НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ограничения в применении металлов

Металлические конструкционные материалы прочны и надежны в эксплуатации, технологичны и во многих случаях экономически эффективны. Но металлы обладают, тем не менее, рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение.

Во-первых, многие металлы и сплавы подвержены коррозии в агрессивных средах. Высокая тепло- и электропроводимость металлов тоже не всегда является достоинством, так как необходимы и теплоизолирующие, и электроизолирующие материалы. Металлические материалы не всегда обеспечивают необходимую твердость и износостойкость в условиях трения. Во многих случаях недостаточной оказывается жаропрочность и жаростойкость металлов. Наиболее прочные металлические материалы имеют большую плотность, т. е. не позволяют получить высокую удельную прочность, необходимую для авиа- и космической техники. Наконец, технологическая цепочка от добычи руды до готового металлического изделия очень длинна по времени, включает огромное число операций и является весьма трудоемкой.

Поэтому во многих случаях применяют неметаллические материалы. Их обычно подразделяют на полимеры (пластмассы), керамики и стекла, о чем говорилось на первой лекции.

Полимеры, или пластмассы

Пластмассы – искусственные твердые материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Имеют большую молекулярную массу (свыше 10 000).

Состав пластмасс

1) Связующее – обязательный компонент. Это синтетические смолы или эфиры. Простые пластмассы (органическое стекло, полиэтилен, полипропилен) состоят почти из одного связующего.

2) Наполнители. Их содержание может доходить до 70 %. Могут быть порошковыми (сажа, графит, тальк, древесная мука), волокнистыми (хлопковые, стеклянные, асбестовые волокна), листовыми (бумага, ткани, древесный шпон). Наполнители повышают механическую прочность, снижают стоимость пластмасс и придают им нужные эксплуатационные свойства.

3) Стабилизаторы. Они нужны, чтобы макромолекулы полимеров не изменяли свою пространственную структуру, и свойства пластмасс с течением времени не менялись.

4) Пластификаторы. Их добавляют в количестве до 20 %. Они улучшают формуемость пластмасс, снижают хрупкость. Это обычно олеиновая кислота, стеарин, дибутилметафталат.

5) Отвердители. Их добавляют в пластмассы на основе термореактивных смол в качестве катализаторов отверждения. Это органические перекиси.

6) Специальные добавки – красители, смазки, антистатики, добавки против горения, против плесени и др.

Свойства пластмасс

Достоинствами пластмасс по сравнению с другими конструкционными материалами являются:

· малая плотность;

· высокая удельная прочность σ_в/γ;

· химическая стойкость;

· электроизоляционные свойства;

· теплоизоляционные свойства;

· меньшая трудоемкость переработки пластмасс по сравнению с переработкой металлов: изделие и материал создаются одновременно;

· меньшее количество отходов, чем при переработке металлов (коэффициент полезного использования материала не менее 0,9);

· как правило, не нужны отделочные операции.

При замене металлических деталей пластмассовыми масса снижается в 4–5 раз, трудоемкость уменьшается тоже в 4–5 раз, число операций уменьшается в 5–6 раз. Себестоимость снижается в 2–3 раза.

Основные недостатки пластмасс:

· ограниченная теплостойкость: максимальная температура эксплуатации термопластов – 250 °С (фторопласт-4), а термореактивных пластмасс – около 400 °С (стеклотекстолит);

· малая жесткость и вязкость;

· склонность к старению, т. е. к изменению свойств с течением времени.