Тенденция развития неметаллических материалов в машиностроении

     Особую  роль, как композиционных материалов с высокими показателями удельной прочности, играют сплавы с металлической матрицей, основу которых составляют чаще всего  алюминий и алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы и др.

     Широко  известны порошковые дисперсноупрочненные спеченные композиционные материалы, например, САП (спеченная алюминиевая пудра). Алюминиевая пудра представляет собой мельчайшие частицы алюминия, полученные методами размола алюминия в мельницах и естественно окисленные кислородом воздуха за счет высокой химической активности алюминия.Для изготовления изделий такую пудру брикетируют с получением изделий заданной формы и размеров, а затем спекают при температуре 500 - 550 ºС. Материал получает высокую удельную прочность - до 400 - 450 МПа, которая позволяет использовать изделия при сравнительно высоких температурах - до 500 ºС.

     Для получения волокнистых материалов (композитов) с алюминиевой матрицей используют волокна, нитевидные кристаллы  чистых элементов и тугоплавких  соединений с бором, углеродом, а также окиси алюминия, карбида или нитрида кремния и др.В ряде случаев в качестве волокон применяют проволоку из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена, хрома, бериллия и др.

     Положительными  свойствами композиционных материалов с металлической матрицей являются: высокая термостойкость, более высокие, чем у порошковых композиционных материалов электро- и теплопроводность, негорючесть, устойчивость к эрозии, стабильность размеров во влажном состоянии и некоторые другие.По сравнению с однородными литыми и деформируемыми традиционными металлическими металлами и сплавами композиционные материалы существенно (в несколько раз) имеют более высокие прочностные свойства и модули упругости, а также на порядок более высокие значения удельной прочности по отношению к удельному весу (таблица 9.2).

Таблица 9.2 - Физико-механические свойства КМ с  металлической матрицей

Материал	Содержание  волокна,%	Плотность, г/см3	Предел  прочности при растяжении, МПа  при		Модуль  упругости, ГПа	Усталос-тная прочность на базе 107 циклов, МПа	Длите-льная прочность, за 100 ч при 400 ºС, МПа	Коэффи-циент линейно-го расшире-ния, α·10-6, 1/ºС
			При 20 ºС	При 400 ºС
Алюминий-стальная проволока	40	4,8	1600	800	120	350	450	11,8
Алюминий-борное волокно	50	2,65	1150	850	240	600	650	6,0
Магний-борное волокно	45	2,2	1250	900	200	550	600	6,5
Никель-вольфрамовая проволока	50	-	700 при 1100ºС	530	-	-	150 при 1100ºС	-
Алюминий-угольное волокно	30-40	2,3	700-800	600-700	130-150	-	-	-
Магний-угольное волокно	30-40	1,8	700-800	600-700	130-150	-	-	-

 

     Возрастающая  потребность в материалах, обладающих высокими прочностными характеристиками, стимулирует работы по созданию композиционных материалов с металлической матрицей из алюминиевых сплавов, армированных высокопрочными волокнами, например, борными, углеродными и стальными.Такие композиционные материалы являются наиболее перспективным классом машиностроительных материалов при постоянном ужесточении условий эксплуатации современных машин, при которых традиционные металлы и сплавы не удовлетворяют возрастающим требованиям, особенно в части удельных показателей прочности и жесткости.

     Существует  композиционные материалы типа КАС - алюминиевый сплав, армированный в  одном направлении стальными  волокнами. Такие КМ имеют высокую  технологичность при производстве; относительно малую себестоимость; хорошую воспроизводимость характеристик при изготовлении изделий из композиционных материалов. Широкое применение КМ типа "алюминий - сталь" в промышленности сдерживается невысоким удельными характеристиками и анизотропией свойств.

     Металлические композиционные материалы применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при особо низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, динамических, знакопеременных нагрузках в условиях жестко-упругих конструкций.Их применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной проволокой, изготавливают тонкостенные топливные баки и другие корпусные детали. Использование таких материалов в изделиях авиационной техники уменьшает массу деталей равной прочности на 20-60%. Композиции на основе алюминий-титан используют при изготовлении легких лопаток газотурбинных двигателей. Наиболее высокими качественными показателями для этого назначения отличаются композиционные материалы на никелевой и хромовой основе с армированием нитевидными кристаллами окиси алюминия. Металлические композиционные материалы на основе свинца или его сплавов с оловом, армированные проволокой из нержавеющей стали, могут использоваться для изготовления подшипников, работающих без смазки. В электротехнике металлические композиционные материалы находят применение для изготовления проводов высоковольтных линий, износостойких контактов, сверхпроводников и др. 
 
 

     4. Резиновые материалы

      

     Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) каучука и серы с различными добавками.

       Резина отличается от других  материалов высокими эластическими  свойствами, которые присущи каучуку  — главному исходному материалу  резины. Для резиновых материалов  характерна высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

     4.1Состав  и классификация  резин.

     Резина  как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку -  главному исходному  компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При комнатной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

     В результате совокупности технических  свойств резиновых материалов их применяют для амортизации и  демпфирования, уплотнения и герметизации в условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для покрышек и камер колес самолетов, автотранспорта и т. д. Номенклатура резиновых изделий насчитывает более 40000 наименований.

     Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который  и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные  добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже.

     1. Вулканизующие вещества (агенты) участвуют  в образовании пространственно-сеточной  структуры вулканизата. Обычно  в качестве таких веществ применяют  серу и селем, для некоторых  каучуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения -- тиурам (тиурамовые резины).

     2. Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца, магния и др. влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов.. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии окислов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.

     3. Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдольнеозон Д и др.). Физические противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

     4. Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. В качестве мягчителей вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество мягчителей 8 -- 30% от массы каучука.

     Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Усиливающие наполнители (углеродистая сажа и белая сажа -- кремнекислота, окись цинка и  др.) повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стоимости резины.

     Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат -- продукт переработки  старых резиновых изделий и отходов  резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

    Резиновые материалы делят на группы общего и специального назначения.

     Резины  общего назначения

     К группе резин общего назначения относятся  вулканизаторы неполярных каучуков - НК, СКБ, СКС, СКИ.

     НК - натуральный каучук. Для получения  резины НК вулканизируют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами.

     НК - плотность каучука 910-920кг/м3, предел прочности 24-34МПа, относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 80-130°С.

     СКБ - синтетический каучук бутадиеновый. Каучуки вулканизируют аналогично натуральному каучуку.

     СКБ - плотность каучука 900-920кг/м3, предел прочности 13-16МПа, относительное удлинение 500-600%, рабочая температура 80-150°С.

     СКС - бутадиенстирольный каучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) - это самый распространенный каучук общего назначения.

     СКС - плотность каучука 919-920кг/м3, предел прочности 19-32МПа, относительное удлинение 500-800%, рабочая температура 80-130°С.

     СКИ - синтетический каучук изопреновый. Из этих резин изготавливают шины, ремни, рукава, различные резинотехнические изделия.

     СКИ - плотность каучука 910-920кг/м3, предел прочности 31.5МПа, относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 130°С.

     Резины  специального назначения

     Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового, СКН и тиокола.

     Наирит, резины на его основе обладают высокой  эластичностью, вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива  и масел.

     Наитрит - плотность каучука 1225кг/м3, предел прочности 20-26.5МПа, относительное удлинение 450-550%, рабочая температура 100-130°С.

     СКН -бутадиеновый каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40). Резины на его основе применяют для  изготовления ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых изделий.

     СКН - плотность каучука 943-986кг/м3, предел прочности 22-33МПа, относительное удлинение 450-700%, рабочая температура 100-177°С.

     Теплостойкие  резины получают на основе каучука  СКТ.

     СКТ - синтетический каучук теплостйкий. В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую стойкость, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию.

     СКТ - плотность каучука 1700-2000кг/м3, предел прочности 35-80МПа, относительное удлинение 360%, рабочая температура 250-325°С.

     Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования. 

5. Неорганические стекла 

    Неорганическое  стекло – это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при охлаждении переходит из расплавленного, жидкого состояния в высоковязкое состояние, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения.

    В составе стекла могут присутствовать оксиды трех типов: стеклообразующие, модифицирующие и промежуточные. Стеклообразующими являются оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. К модифицирующим оксидам относятся оксиды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Мg, Ва) металлов. Модифицирующие оксиды вводят в процессе варки стекол. Глинозем А1₂0₃ повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекол. При добавке В₂0₃ повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца РbО, вводимый главным образом при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость. Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа, которые могут замещать часть стеклообразующих оксидов.