Неметаллические материалы.

Неметаллическими называют материалы на основе полимеров. Полимеры – это общее название веществ, структура которых состоит из молекул больших размеров – макромолекул. Каждая макромолекула представляет собой цепочку из многих элементарных частей (звеньев), называемых мономерами. Различают природные полимеры (натуральный каучук, целлюлоза, асбест) и синтетические, полученные искусственным путем (полиэтилен, полистирол, синтетические каучуки и смолы, поликарбонаты и др.). Исходным сырьем для получения синтетических полимеров являются продукты химической переработки нефти, природного газа и каменного угля.

В зависимости от химического состава различают органические и неорганические полимеры. Основу органических полимеров составляют атомы углерода и водорода, образующие макромолекулы либо самостоятельно, либо вместе с другими элементами (кислородом, серой, азотом). Органическими полимерами являются смола и каучуки.

Основу неорганических полимеров составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и других элементов. В структуре этих полимеров углеродных макромолекул нет. К неорганическим полимерам относят силикатные стекла, керамику, слюду.

По структуре макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные, ленточные и пространственные (сетчатые). Линейная или разветвленная структура макромолекул придает полимерам высокую эластичность, обеспечивает их способность неоднократно размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать. Такие полимеры называют термопластичными, а материалы на их основе называют термопластами. К ним относят полиэтилены, капрон, полипропилен, оргстекло.

Полимеры с сетчатой структурой макромолекул называют термореактивными, а материалы на их основе – реактопластами. К реактопластам относят материалы на основе термореактивных синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных и др.).

Неметаллические материалы применяют вместо металлических сплавов с целью снижения массы машин или для повышения их коррозионной стойкости в условиях воздействия агрессивной среды при эксплуатации. В ряде случаев эти материалы незаменимы (стекла, РТМ, клеи), кроме того, применение неметаллических материалов упрощает технологию и снижает трудоемкость изготовления деталей, а также уменьшает затраты на технологическую оснастку. Наиболее востребованными из неметаллических материалов в машиностроении являются пластмассы.

Пластмассы.

Пластмассами (пластиками) называют синтетические материалы, получаемые на основе органических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагреве под давлением, и сохраняющие ее после охлаждения. Различают в зависимости от состава ненаполненные и наполненные пластмассы. По типу матричного полимера и технологическим свойствам различают термопластичные и термореактивные пластмассы (термопласты и реактопласты)

Отдельную группу составляют газонаполненные пластмассы, в которых наполнителем является воздух или нейтральные газы.

Ненаполненные пластмассы представляют собой матричные полимерные материалы (полиэтилен, полиамид и др.) без каких-либо добавок. Наполненные (армированные) пластмассы являются фактически композиционными материалами с полимерной матрицей и наполнителем в виде порошка, волокон, тканей или других слоистых материалов. В соответствии с этим различают порошковые, волокнистые и слоистые наполненные пластмассы. Количество наполнителя может изменяться от 15…20 до 70…75%. Кроме наполнителя, в состав этих пластмасс входят отвердители, пластификаторы, красители, стабилизаторы и другие добавки.

Жесткость и прочность наполненных (армированных) пластмасс существенно выше по сравнению с ненаполненными. Это объясняется значительно большей жесткостью и прочностью элементов наполнителя по сравнению с матричным полимером.

В современном машиностроении более востребованы армированные пластмассы, как термопластичные, так и термореактивные. Их используют для изготовления мало- и умеренно нагруженных деталей (шестерни, втулки, шкивы, кузовные детали). Ненаполненные пластмассы, в первую очередь, полиэтилены, применяют исключительно для малонагруженных деталей (топливные баки, корпусные детали и др.).

Отличительными особенностями пластмасс являются малая плотность, стойкость к агрессивным средам, вибростойкость, шумопоглощающие и звукоизолирующие свойства, хорошие технологические свойства. Вместе с тем для изделий из ненаполненных пластмасс характерны невысокие жесткость и прочность, что обусловлено низкими значениями модуля упругости (Е не более 3 ГПа) и временного сопротивления разрушению ( не более 100 МПа) этих материалов. Для многих пластмасс также характерны сравнительно невысокая (до 200…300°С) теплостойкость и низкая теплопроводность, склонность к старению и ползучести. Механические свойства некоторых пластмасс приведены в таблице 7.

Таблица 7.

Механические свойства некоторых пластмасс.

Материал	Плотность, г/см3	Механические свойства	Рабочая температура, °С
, МПа	δ, %	Твердость НВ	KCU, МДж/м2
Термопласты: Полиэтилен ВД Полиэтилен НД Фторопласт-4   Органическое стекло Полиамид* Капрон*	0,93 0,95 2,3   1,5   1,3 1,3	18…35 10…17 15…35   60…100	250…1000 50…600 250…500   2,5…20   1…1,5 2,5	1,4…2,5 4,5…5,8 3…4     - -	Не разру- шаются 1,0   0,2   2,0…3,0 2,5…3,0	от -70 до 120 от 250 до -269 от -60 до 160 до 150 до 220
Реактопласты: Текстолит Гетинакс Стеклотекстолит Стеклопластик СВАМ** Карбоволокнит (углепластик)	1,4 1,4 1,6 1,8…2,0   1,3…1,5	65…100 80…100 250…600 350…1000   380…1000	1-3 1-3 - -   0,4…0,6	- - - 180…500   -	0,3 0,2 0,5…2,0 4,0…6,0   0,4…0,8	до 125 до 150 до 300 до 200   до 300

Основными способами изготовления изделий из термопластов являются литье под давлением, экструзия, вакуумное формование и некоторые другие технологии. Применение литья под давлением оправдано при массовом производстве деталей сложной конфигурации, изготовление которых из металла сопряжено с трудоемкой механической обработкой. Основными операциями при этом являются нагрев полимера до вязкопластического состояния, впрыск полимера в герметичную форму, охлаждение изделия в форме с последующим извлечением готового изделия из формы. Экструзия заключается в нагреве полимера до пластического состояния с последующим его выдавливанием через формообразующее отверстие (фильеру) в виде профиля того или иного сечения и охлаждением в воде или на воздухе. Метод вакуумного формования применяют для изготовления крупногабаритных изделий из листовых термопластов толщиной 0,5…10мм.

Для массового изготовления деталей из реактопластов применяют прессование на гидравлических и механических прессах. Используются прессматериалы (пресспорошки или прессволокниты), которые при нагреве в процессе прессования становятся пластичными. В результате прессматериал приобретает заданную конфигурацию, а термореактивная матрица при последующим отверждении переходит в неплавкое и нерастворимое состояние.

Резины.

Резиновые материалы (резины) являются продуктами специальной обработки (вулканизации) смеси каучука, серы и различных добавок (до 350 наименований). Главным компонентом любой резины является каучук -натуральный или синтетический; на основе синтетического каучука выпускают более 90% резин. Каучук придает резине высокие эластические свойства (δдо 1000%), за счет чего резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы.

Каучук является полимером с линейной структурой макромолекул, чем и объясняется его высокая эластичность. При вулканизации между нитевидными молекулами каучука формируются поперечные химические связи и образуется пространственно-сетчатая структура резины. Вулканизацией называют термическую обработку при 150°С в горячем воздухе или в атмосфере насыщенного водяного пара, в ходе которой каучук взаимодействует с серой.

Частота сетчатой структуры зависит от количества серы, вводимой в состав резины. При количестве серы в пределах 1…5% образуется редкосетчатая структура, которая придает резине высокую эластичность и мягкость. С увеличением количества серы сетчатая структура становится более частой, а резина менее эластичной и более твердой. При содержании серы ≈30% образуется твердый материал – эбонит.

По назначению резины подразделяют на две основные группы: резины общего назначения, отличающиеся низкой стойкостью к горюче-смазочным материалам, и резины специального назначения. Эти резины подразделяются на маслобензостойкие, теплостойкие, износостойкие. Маслобензостойкие резины получают на основе синтетических нитрильных каучуков (СКН), теплостойкие – на основе синтетических теплостойких каучуков (СКТ), износостойкие – на основе полиуретановых каучуков (СКУ). К группе специальных относят также резины для уплотнений, силовых деталей (шестерни, муфты, шарниры), опор скольжения. В таблице 8 приведены данные о свойствах и области применения некоторых типов резин.

Таблица 8.

Данные о свойствах и области применения некоторых типов резин.

В интервале рабочих температур эластичность резины меняется: уменьшается при отрицательных температурах, а также при температуре выше 100 °С (кроме теплостойких резин), когда ускоряется процесс старения.

Массовое производство резинотехнических изделий осуществляют с помощью высокопроизводительного автоматизированного оборудования.

Основными этапами при этом является приготовление резиновой смеси, формообразование и вулканизация. Приготовление смеси заключается в смешивании подогретого до пластичного состояния каучука с другими компонентами в червячных или валковых смесителях. При этом первыми вводят компоненты – противостарители (вазелины), а последними – компонент – вулканизатор (серу) и ускорители вулканизации. Формообразование осуществляют выдавливанием, прессованием, литьем под давлением.

Клеи и герметики.

Клеевые материалы (клеи) и герметики – сложные многокомпонентные вещества на полимерной основе, образующие при затвердевании герметичные пленки, хорошо прилипающие к поверхности соединяемых деталей. Основной целью применения указанных материалов являются соединение деталей и герметизация места соединения. Четкого разграничения между клеями и герметиками нет, т.к. значительная часть этих материалов обладает как клеевыми, так и герметизирующими свойствами.

В состав этих материалов входят следующие компоненты:

1) пленкообразующее вещество, являющееся основой клеев, которое определяет их адгезионные и когезионные свойства. Адгезия (прилипаемость) – способность пленки к образованию прочной связи с поверхностью склеиваемых деталей (подложкой). Когезия (сцепление) – определяется силами межмолекулярного взаимодействия в самом клее-герметике, и характеризует собственную прочность пленки. В качестве пленкообразующих веществ используют синтетические смолы и каучуки. В зависимости от типа пленкообразователя различают термопластичные, термореактивные и резиновые клеи;

2) растворители, придающие клею необходимую вязкость для нанесения слоя определенной толщины. В этом качестве используют спирты, ацетон, бензин и ряд других растворителей, испаряющихся в процессе склеивания;

3) пластификаторы для уменьшения усадки и повышения эластичности пленки (каучука);

4) отвердители (в термореактивных клеях);

5) наполнители (металлические порошки, графит, молотая слюда), для уменьшения усадки пленки и повышения теплостойкости.

Кроме указанных компонентов, в состав клеев входят ингибиторы и замедлители (для предотвращения нежелательного отверждения при хранении), ускорители, стабилизаторы и другие добавки.

Свойства клеев зависят в первую очередь от типа пленкообразователя. Термопластичные клеи отличаются сравнительно невысокой (до 100°С) теплостойкостью, и образуют эластичные клеевые пленки. В автомобилестроении применяют клеи и герметики на основе поливинилхлорида (ПВХ) под общим названием пластизоли, выпускаемые в виде пасты. Пластизоли применяют как для герметизации сварных швов, так и для склеивания стальных кузовных деталей.

Термореактивные клеи обеспечивают работоспособность клеевых соединений до температуры 250°С, а клеи на основе кремнийорганических полимеров – до 1200°С. Эти клеи используются для склейки силовых конструкций из металлов и неметаллических материалов.

Клеи на основе синтетического каучука называют резиновыми. Они представляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях (спирт, эфир и др.). В автомобильной промышленности эти клеи применяют для крепления интерьерных материалов, шумопоглощающих панелей, а также приклеивания резиновых деталей друг к другу, к металлам и другим материалам.

Прочность клеевых соединений зависит от температуры эксплуатации, величины и характера нагрузки, толщины клеевого слоя, состояния склеиваемых поверхностей. Наиболее высокая прочность соответствует равномерному сжатию, а все более уменьшающаяся наблюдается при сдвиге, неравномерном отрыве, отслаивании. Оптимальной считается толщина клеевого слоя от 0,05 до 0,25 мм. Для подготовки к склеиванию поверхности детали подвергают физическому и химическому воздействию.

В результате физического воздействия сглаживается шероховатость, удаляется ржавчина и грязь, в результате химического (травление, фосфатирование) создаются условия для образования химических связей.

Свойства клеев и герметиков, в том числе и стойкость к воздействию агрессивных сред обуславливают востребованность этих материалов. Их относительно высокая стоимость компенсируется упрощением технологии и рационализацией конструкции, что особенно важно при крупносерийном производстве машин. В качестве герметиков используют также вязкотекучие материалы, называемые жидкими прокладками. Они обеспечивают повышенную герметичность соединений за счет адгезии и хорошего заполнения микро- и макронеровностей на поверхности деталей.