Современные тенденции развития полимерных и композиционных материалов

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.

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 (смотри приложение 2). 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.