Металлополимеры и композиты в автостроение

     Органоволокниты применяют в качестве изоляционного  и конструкционного материала в  электрорадиопромышленности, авиационной  технике, автостроении; из них изготовляют  трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

      В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

        Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.

         Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.

          Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.

           Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.

        Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:

     толщина до 100 мкм;

     класс чистоты поверхности вала (до 9);

     иметь поры с размерами 1 — 3 мкм;

     коэффициент трения до 0,01;

     высокая адгезия к поверхности металла  и резины.

     На  поверхности формируется высокопрочный  металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок

     Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов  слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивному износу;

     Металлоорганические покрытия являются мягкими, имеют малый  коэффициент трения, пористую поверхность, толщина дополнительного слоя составляет единицы микрон.

     Области применения технологии :нанесение на рабочую поверхность уплотнений с целью уменьшения трения и создания разделительного слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя, высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

     8.  Металлополимеры 

    Металлополимеры (металлонаполненные полимеры; металлонаполненные пластики; metal filled plastics) – это пластические массы с металлическим порошкообразным или волокнистым наполнителем.

  В качестве связующего для этих материалов используют термопластичные полимеры – полиэтилен, полипропилен, полиамиды, политетрафторэтилен (фторопласт), поливинилхлорид и др., а также термореактивные – фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические и др. Кроме полимеров, в качестве связующих используют и каучуки.

    

 

    Наполнителями являются порошки, волокна, ленты, получаемые из любых металлов или сплавов (чаще всего железа, меди, никеля, серебра, олова, алюминия, кобальта, бериллия, свинца, цинка, циркония, хрома, титана, тантала), «металлические стекла» – коррозионностойкие аморфные металлические сплавы, металлизированные порошки и волокна (как органические, так и неорганические).

    Металлополимеры, содержащие в качестве наполнителя  «усы» – монокристаллы металлов в виде волокон длиной около 1 мкм, имеют высокие физико-механические характеристики.

    Кроме наполнителя и полимерного связующего в состав металлополимерных композиций могут входить неметаллические минеральные и органические наполнители, стабилизаторы, пигменты и красители, пластификаторы, поверхностно активные вещества. Тип и количество указанных добавок определяется химической природой полимерного связующего.

    Впервые производство металлопластов было начато в Германии в начале 40-х годов 20 века, а уже в 1969 г. выпуск рулонной стали с полимерным покрытием, производили  все промышленно развитые страны.

    Простейший  способ производства металлополимеров состоит в смешении металлического наполнителя с полимером, находящимся в различных формах: порошком, гранулами, расплавом, раствором или жидким связующим. Из полученных смесей формуют изделия путем прессования, литья под давлением, экструзии.

    При изготовлении металлополимеров с волокнистым  наполнителем, его пропитывают жидким полимерным связующим, высушивают и из полученного материала прессованием формуют изделия.

    Существенной  чертой металлополимерных материалов, деталей и узлов является то, что это комбинированные (композитные) образования, в которых между их компонентами – металлом и полимером существует граница раздела и они в материале находятся в виде отдельных фаз.

    Еще 40-50 лет назад композиционные, в  том числе металлополимерные, материалы относили к материалам будущего. Сегодня они нашли широкое применение в различных отраслях.

    Свойства  металлополимеров определяются многими  факторами: природой полимера и металлического наполнителя, размером частиц, способом получения и др.

    Прочностные характеристики металлополимеров в значительной степени определяются адгезией (прилипанием) металла к полимерному связующему. Адгезия металлов к синтетическим полимерам снижается в ряду: никель, сталь, железо, олово, свинец. Адгезия металлов к полимерам обусловлена как физическим, так и химическим взаимодействием между ними.

    Прочность металлополимеров существенно зависит  от способа их изготовления. Наибольшая прочность достигается, когда частицы металла формируются в полимере, олигомере или мономере, т.к. в момент образования они обладают высокой реакционной способностью.

    Металлополимеры, по сравнению с исходными полимерами, обладают более высокой прочностью, термостойкостью и теплопроводностью.

    Металлополимеры обладают электрической проводимостью, зависящей от типа металла, степени наполнения, условий переработки. Максимальная проводимость достигается в том случае, когда металлический наполнитель не окисляется и когда наполнитель имеет высокую дисперсность. Содержание металлического наполнителя ≈ 40 %. При этом частицы наполнителя образуют токопроводящую структуру, и перенос заряда осуществляется через контакт металл-металл.

    Некоторые металлические наполнители придают  полимерам специфические, не присущие им свойства: порошки железа и его сплавов – ферромагнитные; чешуйки алюминия, никеля, серебра – низкую газо- и паропроницаемость, порошки алюминия и медных сплавов – декоративность. Металлополимеры на основе тонкодисперсных порошков платины, палладия, родия, иридия и железа обладают высокими каталитическими свойствами и превосходят порошки металлов. Металлополимеры, наполненные свинцом, кадмием и вольфрамом, пригодны в качестве защиты от излучений высокой энергии. Металлополимеры, содержащие свинец, цинк, цирконий, молибден и их химические соединения и сплавы, обладают низким коэффициентом трения.

    Металлополимеры могут эксплуатироваться при  повышенных и пониженных температурах, в сухой и влажной среде, в  жидкостях (кислоты, щелочи, органические растворители, вода и др.) при наличии механических нагрузок, электрических и электромагнитных полей, электрического напряжения и др.

    Металлополимеры относительно дешевы, доступны и заменяют цветные и драгоценные металлы при изготовлении подшипников, втулок, вкладышей и др. изделий с высокой теплопроводностью и низким температурным коэффициентом линейного и объемного расширения. Они применяются в производстве магнитных лент, экранов для защиты от высокочастотных магнитных помех, устройств для отвода статического электричества, токопроводящих элементов на панелях из диэлектриков, сопротивлений, конденсаторов и соединительных проводов в печатных радио- и электрических схемах, в строительстве, автомобилестроении, в производстве бытовой РЭА, токосъемов, магнитных захватов и лент, технологической оснастки, как электропроводящие клеи, герметики и защитные лакокрасочные покрытия (от коррозии и действия микроорганизмов), при ремонте и восстановлении металлообрабатывающего оборудования, восстановления различных деталей, заделки дефектов поверхности (макропоры, раковины, трещины, сколы).

    Металлополимеры используются при ремонте и восстановлении металлообрабатывающего оборудования – для ликвидации дефектов литья и сварных швов, восстановления валов в подшипниковых соединениях при восстановлении отдельных элементов в металлообрабатывающем оборудовании, для полной герметизации, устранении течи при водо-, газо- и нефтеснабжении, дают возможность восстановления оборудования или его элементов в труднодоступных местах. При использовании металлополимеров для восстановления и ремонта металлообрабатывающего оборудования сроки работ сокращаются в 2-10 раз.

    Металлополимеры обрабатываются всеми известными видами механической обработки (точение, фрезерование, шлифование и др.).

    Особенно  эффективно использование металлополимеров для устранения микро- и макропористости литья. Такие технологические операции на машиностроительных и станкостроительных заводах стран Запада заложены в технологический процесс.

    В настоящее время созданы металлополимеры  для применения при аварийных  работах и срочном ремонте  на влажных поверхностях и под водой, при отрицательных температурах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы 

     Бартенев, Г.М.  Физика и механика полимеров / Г.М. Бартенев. - М.: Высшая школа, 1998. - 391с.-ISBN 5-17-011143-6/

      Балаев, Г.А. Химия : полимерные материалы / Г.А. Балаев - Л.:, 1982.-420.с

        Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия/ Н.С. Ахметов ,Учеб. для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. Шк., 1998. — 743 с., ISBN 6-8071-2054-0.

    Клайн, Г. Аналитическая химия полимеров /  Г. Клайн. – М.: Мир, 1965.