Основные виды полимерных композиционных материалов

Цель работы: ознакомление с основными видами полимерных композиционных материалов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Конструкционные (общетехнические) пластики – ПКМ с матрицей из конструкционных термопластов, содержащей твердые дисперсные наполнители преимущественно неметаллической природы. Они предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин: зубчатых колес, подшипников, уплотнительных колец, корпусов и т.д.

Металлонаполненные пластики – ПКМ, содержащие в качестве наполнителя металлические порошки. Металлонаполненные пластики имеют более высокие, чем исходные полимеры, характеристики прочности, теплостойкости и теплопроводности. Электрическая проводимость металлонаполненных пластиков зависит от природы металла, степени наполнения, адгезии матрицы к частицам металла и технологии формирования материала. Металлонаполненные пластики применяют вместо цветных и драгоценных металлов при изготовлении подшипников, уплотнителей, электрических контактов, в производстве магнитных лент, экранов для защиты от электромагнитных волн и ионизирующих излучений, нагревателей, устройств для отвода статического электричества, элементов радио- и электротехники (в частности, электропроводящих клеев для монтажа электронных приборов) и др.

Графитопласты – ПКМ, содержащие в качестве наполнителя природный и искусственный графит или карбонизированные продукты (кокс, термоантрацит и т.п.). Характерным представителем графитонаполненных полиамидов является АТМ-2 – антифрикционный самосмазывающийся литьевой материал на основе капрона, обладающий повышенными механической прочностью, жесткостью, теплопроводностью, низким и стабильным коэффициентом линейного расширения.

Саженаполненные каучуки применяют при производстве шинных протекторов. Вулканизаты из таких каучуков обладают высокими показателями износостойкости и выносливости при многократных деформациях.

Порошковые фено- и аминопласты имеют широкую нуменклатуру, включающую материалы для литейных форм и стержней (наполнитель – кварцевый песок, 95-97 %), для абразивных инструментов (при наполнении корундом, оксидами алюминия, алмазами), теплообменной и химической аппаратуры и т.д.

С пластиками этой группы сходны текстурированные материалы на основе кристаллических полимеров, в которых кристаллические участки образуют элементы макроструктуры (текстуру) с преимущественной ориентацией. Текстура обеспечивает анизотропию прочности, твердости, оптических, электрических и других свойств пластиков.

ПКМ, содержащие в качестве наполнителя газ – пенопласты, поропласты, пластики с полым наполнителем. Такие ПКМ применяют для защиты машин, установок, оборудования и т.п. от нежелательного теплового обмена с окружающей средой (теплоизоляционные материалы), а также поглощения шумов внутри помещения и защиты от проникновения звука извне (акустические или звукопоглощающие материалы).

Армированные пластики – обширная группа ПКМ, содержащих в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые, тканевые, сеточные и листовые материалы.

Волокнистые пластики – быстропрогрессирующий вид конструкционных материалов. В настоящее время промышленность выпускает высокопрочные волокна широкой номенклатуры – углеродные, борные, оксидные, полимерные и другие. Номенклатуру волокнистых пластиков составляют следующие материалы.

Стеклопластики – материалы на полимерной основе, армированные стеклянным волокном. В стеклопластиках высокая прочность сочетается со сравнительно низкими плотностью и теплопроводностью, высокими электроизоляционными характеристиками, радиопрозрачностью. Их применяют в судостроении (корпуса судов и т.д.), транспортном машиностроении (кузова автомобилей и т.д.), в авиации и ракетной технике (радиопрозрачные обтекатели, лопасти вертолетов и т.д.), в химической промышленности (корозионно-стойкие трубопроводы), в строительстве (несущие и облицовочные элементы), в электро- и радиотехнике (изоляторы и др.) и т.д.

Асбопластики – теплостойкие ПКМ, матрица которых наполнена асбестовыми материалами. Они длительное время сохраняют высокие механические свойства при температурах до 400 °С. Из асбопластиков изготавливают лопатки ротационных насосов, тормозные колодки, элементы тепловой защиты ракет и др. Известным асбопластиком является паронит – композиционный материал на основе каучука, наполненного асбестом и другими компонентами.

Углеродопласты (карбопласты, углепластики) – ПКМ, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна. Это прочные, жесткие, термически и химически устойчивые материалы с высокими электро- и теплопроводностью, небольшой плотностью, низкими значениями коэффициентов линейного расширения и трения. Из углеродопластов изготавливают детали ракет, самолетов, судов, спортинвентарь и др. Их применяют для изготовления деталей автомобилей, а также для защиты радиоаппаратуры от излучения двигателя.

Боропластики (бороволокниты) – композиционные материалы на матрице их термопластичных или термореактивных полимеров, содержащие волокна бора в качестве упрочняющего наполнителя. Боропластики отличаются высокими прочностью, жесткостью и термостойкостью. Из них изготавливают несущие детали самолетов (винты, рули, обшивка крыльев, лопатки вентиляторов и т.д.) и энергетических машин, спортивный инвентарь.

Волокниты – пресс-материалы, состоящие из рубленного волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой. Волокниты, содержащие хлопковое или химическое волокно, называют органоволокнитами, углеродное – карбоволокнитами, борное – бороволокнитами и т.д. Матрицы волокнитов изготавливают из фенолоформальдегидной смолы резольного или новолачного типа. Иногда для пропитки волокнистых наполнителей используют другие синтетические смолы. В этом случае в названии материала к слову «волокнит» добавляют начальные слоги из названия смолы (например, мелаволокнит – ПКМ на основе меламинофолмальдегидной смолы). Из волокнитов изготавливают детали с высоким сопротивлением ударным нагрузкам: корпуса и крышки аппаратов, шестерни, втулки, строительные панели и др.

Текстолиты – материалы, состоящие из слоев ткани, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Они характеризуются высокой прочностью, мало зависящей от температуры. Различают текстолиты на основе хлопчатобумажной ткани, стеклотекстолиты (стеклоткань), асботекстолиты (асбестовая ткань), органотекстолиты (ткань из синтетических волокон) и карботекстолиты (угольная ткань). Из текстолитов изготавливают крупногабаритные изделия сложной формы (например из стеклотекстолита – корпуса судов), вкладыши подшипников, электротехнические изделия. Асботекстолиты применяют для теплозащиты ракет и как фрикционный материал.

Дублированные пластики – слоистые материалы, состоящие из листов полиэтилена, полипропилена и других термопластов, соединенных с тканью, химически стойкой резиной и т.п. Получили распространение материалы, в которых сочетаются два химически стойких компонента (например, дуплен – листовой полиэтилен, дублированный бутилкаучуком). Прорезиненные ткани – ткани, пропитанные или покрытые с одной или двух сторон резиной, сочетают высокие механические свойства, стойкость к воздействию сред и микроорганизмов, непроницаемость или избирательную проницаемость по отношению к жидкостям и газам. Широкое применение в технике находят капроновые ткани, пропитанные полиизобутиленом и другими полимерами. Применяют также линолеум – полимерный рулонный материал для покрытия полов, который чаще всего изготавливают в виде многослойного или на тканевой основе ПКМ с применением алкидных смол, поливинилхлорида, синтетических каучуков и других полимеров.

Гетинакс – слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Он отличается высокими механическими и электроизоляционными свойствами, поэтому его применяют в основном при изготовлении электротехнических изделий. Листы и цилиндрические заготовки из гетинакса используют в производстве трансформаторов, телефонов, радиоаппаратуры и т.д. Для изготовления гетинакса электротехнического назначения используют бумагу из сульфатной целлюлозы. Органогетинакс – слоистый пластик на основе бумаги из синтетических волокон. В качестве связующих при производстве гетинакса применяют фенолоформальдегидные, эпоксидно-фенольные, мелоаминоформальдегидные и другие смолы.

Металлопласт – конструкционный материал, состоящий из металлического листа, покрытого с одной или двух сторон слоем полимера, например, полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида. Технология изготовления металлопласта включает наклеивание на металлические листы полимерной пленки, нанесение паст, напыление порошкообразного полимера и т.д. Металлопласты можно долго эксплуатировать в интервале температур от - 40 до + 65 °С, штамповать, сваривать электродуговой сваркой без удаления покрытия. Их применяют для защиты от коррозии и декоративной отделки стен и крыш, в производстве кузовов автомобилей, холодильников и др.

Древесно-слоистые пластики – материалы, получаемые горячим прессованием тонких листов древесины – шпона, пропитанных синтетическими термореактивными смолами. Шпон из лиственных пород древесины (береза, бук, липа) 0,3-0,8 мм пропитывают водоэмульсионными и спирторастворимыми смолами в автоклавах. Затем его подсушивают, собирают в пакеты и прессуют на прессах с обогревом. Древесно-слоистые пластики применяют в качестве конструкционного и антифрикционного материалов в авиа- и судостроении, в электротехнике и т.д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основные виды ПКМ: конструкционные пластики, металлонаполненные пластики, графитопласты, саженаполненные каучуки, порошковые фено- и аминопласты, текстурированные материалы, пенопласты, поропласты, пластики с полым наполнителем, армированные пластики, волокнистые пластики, стеклопластики, асбопластики, углеродопласты, боропластики, волокниты, текстолиты, дублированные пластики, гетинакс, металлопласт и древесно-слоистые пластики.

СОДЕРЖАНИЕ

Практическое занятие № 7. Матрицы полимерных

композиционных материалов...............................................1

Практическое занятие № 8. Наполнители полимерных

композиционных материалов...............................................5

Практическое занятие № 9. Физико-химия

формирования поверхности раздела матрица-

наполнитель в полимерных композиционных

материалах............................................................................15

Практическое занятие № 10. Роль матриц и

наполнителей в формировании свойств полимерных

композиционных материалов.............................................27

Практическое занятие № 11. Основные виды

полимерных композиционных материалов.......................36

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 7-11

по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов

в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий

из композиционных материалов») очной формы обучения

Составитель

Калгин Александр Владимирович

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Калгина

Подписано к изданию 04.02.2015.

Уч.- изд. л. 2,6.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»