Современные тенденции развития полимерных и композиционных материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

• высокая механическая прочность;
• хорошая теплопроводность и теплостойкость;
• высокое электросопротивление;
• высокая электрическая прочность;
• низкие диэлектрические потери в широком спектре частот и температур.

Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамический композиционный материал на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана. Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1300 – 1400°С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.

Фрезы из керамического композита стали применяться  за счет высокой твердости, устойчивости к истиранию, отличной коррозионной стойкости и великолепного качества поверхности, их стойкость выше стойкости стальных фрез.

Для сравнительной характеристики свойств мы взяли быстрорежущую сталь марки Р6М5 и керамико-металлический композиционный материал — кермет. В керметах керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Они имеют марки ВОК-60, ВОК-63 и ВЗ, представляют собой оксидно-карбидное соединение (окись алюминия с добавкой 30-40% карбида вольфрама и молибдена).

Сравнительная характеристика физико-механических свойств керамических композитов и быстрорежущих сталей показана в таблице 1.

 

Таблица 1 – Физико-механические свойства керамических композитов и быстрорежущей стали

Инструментальный материал	Быстрорежущая сталь	Керамический композиционный материал
Теплостойкость, 0С	610-700	700-1100
Предел прочности при изгибе, МПа	2050-3400	700-1500
Микротвердость, НV	700-750	4000-5500
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мЧК)	18-20	25-60
Плотность, г/см³	8,2-8,8	4,16-4,18
Твердость, HRA	63	93

 

Из таблицы мы видим, что характеристики керамических композитов гораздо выше характеристик быстрорежущей стали. Поэтому будущее металлообрабатывающей промышленности будет основываться на использовании инструментов из керамических композиционных материалов, так как все техническое производство стремится использовать инструменты с высокой стойкостью в работе, более дешевые в изготовлении и с большим сроком службы.

Эта тенденция завоевания промышленности новейшими керамико-металлическими композитами возникает не только в отрасли металлообрабатывания, но и в других отраслях таких, как авиастроение (для снижения веса, уменьшения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов), медицина (для зубного протезирования), электротехника (для изготовления электродов). У большинства в дальнейшем даже на кухне будут использоваться ножи не из стали, а из керамико-металлических композиционных материалов.