаемой перегородкой на два сообщающиеся между собой отделения, над которыми переплавляются электроды соответствующего состава. При стационарном закреплении кристаллизатора по мере наплавления слитка, перегородка поднимается.

5.Метод наплавки.

Плакирование деталей и заготовок с участием жидкой фазы осуществляется и методом наплавки. Процесс наплавки может осуществляться проволочными или ленточными электродами. Метод характеризуется высокой производительностью, обеспечивает небольшую глубину проплавления основного металла.

Недостатки: трудоёмкость; дополнительная механическая обработка;

Используется и способ ЭШ-наплавки главным образом для ремонта крупногабаритных изделий (прокатных валков, штампов и других).

6. Пайка.

Для получения ряда многослойных композиций из металлов с резко различными свойствами применяется эффективный метод жидкофазного совмещения ? пайка (между соединёнными слоями помещается припай в виде фольги, порошка; собранный пакет нагревается до температуры расплавления припая и охлаждается).

7. Метод направленной кристаллизации.

Получение микрогетерогенных композитов осуществляется методом направленной кристаллизации эвтектических расплавов: из расплава, кристаллизирующегося в условиях интенсивного направленного отвода тепла, выпадают параллельные направлению теплоотвода игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределенные в матрице. Эти кристаллы (армирующая фаза) имеют механические свойства, близкие к свойству усов, хорошо связаны с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик достаточно высока.

С помощью направленной кристаллизации получены композиты на основе Al, Mg, Cu, Ni, Co, Nb, Ti и другие. Эти новые материалы, состоящие из направленно расположенных взаимопроникающих друг в друга фаз, получили название естественных композиционных материалов. В отличие от обычных жаропрочных сплавов они являются анизотропными, характеризуются более высокими показателями прочности и жаропрочности. Использование литых эвтектических жаропрочных материалов перспективно в первую очередь в энергетическом машиностроении и космической технике, где требуется высокая жаропрочность (стойкость) изделия.

Методы получения изделий из полимерных композиций с волокнистыми наполнителями очень разнообразны и зависят как от вида связующего, так и от вида наполнителя. Принципиально отличаются эти методы для полимеров, содержащих короткие и непрерывные волокна.

В качестве коротких волокон в полимерных композициях могут применяться как природные волокна (волластонит, асбест), так и рубленные или разрезанные до заданной длины (обычно 8 мм) волокна. Материалы с короткими волокнами получают или смешением волокна с полимером или пропиткой волокон полимерным связующим. Пропитка возможна при использовании жидких олигомерных связующих, которые после пропитки волокна и формования изделия отверждают. Термопласты и высокомолекулярные поликонденсационные смолы смешивают с волокнами на роторных, валковых или шнековых смесителях. При этом полимеры находятся в вязкотекучем состоянии. Под действием высоких напряжений сдвига при смешении происходит дополнительная ломка и укорачивание волокна, что соответствующим образом сказывается на его прочностных свойствах.

Для переработки композиций с короткими волокнами в изделия применяют обычные методы переработки полимеров, характерные для термопластов и реактопластов соответственно: литье под давлением, экструзия, прессование и другие.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОТСРОЕНИИ

2.1 Направления использования полимерных материалов

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. машиностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37--38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами что повышает уровень полезного использования (безотходность и отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое, рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Перечислим преимущества применения полимерных материалов для изготовления подшипников скольжения: 1) незначительный коэффициент сухого трения и связанные с ним небольшие потери энергии; 2) автоматическая смазка подшипника в результате поглощения масла или воды; 3) способность подшипника к «самоприработке» и поглощению твердых частиц; 4) незначительный износ; 5) способность к гашению вибраций; 6) достаточно большая прочность на сжатие; 7) сопротивляемость воздействию воды и смазок; 8) небольшой вес; 9) малая трудоемкость изготовления.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей н сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.

Таковы лишь некоторые примеры и основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры, как и следовало, ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”.

Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, и в то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.

2.2 Направления использования композиционных материалов

Благодаря своим свойствам, композиционные материалы могут применятся практически во всех отраслях промышленности. Например, для современной ракетно-космической техники характерно интенсивное использование новых материалов, технологий и перспективных конструкций на их основе.

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

Наибольшее применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичныхсвязующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основесплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC.

Одной из главных тенденций в развитии машиностроения является снижение веса конструкций за счет использования современных композитных материалов. Новые материалы внедряются во всех видах транспорта, т.к. это помогает обеспечить лучшую энергоэффективность. В качестве примера можно привести использование углепластиков в конструкции авиалайнеров Boeing и Airbus, но это уже не «предел мечтаний» конструкторов. На смену традиционным композитным материалам разрабатываются и испытываются более эффективные образцы с улучшенными свойствами.

При создании авиационных двигателей нового поколения для снижения веса, уменьшения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов используются легкие и очень стойкие огнеупорные материалы - керамические композиты.

Композиты помимо высоких прочностных характеристик, обладают высокой коррозионной стойкостью и гидрофобностью, что обуславливает их применение в судостроение. Применение композитов также позволяет снизить вес конструкций, в результате чего уменьшается расход топлива и увеличивается маневренность судов. При создании изделий, редназначенных для спасения людей при пожаре на воде, применяют композиты с высокой тепло- и огнестойкостью.

Композиты широко применяются при производстве деталей и узлов в автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении. Основные достоинства композитов для данных отраслей промышленности: коррозионная стойкость, повышенная стойкость к повреждениям, звукопоглощение, малый вес, экономичность. Благодаря использованию легких и облегченных композитов снижается общий вес автомобильной и сельскохозяйственной техники, а значит, экономится топливо при его эксплуатации.

Кроме того, насыщение современной техники электроникой означает увеличение числа корпусов, изготавливаемых из широкого ассортимента прочных и теплостойких композитов. Мало- и среднегабаритные детали и изделия для автомобильной и сельскохозяйственной техники из композитов производятся крупными сериями.

Современные композиты применяются при производстве подвижного железнодорожного состава, как пассажирского, так и грузового, что обеспечивает его облегчение, удешевление, долговечность и меньшие затраты на эксплуатацию. Весовые показатели особенно важны для высокоскоростного движения на существующих линиях.

Снижение массы является определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов, что очень важно для наклона кузова при движении в кривых с высокой скоростью. Оптимизация массовых показателей обеспечивается использованием многослойных конструкций из композитов в элементах оснащения вагонов. Очень актуально применение композитов при производстве грузового подвижного состава, предназначенного для транспортировки агрессивных сред (вагоны и цистерны).

2.3 Перспективные направления развития композиционных и полимерных материалов

Современная техника предъявляет самые разнообразные требования к полимерным материалам. Допустим, нужно повысить прочность и жесткость полимера, снизить его стоимость, уменьшить плотность. С каждой из этих задач успешно справляются добавлением в полимер различных наполнителей. Каких именно? Это зависит от конкретных запросов потребителей материала. Например, прочность повышают введением в полимер упругих высокопрочных волокон, а снижения стоимости добиваются, наполняя полимер такими дешевыми продуктами, как речной песок, опилки, цементная пыль.

Новый метод изготовления ПКМ, названный полимеризационным наполнением, позволяет получать качественно новые материалы. Их основное отличие от традиционных -- исключительная равномерность и однородность распределения наполнителя в массе полимерного связующего. Этот метод чрезвычайно расширил возможности специалистов по созданию новых ПКМ. Главное - резко увеличился круг потенциальных наполнителей. В их числе самые различные твердые тела - от пылевидных отходов стройматериалов до блоков и плит, включая органические и неорганические волокна. Полученные на их основе композиты обладают прекрасными тепло- и звукоизоляционными свойствами, и, что особенно важно, такие ПКМ дешевы.

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

· высокая стоимость;

· анизотропия свойств;

· повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Для создания новой перспективной техники с более жесткими условиями работы требуются новые ПКМ с повышенным комплексом эксплуатационных свойств, уровень качества которых обусловлен их составом, оптимальностью характеристик, тщательностью изготовления на всех стадиях технологической цепочки, сравнительно недорогих и технологичных в изготовлении. Над этим работают ученые всего мира.

Нанотехнологии могут сделать реальностью давнишнюю мечту полимерщиков: упорядочить расположение молекул композитов и получать сверхпрочные материалы, приближающиеся к теоретическому пределу прочности полимеров. Кроме того, нанодобавки позволяют создавать полимерные материалы с заранее заданными свойствами.

И ряд успешных шагов в этом направлении уже сделан. Многофазные композиты полимеров с наноструктурами органических, неорганических и полимерных добавок сейчас привлекают пристальное внимание фундаментальных учёных и практиков. Помимо создания материалов с улучшенными характеристиками, симбиоз нанотехнологий и полимеров позволяет получать полезные эффекты, ранее не виданные.

Ещё одна проблема в производстве и использовании полимеров это ее вторичная переработка. Сейчас лишь десятая доля полимеров подвергается вторичной переработке, остальные же либо сжигают, либо вывозят на свалки.

Данные тенденции наблюдаются из-за дороговизны вторичного сырья, после сборки, сортировки, мойки и дробления. Причём, даже хорошо отсортированное вторичное сырье одного типа полимера требует различных режимов переработки, из-за того, что в различных изделиях были использованы разные добавки. Если человек научиться разделять и выделять продукты переработки из полимеров, то появляется возможность получать сырьё для производства первичных полимеров не из дорогой нефти, а из довольно дешёвых отходов. Что важно, помимо прибыли от повторной переработки полимеров, данная технология позволяет в значительной мере загрязнение окружающей среды.

Например, пластиковые пакеты, которые используют несколько минут, чтобы донести покупки до дома, окружающую среду они загрязняют на столетия. Особенно огромные рынки вторичных полимеров еще не освоены в России.

Возобновляемую замену ископаемому сырью - нефти - для нефтехимических производств ищут по всему миру. А так как большинство полимеров получают из нефти, то важно и для полимерной промышленности найти сырьё, которое заменит нефть. Благодаря такому процессу химическая промышленность может избавиться от необходимости использовать ископаемое сырьё. У некоторых стран есть разработки получения полимеров из относительно недорогих биомасел. При развитии такого производства, будет перспектива экономии ископаемого сырья, которого, по данным ученых, через 30-40 лет может и не стать.

В наше время и в России, и во всем мире активно развивается научное направление по разработке полимерных композиционных материалов. И успешных проектов с полимерами и композитами предостаточно.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ИЗГОТОВЛЕНИИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

В настоящее время наблюдается динамичный рост спроса на изделия из керамики, особенно высокоточной группы на предприятиях обработки металла, высокую устойчивость от разрушения (трещинообразования) и механическую прочность в машиностроении. В настоящее время более часто стали использовать на станках резцы из керамических композиционных материалов.

Так как керамические изделия появились недавно, то сейчас практически 95% всех изделий стальные. Поэтому мы решили провести сравнение между стальными фрезами и фрезами из керамических композитов, используемых на металлообрабатываемых станках.

Для начала рассмотрим фрезы из стали.

В основном для фрез используется быстрорежущая сталь. Режущий инструмент из быстрорежущих сталей обладает высокой стабильностью свойств.

Они содержат 0,7-1,5% углерода. Они маркируются Р18, Р6М5 и др. Быстрорежущие стали сочетают высокую теплостойкость (600-650 °С в зависимости от состава и обработки) с высокими твердостью до 68-79 HRC, износостойкостью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации.

Применяемые быстрорежущие стали делят на три группы: стали нормальной производительности, повышенной и высокой производительности.

В связи с техническим прогрессом в нынешнее время также начали широко применяться фрезы из керамических композитов. Благодаря его отличительным свойствам использование в технической промышленности увеличивается.

Основные свойства любой детали из керамики:

Ш высокая механическая прочность;

...