Міністерство освіти і науки України...

Міністерство освіти і науки України Запорізький національний технічний університет

М Е Т О Д И Ч Н І В К А З І В К И до лабораторних робіт

з дисципліни «Неметалеві матеріали» для студентів спеціальності

6.050403 «Прикладне матеріалознавство», 7.090211 «Колісні та гусеничні транспортні засоби»

денної і заочної форм навчання

2010

2

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни «Неметалеві матеріали» для студентів спеціальності 6.050403 «Прикладне матеріалознавство», 7.090211 «Колісні та гусеничні транспортні засоби» денної і заочної форм навчання / Укл.: В.С. Вініченко, Д.В. Ткач – Запоріжжя: ЗНТУ, 2010. – 78 c.

Укладачі: В.С. Вініченко, доцент, к.т.н.

Д.В.Ткач Рецензент: І.М. Лазечний, доцент, к.т.н. Відповідальний за випуск А.Д. Коваль, професор, д.т.н.

Затверджено

радою фізико-технічного інституту

Протокол № 4 від ”27” травня 2010 р.

Затверджено на засіданні кафедри “Фізичне матеріалознавство” Протокол № 10

від ”19”травня 2010 р.

3

ЗМІСТ

Програма дисципліни.................................................................................4

Методичні вказівки до лабораторних робіт .............................................8

Лабораторна робота № 1 Вивчення будови, властивостей і

застосування в промисловості термопластичних та термореактивних

пластмас.......................................................................................................9

Лабораторна робота № 2 Методи переробки пластмас.........................18

Лабораторна робота № 3 Вивчення будови і експлуатаційних

характеристик композиційних матеріалів з полімерними матрицями 26

Лабораторна робота № 4 Дослідження впливу старіння на фізико-

механічні властивості гумовотехнічних виробів...................................34

Лабораторна робота № 5 Вивчення клеїв, клейових з'єднань і

герметиків..................................................................................................39

Лабораторна робота № 6 Дослідження будови і властивостей

конструкційних вуглеграфітових матеріалів .........................................44

Лабораторна робота № 7 Вивчення структури і властивостей

конструкційної кераміки і композиційних матеріалів з керамічною

матрицею ...................................................................................................50

Лабораторна робота № 8 Дослідження структури і властивостей

неорганічного скла та ситалів .................................................................59

Література..................................................................................................67

Додаток А Правила із техніки безпеки при виконанні лабораторних

робіт ...........................................................................................................68

Додаток Б Основні характеристики термопластів та реактопластів ...70

Додаток В Характеристика композиційних матеріалів ........................75

Додаток Г Фізико-механічні властивості гум ........................................76

Додаток Д Властивості керамічних матеріалів......................................77

4

ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ

Змістові модулі

1 Вступ. Поняття про неметалеві матеріали. Класифікація

неметалевих матеріалів. Їх переваги та недоліки порівняно з традиційними матеріалами. Сучасні тенденції розвитку конструкційних неметалевих матеріалів.

− лекцій −2 год. − самостійної роботи − 1 год. 2 Класифікація високомолекулярних з’єднань. Класифікація

високомолекулярних з’єднань за складом основного ланцюга макромолекул, за структурою макромолекул, за поведінкою при нагріванні.

− лекцій −2 год. − самостійної роботи − 1 год. - лабораторна робота №1. 3 Способи виробництва полімерів. Реакції полімеризації,

поліконденсації. Ступінь полімеризації. Сополімеризація. Технології виготовлення виробів з полімерів.

− лекцій −2 год. – лабораторних робіт – 2 год. − самостійної роботи − 3,5 год. - лабораторна робота №2. 4 Будова і механічні властивості полімерів. Значення проблеми

міцності полімерів. Характеристики міцності і методи та режими їх оцінки. Теоретична і реальна міцність. Статистична природа міцності полімерів. Будова і механічні властивості полімерів. Механічні властивості аморфних та кристалічних полімерів. Механічні властивості волокон і плівок.

− лекцій −2 год. – лабораторних робіт – 2 год. – самостійної роботи − 3,5 год. - лабораторна робота № 1

5

5 Типи руйнування та вплив зовнішніх факторів на процес руйнування полімерів. Крихке руйнування полімерів. Пластичне руйнування полімерів. Перехід від крихкого до високоеластичного руйнування. Руйнування волокна. Адгезійна міцність полімерів. Вплив швидкості розтягнення на міцність полімерів. Вплив температури на міцність полімерів. Вплив температури на відносне видовження при розриві. Вплив іонізаційного випромінювання на міцність полімерів.

− лекцій −4 год. – лабораторних робіт – 2 год. − самостійної роботи − 5 год. 6 Вплив молекулярної і надмолекулярної структур на міцність

полімерів. Вплив ступеня полімеризації і орієнтації на міцність полімерів. Вплив міжмолекулярної взаємодії на міцність полімерів. Вплив параметрів регулярності структури та полярності макромолекул на міцність полімерів.

− лекцій − 2 год. – лабораторних робіт – 2 год. − самостійної роботи − 3,5 год. - лабораторна робота № 1 7 Особливості властивостей полімерних матеріалів та пластмас.

Вплив фізичних станів на властивості полімерів. Релаксаційні властивості полімерів. Старіння і вакуумстійкість полімерів. Вплив на властивості пластмас пластифікаторів та наповнювачів (порошкових, волокнистих, шаруватих). Напрями підвищення міцності пластмас. Економічна ефективність застосування пластмас.

− лекцій − 4 год. – лабораторних робіт – 4 год. – самостійної роботи – 6,5 год. - лабораторна робота № 3 8 Гумові матеріали (еластоміри). Причини високої еластичності

гум. Склад і класифікація гум. Гуми загального призначення. Гуми спеціального призначення. Експлуатаційні та механічні властивості

6

гумотехнічних виробів. Способи виготовлення гумотехнічних виробів. Вплив факторів експлуатації на властивості гум.

− лекцій − 2 год. – лабораторних робіт – 2 год. – самостійної роботи – 3,5 год. - лабораторна робота № 4 9 Клеї та герметики. Склад і класифікація клеїв. Властивості

конструкційних смоляних та гумових клеїв. Неорганічні клеї. Властивості клейових з’єднань. Склад, властивості та призначення герметиків.

− лекцій −2 год. – лабораторних робіт – 3 год. – самостійної роботи – 2,5 год. - лабораторна робота № 5 10 Вуглеграфітові матеріали. Склад, структура та властивості

природного і штучного графіту. Характеристика механічних та службових властивостей матеріалів на основі графіту. Структура, властивості та застосування пористого вуглецевого матеріалу. Структура властивості та застосування фулериту.

−лекцій −2 год. – лабораторних робіт – 2 год. – самостійної роботи – 2,5 год. - лабораторна робота № 6 11 Вуглець-вуглецеві композиційні матеріали. Склад, структура,

властивості і технологія виготовлення вуглецевих волокон та матриць. Вуглець – вуглецеві композиційні матеріали, їх властивості та застосування.

− лекцій − 2 год. – лабораторних робіт – 2 год. – самостійної роботи – 3 год. - лабораторна робота № 6 12 Керамічні матеріали. Компоненти та фази технічної кераміки.

Структура та властивості неметалевих тугоплавких з’єднань і методи

7

їх синтезу. Принципи конструювання керамічних матеріалів. Причини крихкості кераміки та способи її зниження. Особливості технології виготовлення керамічних виробів. Вирощування монокристалів оксидів. Властивості кераміки на основі чистих оксидів і безкисневої кераміки. Вогнетривка, інструментальна та конструкційна кераміка.

− лекцій − 6 год. – лабораторних робіт – 4 год. – самостійної роботи – 7 год. - лабораторна робота № 7 13 Керамічні композиційні матеріали. Склад, структура,

властивості та застосування композиційних матеріалів з керамічною матрицею.

− лекцій − 2 год. – лабораторних робіт – 2 год. – самостійної роботи – 3,5 год. - лабораторна робота № 7 14 Неорганічне скло та склокристалічні матеріали (ситали).

Склад, будова та властивості скла. Застосування технічного та спеціального скла. Теплозвукоізоляційні скловолокнисті матеріали. Склад будова, властивості та методи отримання ситалів і їх застосування.

− лекцій − 2 год. - самостійної роботи – 1 год. - лабораторна робота № 8

8

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Студенти при виконанні лабораторних робіт з дисципліни

«Неметалеві матеріали» повинні на основі знань фізико-механічних та експлуатаційних властивостей пластмас, композиційних матеріалів з неметалевими матрицями, вуглеграфітових матеріалів, кераміки та еластомерів навчитися раціонально вибирати матеріал відповідно до умов експлуатації деталей.

9

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 Вивчення будови, властивостей і застосування

в промисловості термопластичних та термореактивних пластмас

Мета роботи: провести порівняльні дослідження структури,

фізико-механічних властивостей термопластичних та термореактивних пластмас і проаналізувати технології виготовлення з них деталей.

1.1 Загальні положення

Пластмаси широко застосовуються в різних галузях техніки (авіації, автомобілебудуванні, суднобудуванні). Практика вітчизняного і закордонного машинобудування показала доцільність використання вказаних матеріалів замість кольорових і чорних металів та сплавів.

Основа цих матеріалів – полімери. Поряд із безпосередньо полімерами часто використовують їх композиції з різними інгредієнтами – пластмаси. За складом пластмаси підрозділяють на прості (без наповнювачів) і складні (з наповнювачами).

Прості пластмаси складаються тільки із зв’язуючої речовини – одного високомолекулярного полімеру.

Складні пластмаси містять декілька інгредієнтів (ГОСТ 24888-81). Інгредієнти вводять для покращення властивостей або для полегшення переробки пластмас. До основних інгредієнтів відносяться: наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори, антистатики, агенти, що зшивають молекули полімеру в сітку, барвники та речовини, що змащують, прискорюють твердіння, поліпшують антифрикційні або фрикційні властивості. Так, наприклад, стабілізатори підвищують стійкість пластмас до впливу різних факторів (світла, тепла), що сприяють розпаду полімеру. Пластифікатори поліпшують технологічні й експлуатаційні властивості полімерів. Наповнювачі вводять для підвищення міцності, твердості, в’язкості, хімічної стійкості і поліпшення інших властивостей полімерів.

В залежності від наповнювача термореактивні пластмаси підрозділяють на порошкові (прес-порошки), волокнисті і шаруваті.

10

Як наповнювачі в прес-порошках застосовують органічні (деревне борошно) і мінеральні (мелений кварц, азбест, слюда, графіт) порошки. Порошкові наповнювачі додають пластмасі твердості, водостійкості, хімічної стійкості.

Недоліками пластмас з порошковими наповнювачами є невисокі міцність і ударна в'язкість.

До пластмас з волокнистими наповнювачами відносяться волокніти. Волокніти це композиція з волокнистого наповнювача у вигляді волокон, просочених зв′язуючою речовиною. У порівнянні з прес-порошками вони мають вищу ударну в'язкість. Волокніти застосовують для виготовлення деталей, що працюють на згинання і скручування (рукоятки, фланці, втулки, шківи, маховики).

1.1.1 Будова і основні властивості термопластичних

пластмас (термопластів) Для одержання конструкційних термопластів як зв’язувач

найбільш часто застосовують: полівінілхлорид, поліолефіни, поліаміди, фторопласт, поліуретан. Термопластичні пластмаси у порівнянні з традиційними конструкційними матеріалами мають:

- меншу густину, (0,9...2,2)×103, кг/м3; - вищу хімічну стійкість; - кращі показники фрикційних або антифрикційних

властивостей; - вищу здатність гасити динамічні коливання при знакозмінних

навантаженнях. Разом з цими істотними перевагами термопластичні пластмаси

мають недоліки, які стримують їх застосування в промисловості. Так більшість полімерів втрачає конструкційну міцність при нагріванні уже до 100 °С, мають низьку теплопровідність. При експлуатації деталей з термопластичних пластмас внаслідок розігрівання прискорюються процеси старіння, які призводять до зниження їх експлуатаційних характеристик.

Більш детально фізико-хімічні характеристики, переваги та недоліки основних конструкційних термопластів і приклади їх застосування наведено у додатку Б (табл. Б.1).

11

1.1.2 Механічні властивості термопластів Значення основних механічних властивостей термопластів

наведено у додатку Б (табл. Б.2). З вказаної таблиці можно побачити, що границя міцності термопластів складає 10...100 МПа, модуль пружності знаходиться в межах (1,8...3,5)⋅103 МПа. Це у 10...100 разів нижче, ніж у металів і кераміки. Границя витривалості термопластів становить 0,2...0,3 від границі міцності.

Під навантаженням термопластичні полімери поводяться як в′язкопружні речовини, а їх деформація є сумою пружної деформації, високоеластичної деформації і деформації в’язкого плину. Співвідношення між вказаними складовими частинами деформації непостійні і залежать як від структури, так і від параметрів деформування: швидкості та температури, які визначають стан полімеру. Наприклад, вище температури скловання (в високоеластичному стані) термопласти при розтягненні, як правило, сильно подовжуються. При розриві їх залишкова деформація складає десятки і навіть сотні відсотків. При нагріванні міцність термопластичних пластмас зменшується, вони стають більш в’язкими і схильними до повзучості. При тривалій дії навантаження міцність пластмас знижується і з'являється залишкова деформація. При збільшенні швидкості деформування підвищується твердість пластмас і зростає їх схильність до крихкого руйнування.

1.1.3 Будова і основні властивості термореактивних

пластмас (реактопластів) Більш надійними ніж термопласти є термореактивні пластмаси.

Термореактивні полімери застосовуються після твердіння, що обумовлене утворенням сітчастої структури з високою щільністю поперечних хімічних міцних зв'язків між макромолекулами. При цьому вони стають твердими, неплавкими і стійкими до старіння.

Перевагою реактопластів порівняно з термопластами є стабільність та мала залежність механічних властивостей від температури, швидкості деформування і тривалості дії навантаження, але при випробуваннях на розтяг зразки термореактивних матеріалів руйнуються без пластичного плину й утворення шийки.

При нагріванні відбувається зниження міцності і твердості реактопластів, однак у робочому інтервалі температур вони мають

12

кращі механічні властивості ніж термопласти. Важливими перевагами термореактивних пластмас є висока питома міцність (σв/ρ), жорсткість (Е/ρ) а також вища, ніж у термопластів, твердість. Допустимі напруження для термореактивних пластмас складають 15...40 МПа, що істотно вище, ніж для термопластів. Однак більшість термореактивних полімерів після твердіння має низьку ударну в'язкість.

До найважливіших термореактивних полімерів відносяться фенолформальдегідні, епоксидні, поліефірні і кремнійорганічні речовини.

Відомі фенопласти на основі резольних і новолачних фенолформальдегідних полімерів. Резольні полімери забезпечують більш високу хімічну стійкість і водостійкість; однак, вони гірші новолачних за технологічними властивостями.

Фенопласти зносостійкі, добре чинять опір повзучості при температурах до 200°С, стійкі в агресивних розчинах, паливі, змащувальних матеріалах і малокоштовні. З фенопластів виготовляють кнопки, ручки, контейнери, електроарматуру.

Амінопласти близькі за властивостями до фенопластів, але вони більш коштовні і менш технологічні.

Композиції на основі епоксидних смол застосовують у машинобудуванні для виготовлення різного інструментального оснащення, витяжних і формувальних пристосувань, ливарних моделей і іншого оснащення. Епоксидні та поліефірні смоли можуть твердіти при кімнатній температурі з малою усадкою.

Основні властивості реактопластів наведено в таблиці Б.3 додатку Б.

В азбоволокнитах як наповнювач застосовується азбестове волокно, як зв′язувач використовують, в основному, фенолформальдегідну смолу. Азбоволокнити мають підвищену теплостійкість (понад 200 °С), високі фрикційні властивості, стійкі до дії кислот. Азбоволокнити використовують як матеріал для виготовлення деталей гальмових пристроїв. З матеріалу фаоліну (різновид азбоволокнитів) виготовляють кислототривкі ванни, труби і інші деталі.

Шаруватими пластмасами називають пластмаси, у яких аркуші наповнювача зв'язані полімером у монолітний матеріал. Листові

13

наповнювачі, покладені шарами, надають пластику і анізотропність в площині листа. Матеріали випускають у вигляді листів, плит, труб.

Гетинакс одержують на основі модифікованих фенольних, аніліноформальдегідних, карбамідних смол і різних сортів паперу. Гетинакс можна застосовувати при температурі 120...140°С. Він стійкий до дії хімікатів. Гетинакс застосовується як електроізоляційний матеріал. Його основні фізико-механічні властивості наведено в додатку Б (табл. Б.3).

Текстоліт (зв’язувач – термореактивні смоли, наповнювач - бавовняні тканини) серед шаруватих пластмас має найбільшу здатність поглинати вібраційні навантаження. Його використовують для різноманітних середньонавантажених деталей, що працюють в умовах тертя (зубчасті колеса, підшипники). Такі передачі працюють безшумно при частоті обертання до 30000 обертів за хвилину. Текстолітові вкладиші підшипників служать у 10...15 разів довше бронзових. Але використовувати текстолітові підшипники можна тільки при температурах не вище 80...90 °С. Такі підшипники застосовуються в прокатних станах, відцентрових насосах, турбінах.

Деревошаруваті пластмаси (ДШП) складаються з тонких листів дерев’яного шпону, просочених феноло- або креозольноформальдегідними смолами і спресованими у вигляді листів або плит. ДШП мають високі фізико-механічні властивості, низький коефіцієнт тертя. Їх недоліком є чутливість до вологи. З ДШП виготовляють шківи, втулки, корпуси насосів, підшипники, деталі автомобілів.

Азботекстоліт містить 38...43 % зв’язувача, а інше - азбестова тканина. Азботекстоліт є конструкційним фрикційним матеріалом. Найбільш високу теплостійкість (300 °С) має матеріал на кремнійорганічній зв’язуючій речовині. Фенольні азбопластики мають високі характеристики міцності. З азботекстоліта виготовляють лопатки ротаційних бензонасосів, фрикційні диски, гальмові колодки.

1.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно опрацювати такі питання:

1 Що називають полімером, олігомером, сополімером, типи останніх.

14

2 Типи зв’язку між атомами та макромолекулами термопластичних і термореактивних полімерів.

3 Класифікація полімерів за складом, формою макромолекул, фазовим станом, полярністю.

4 Вплив на властивості полімерів їх хімічного і фазового складу, полярності, швидкості навантаження та орієнтації макромолекул, орієнтаційне зміцнення.

5 Вплив температури на фазовий стан термопластичних і термореактивних полімерів та їх властивості (термомеханічна крива лінійного, кристалічного і сітчастого полімерів).

6 Сутність реакцій (полімеризації, поліконденсації) отримання полімерів.

7 Мета додавання різних видів наповнювачів в пластмаси. 8 Переваги та недоліки полімерних матеріалів порівняно з

металами, їх питома міцність. 9 Умови експлуатації, за яких доцільне використання

пластмасових деталей.

1.3 Контрольні питання 1 Які типи зв’язку існують в полімерах? 2 Яким чином ступінь полімеризації впливає на властивості

полімерів? 3 Охарактеризуйте будову та властивості сополімерів. 4 Як впливає форма (лінійна, сітчаста) макромолекул

полімерів на їх властивості? 5 Які полімери називаються термопластичними

(термопластами) і які – термореактивними (реактопластами) і яка різниця в їх будові?

6 За яких умов може утворюватися кристалічна фаза і як її вміст впливає на властивості полімерів?

7 Поясніть сутність процесу рекристалізації в полімерах. 8 В яких фізичних станах можуть знаходитись термопласти і

реактопласти? 9 Пояснити сутність технології орієнтаційного зміцнення

пластмас. 10 Яким чином швидкість навантаження впливає на

властивості пластмас?

15

11 Порівняйте релаксаційні властивості термопластів і реактопластів.

12 Назвіть умови виникнення полярності макромолекул і її вплив на властивості полімерів.

13 Що таке прості і складні пластмаси? Які інгредієнти та наповнювачі і з якою метою вводять в пластмаси?

14 Назвіть переваги термореактивних пластмас порівняно з термопластами та охарактеризуйте різницю в руйнуванні зразків з термореактивних і термопластичних пластмас.

15 Поясніть різницю у впливі температури на властивості термореактивних і термопластичних пластмас.

16 Порівняйте стабільність розмірів деталей з термопластів і реактопластів .

17 Поясніть якими причинами обумовлена різниця в термостійкості та питомій жорсткості термореактивних і термопластичних пластмас.

18 Порівняйте релаксаційні властивості термопластів і реактопластів та поясніть чим обумовлена ця різниця.

19 Поясніть чому технологічність термопластичних пластмас краща ніж термореактивних.

20 В яких випадках для виготовлення деталей доцільно застосовувати термопласти або реактопласти?

1.4 Матеріали і устаткування

Набір зразків і деталей з конструкційних термопластів і реактопластів, розривна машина, обладнана піччю.

1.5 Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

1.6 Порядок виконання лабораторної роботи

Ознайомитися зі зразками термопластів і реактопластів та вивчити технологію виготовлення з них деталей.

Провести випробування зразків на розтягнення при температурах, вказаних в таблицях 1.1-1.3.

16

Визначити характеристики механічних властивостей випробуваних матеріалів. Результати випробувань занести у вказані таблиці (1.1-1.3).

Таблиця 1.1 – Залежність міцності термопластів від температури

Границя міцності σв, МПа, при температурі, °С Полімер 20 40 80 120 160 200

ПЕВТ ПВХ

Фторопласт-4 Поліімід Поліамід Таблиця 1.2 – Вплив вмісту кристалічної фази на механічні

властивості термопластів при різних температурах

Температура випробування, °С

Тип полімеру

Вміст кристалічної фази, %

Границя міцності σв, МПа

Відносне видовжен-ня, δ5, %

ПЕВТ 20 20

ПЕНТ 90 ПЕВТ 20

40 ПЕНТ 85 ПЕВТ 20



100 ПЕНТ 30

Таблиця 1.3 – Залежність міцності реактопластів від

температури Границя міцності σв, МПа, при температурі, °С Реактопласт 20 40 60 80 100 120

Гетинакс Текстоліт

17

1.7 Зміст звіту Мета роботи, загальні відомості. За даними таблиць 1.1 – 1.3 побудувати графіки залежностей

механічних властивостей від температури із застосуванням теоретичних відомостей про природу полімерів пояснити їх характер. Оцінити хімічну стійкість і термостійкість зразків за таблицею Б.1 додатку Б.

Зробити висновки відносно вивчених властивостей термопластів.

1.8 Література [1, С. 462-474]

18

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 Методи переробки пластмас

Мета роботи: оцінити можливості різних методів переробки

пластмас при виготовленні деталей.

2.1 Загальні відомості В промисловості використовуються різні методи переробки

пластмас, які дозволяють отримати як готові вироби так і напівфабрикати, які потім використовують при виготовлені конструкцій за допомогою зварювання або інших методів з’єднання конструкційних елементів. Розглянемо найбільш поширені.

Екструзія - технологічний процес, який полягає в продавлюванні полімерного розплаву через калібрувальний отвір, що має профіль, який відповідає профілю виробу. Процес безперервний, продуктивний, забезпечує високу якість виробів. Основним пристроєм агрегату для екструзії є черв’ячний екструдер (рис. 2.1).

1 – фланець для кріплення головки, що формує; 2 – корпус; 3 – нагрівальні

елементи; 4 – черв’як; 5 – бункер для завантажування сировини; 6 – редуктор; 7 – електродвигун головного приводу

Рисунок 2.1 – Схема одночерв’ячного екструдера

19

Полімерний матеріал у вигляді гранул поступає через бункер 5 в циліндр екструдера і черв’яком 4 проштовхується в зону нагрівання 3. Після розплавлення матеріал нагнітається у формувальну головку, що кріпиться до фланця 1. Формувальна головка уявляє собою інструмент, який надає струменю полімеру потрібного профілю, наприклад, труби.

Плівки виготовляють екструзією рукава наступними способами: роздуванням; поливанням заготовки на холодний барабан або валки; заливанням у водяну ванну. Схему отримання плівки роздуванням наведено на рис. 2.2.

1 – екструдер; 2 – подача стиснутого повітря; 3 – кільце повітряного

охолодження; 4 – тонкостінна труба; 5 – рукав; 6 – напрямні щоки; 7 – валки для стискання мішка із плівки; 8 – ролики, що натягують плівку;

9 – намотувальна станція. Рисунок 2.2 – Схема отримання плівки за допомогою екструдера

За цим методом для отримання рукава використовують

екструдер з кільцевим формувальним каналом із якого видавлюється розплав полімеру у вигляді тонкостінної труби 4. Далі її піддають розтягу внаслідок нагнітання в неї повітря через пристрій 2 в результаті чого утворюється рукав 5. Для складання рукава служать щоки 6. Запирання повітря в рукаві здійснюють валками 7. Через валки 7 і ролики 8 рукав подається на намотувальний пристрій 9.

Задані товщина і ширина плівки забезпечуються регулюванням поздовжньої витяжки внаслідок зміни частоти обертання стискувальних валків і ступеню роздування рукава. Товщина плівок поліетилену складає 20-350 мкм, а ширина – 2-3 м. На виробництво плівки витрачається 75 % всього поліетилену, що виробляється.

Поливання заготовки, що піддається екструзії, на холодний барабан або валки здійснюється за допомогою екструдера з плоскою щілинною головкою з шириною робочої частини до 1500-1800 мм. Розплав, що виходить з головки, потрапляє на хромовані і поліровані

20

валки. Валки охолоджуються водою, що приводить до швидкого твердіння плівки. Далі плівка проходить через вимірювач товщини, пристрій для обрізання кромок і потрапляє на намотувальну станцію. Цей метод дозволяє отримати більш прозорі плівки, ніж рукавний.

Якість плоских плівок значно покращується при застосуванні способу поливання у водяну ванну. В цьому випадку розплавлена плівка, що виходить з формувальної головки, рухається вертикально вниз і потрапляє в водяну ванну, де швидко охолоджується. З метою підвищення властивостей плівки її піддають одновісній або двовісній витяжці для отримання спрямованої структури.

При виробництві багатошарових плівкових матеріалів комбінують спосіб екструзії з нанесенням клеїв, і різних дисперсій іншими методами. Наприклад, на плівку спочатку наносять тонкий шар клею, а потім після його сушіння товстий шар дисперсії полівінілхлориду. Для підвищення адгезії полімеру до підкладки останній підігрівають, обробляють підкладку коронним розрядом або ультрафіолетовим світлом. За принципом двошарових листів виготовляють лінолеум на основі полівінілхлориду. Для цього використовують декілька черв’ячних пресів і спеціальні формувальні головки. Для різання використовують гільйотинні ножиці і дискові фрези.

Труби виготовляють на агрегатах з одно- або двочерв’ячними екструдерами, які обладнані кільцевими формувальними головками. Всередині головки розташований дорн. Для забезпечення заданого діаметра труби через дорн подається стиснуте повітря.

Методом екструзії виготовляють листи, рулонний листовий матеріал, монолітні листи товщиною більше 20 мм, монолітні блоки, багатошарові листи, листи з наповнювачем. Як матеріал для їх виготовлення частіше за все використовують полівінілхлорид, удароміцний полістирол, АБС-пластик, поліметилметакрилат, полікарбонат.

Листи з термопластів використовують для формування крупногабаритних виробів: корпусів човнів, кузовів автомобілів, ємностей для рідин.

Литво під тиском. Для отримання заготовок даним методом використовують машини, які називаються термопластавтоматами. Матеріал в такій машині засипається в бункер, звідки безперервно захоплюється черв’ячним дозатором – пластифікатором, нагрівається

21

пластифікується і проштовхується в передню зону нагрівального циліндра. Після розплавлення матеріал періодично впорскується в порожнину попередньо зімкнутої форми. При цьому відбувається заповнення порожнини форми. Заповнена форма деякий час витримується під тиском матеріалу, що заповнює її порожнину. При цьому відформований виріб охолоджується і твердіє. Потім поршень з черв’яком відводиться і форма розмикається на дві частини. Виріб виштовхується з порожнини форми. Тривалість ливарного циклу складає від декількох секунд до 1-2 хв. Для зняття внутрішніх напружень вироби піддають термообробці. Одночасно отримують декілька виробів. Розмір партій обмежується терміном придатності ливарних форм. Як матеріал використовують поліолефіни, полістирол і поліметилметакрилат. На автоматах з декількома циліндрами – пластифікаторами, що містять матеріал різного кольору, виготовляють багатокольорові вироби. Для виготовлення багатокольорових виробів також застосовують метод вставок.

Вальцювання дозволяє виконувати перемішування, перетирання, подрібнення полімерної композиції. Для надання однорідності матеріал багатократно пропускають у зазор між валками, що мають різну лінійну швидкість, внаслідок чого матеріал роздавлюється, стирається і перемішується. Для змішування окремих компонентів їх додають поступово в певній послідовності після того, як основна маса стала м’якою.

Каландрування – однократне пропускання матеріалу, крізь зазори декількох паралельно розташованих валків. При цьому утворюється нескінченна стрічка певної товщини і ширини, наприклад, полівінілхлориду, поліетілену, ефірів целюлози. Каландрування, як правило, заключний етап процесу формування, який використовують сумісно з вальцюванням і екструзією.

Ротаційним формуванням виготовляють порожнисті вироби з термопластів. За цим методом матеріал завантажують у форму. Герметично закривають її та нагрівають до температури плавлення і одночасно проводять обертання в одній або двох взаємно перпендикулярних площинах. Це приводить до рівномірного розподілення і вирівнювання складу матеріалу по всій внутрішній поверхні форми. Після цього форма охолоджується і відформований виріб виймається. Для нагрівання форми використовують газове полум’я, гаряче повітря, інфрачервоне випромінювання або розплав

22

нітридів натрію і калію, що розбризкується на форму, яка обертається. Цим методом виготовляють корпуси акумуляторів, паливні баки. Як матеріал використовують полістирол, поліпропілен, полікарбонат. Об’єм ємкостей може досягати 7 м3.

При ротаційному формуванні поліамідів у форму завантажують мономер і каталізатор і в процесі формування відбувається полімеризація вказаного матеріалу.

Штампування (рис. 2.3) включає розігрівання листа 3 до температури розмягчення, закріплення його в притискувальній рамі 4 і наступне стискання між матрицею 1 і пуансоном 2.

1 – матриця; 2 – пуансон; 3 – лист термопласта; 4 –притискувальна рама;

5 – отвір для виходу повітря Рисунок 2.3 - Схема штампування

Якщо температура листа нижча температури розмягчення то

метод перетворюється в метод холодної витяжки або холодного формування.

Пневмоформування відбувається під дією тиску підігрітого газу або повітря на закріплений по контуру і нагрітий до високопластичного стану лист.

Вакуумоформування відбувається внаслідок різниці між атмосферним тиском і розрідженням, яке забезпечується відкачуванням повітря з порожнини між листом і поверхнею прес-форми. Цим методом переробляються поліметилметакрилат, полістирол і його сополімери, поліетилен, полівінілхлорид, полікарбонат, поліетилентерафтолат.

23

Зварювання це процес утворення монолітного матеріалу між заготовками, що з’єднують. Монолітність забезпечується, якщо між поверхневими молекулами заготовок виникнуть сили взаємодії і відбудеться їх взаємне переміщення із однієї заготовки в іншу, наприклад, внаслідок дифузії.

Відповідно до теорії дифузії для отримання з’єднання необхідно, щоб відбулося повне зливання (коалесценція). У випадку не рідин, а полімерів, одного контакту поверхонь для коалесценції недостатньо. Внаслідок проявлення сил міжмолекулярної взаємодії і дифузії в об’ємах, що контактують, повинен відбутися плин і перемішування розплаву. При цьому видаляються повітряний прошарок і інші включення, а розплав видавлюється із зони зварювання. Очевидно, що чим менша в’язкість розплаву і чим більший температурний інтервал в’язкоплиного стану Тпл-Тхім.розкл., де Тпл. – температура в’язкого плину, Тхім.розкл – температура початку хімічного розкладання, тим легше утворення високоякісного зварного з’єднання. Відповідно до цього термопласти, у яких температурний інтервал Тхім.розкл.-Тпл>50 °С, при нагріванні переходять у в’язкоплинний стан без термодеструкції, при цьому якщо в’язкість розплаву не перевищує 105 Па⋅с може бути забезпечена швидка і повна коалесценція при невисоких навантаженнях, що забезпечує монолітність з’єднаних заготовок. Такі термопласти добре зварюються плавленням (наприклад, поліолефіни).

Термопласти з вузьким інтервалом (Тхім.розкл-Тпл<10°С) потребують дотримання оптимальних температурних режимів зварювання (полівінілхлорид, пентапласт, полікарбонат, поліетилентерафтолат), оскільки навіть невисоке перегрівання приводить до деструкції матеріалу заготовок. Термопласти, у яких інтервал Тхім.розкл.-Тпл<0, тобто у яких енергія активації в’язкого плину перевищує енергію хімічного зв’язку, не можуть знаходитися у в’язкоплинному стані тому, що навіть при температурі, нижчій за температуру переходу у в’язкоплинний стан, у них починає відбуватися термодеструкція. Їх зварювання можливе тільки за механізмом дифузії з тривалою витримкою під тиском, який дорівнює границі вимушеної еластичності при температурі, що не перевищує температури початку реакції деструкції. Прискорення дифузійного зварювання таких полімерів, можливе застосуванням розчинників, які

24

підвищують рухомість молекул. Нагрівання при зварюванні виконують нагрітим газом, інструментом (для трубопроводів), інфрачервоним випромінюванням, лазером.


Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно пропрацювати такі питання:

1 Зміни фізичного стану, структури та властивостей пластмас при нагріванні і деформуванні.

2 Характеристика структури та властивостей найбільш поширених пластмас.

3 Сутність методів переробки пластмас, їх можливості при виготовленні деталей та напівфабрикатів.

4 Термообробка виробів з пластмас. 5 Зварюваність пластмас.

2.3 Контрольні питання 1 Охарактеризувати процес виробництва виробів з

застосуванням екструзії. Описати його різновиди. 2 Описати виробництво багатошарових плівкових матеріалів. 3 Яким чином підвищують адгезію полімерів? 4 Назвати напівфабрикати, що виготовляють екструзією. 5 Описати процес та обладнання, що застосовується при

використанні ливарних методів. 6 Охарактеризувати процеси вальцювання і каландрування. 7 Описати процеси ротаційного формування, штампування,

пневмоформування, вакуумоформування. 8 Пояснити якими причинами обумовлена технологічність

зварюваності полімерів.

2.4 Матеріали і устаткування Набір зразків виробів отриманих різними методами. Властивості

полімерів.

2.5 Вказівки з техніки безпеки Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з

інструкцією із ТБ (додаток А).

25

2.6 Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися з технологіями переробки пластмас у вироби та

напівфабрикати. Дослідити властивості та застосування даних пластмас. Вибрати методи переробки та оцінити зварюваність матеріалів вказаних викладачем. Оформити звіт.

2.7 Порядок оформлення звіту

Мета роботи, загальні відомості. Охарактеризувати основні види технологій переробки пластмас у вироби та напівфабрикати. Оцінити фізико-механічні й експлуатаційні характеристики матеріалів виготовлених за різними технологіями. Вказати їх переваги та недоліки. Зробити висновки відносно досліджених властивостей полімерних матеріалів та вибраних методів їх переробки у вироби.

2.8 Література

[2, С. 237-241; 3, С. 8-37]

26

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 Вивчення будови і експлуатаційних характеристик

композиційних матеріалів з полімерними матрицями

Мета роботи: вивчити фізико-механічні властивості

композиційних матеріалів з полімерною матрицею і проаналізувати технологію виготовлення з них деталей.

3.1 Загальні відомості

Сучасні конструкційні матеріали повинні мати високу питому міцність при підвищених і кріогенних температурах, динамічних і знакозмінних навантаженнях, в умовах впливу глибокого вакууму, стійкість в агресивних середовищах. Великі потенційні можливості закладені в новому класі конструкційних матеріалів – композиційних матеріалах. Застосування їх у сучасних конструкціях дозволяє поліпшити ряд технічних характеристик виробів: знизити масу, підвищити корозійну стійкість і надійність, що в багатьох випадках, в свою чергу, дозволяє збільшити ресурс роботи конструкцій.

Композиційні матеріали (КМ) складаються з двох чи більше компонентів (складових), що розрізняються за хімічним складом, структурою і розділених вираженою границею. При цьому КМ мають нові властивості, що відрізняються від властивостей їх складових. До таких матеріалів відносяться полімерні композиційні матеріали, що мають полімерні матриці армовані органічними або неорганічними волокнами. У більшості полімерних КМ роль матриці виконує полімер, у якому розподілений наповнювач, що армує. Волокнистий наповнювач несе основне навантаження в матеріалі. Армування може бути виконано волокнами, джгутами, дротами, тканинами.

Властивості КМ, в основному, залежать від фізико-механічних властивостей компонентів і міцності зв'язку між ними. Матриця зв'язує композицію, надає їй форму. Від властивостей матриці залежать такі важливі експлуатаційні характеристики, як робоча температура, опір руйнуванню від втоми, опір агресивному впливу робочого середовища. Головний внесок у зміцнення КМ належить волокнам. Зі збільшенням модуля пружності і тимчасового опору волокон підвищуються відповідні властивості КМ. Властивості КМ залежать також від

27

геометрії, розміру, кількості і характеру розподілу волокон (схеми армування).

3.1.1 Властивості волокон Для армування використовують високоміцні і високомодульні

вуглецеві, борні, скляні й органічні волокна у вигляді ниток, джгутів, стрічок, тканин.

Композиції з вуглецевими волокнами називають вуглеволокнітами чи вуглепластиками; скляними - скловолокнітами чи склопластиками (з борними - бороволокнітами, органічними - органоволокнітами). Основні фізико-механічні властивості волокон (арматури) наведено в додатку В (табл. В.1).

Борні волокна мають високу міцність, твердість, низьку схильність до руйнування при підвищенні температури. При невеликій густині волокна бора мають високу міцність і твердість. Високими питомою міцністю і термічною стабільністю механічних властивостей характеризуються високомодульні вуглецеві волокна. Їх одержують внаслідок високотемпературної обробки в інертному середовищі із синтетичних органічних волокон.

До позитивних якостей вуглецевих волокон також відносяться висока теплопровідність, корозійна стійкість, стійкість до теплових ударів, невеликий коефіцієнт лінійного розширення.

Скловолокно характеризується поєднанням високої міцності, теплостійкості, низької теплопровідності, високої корозійної стійкості.

3.1.2 Властивості матриць Матричними матеріалами служать різні реактопласти,

насамперед епоксидні, поліефірні, фенольні смоли. Термопласти поступаються термореактивним полімерам у

твердості, міцності, мають більшу повзучість, але перевагами КМ на їх основі є простота технології отримання виробів, переробки відходів, гарні деформуємість, ударна в'язкість, менше водопоглинання. При створенні теплостійких КМ застосовуються матриці на основі полімерів: полісульфонів, поліфеніленсульфідів, поліацеталей, поліамідів.

Розповсюдженими матрицями при створенні КМ є епоксидні смоли. Їх використання забезпечує високий коефіцієнт реалізації міцності волокон. З КМ на основі епоксидних смол, що мають високі

28

показники міцності, виготовляють відповідальні елементи конструкцій для машинобудування.

Для менш відповідальних конструкційних матеріалів для матриці застосовують поліефірні смоли. Хоча склопластики на основі поліефірних смол і поступаються за питомими показниками механічних властивостей матеріалам на основі епоксидних полімерів, вони більш доступні і дешеві. Матриці з поліефірмелинатів і полиефіракрилатів застосовуються у виробництві великогабаритних виробів.

Перевагою фенолформальдегідних смол порівняно з епоксидними і поліефірними є підвищена вогнестійкість. Тому склопластики на їх основі використовуються в будівництві, авіації, на транспорті.

3.1.3 Застосування композиційних матеріалів з полімерною

матрицею Серед КМ із полімерною матрицею найбільш широко

застосовуються склопластики (95 % від загального обсягу) у суднобудуванні, авіації, приладобудуванні, транспортному машинобудуванні.

Тимчасовий опір склопластиків підвищується приблизно в 3 рази при збільшенні об'ємної частки наповнювача до 80 % і досягає 700 МПа при армуванні безперервними волокнами. Дискретні волокна зміцнюють КМ менш ефективно. Склопластики мають високу холодостійкість і теплостійкість. Їх використовують у діапазоні температур від –70° до 400 °С. Крім того, завдяки здатності гасити механічні коливання вони використовується в умовах дії вібраційних навантажень.

Недоліком склопластиків є порівняно низький модуль пружності. Основні характеристики склопластиків і інших КМ наведено в таблицях 3.1 і В.2 (додаток В).

Вуглепластики (карбоволокніти) і органопластики (органоволокніти) поряд з усіма позитивними властивостями склопластиків мають у півтора разу меншу густину, у 3-4 рази вищу твердість і більшу міцність.

Але в зв'язку з більш високою вартістю вони в даний час використовуються в аерокосмічній, оборонній промисловості, в автомобілебудуванні.

29

Таблиця 3.1 – Фізико-механічні властивості конструкційних склопластиків

Тип матриці

Властивості поліефірна епоксидна

фенол-формаль-дегідна

кремній-органічна

Густина, кг/дм3 1,65 1,6-1,9 1,7 1,7 Границя міцності при розтягнені, МПа

320 450 340 250

Границя міцності при згині, МПа

360 500 250 200

Водопоглинення за 24 години, %

0,2 0,1 0,1 0,5

Вуглепластики (карбоволокніти) мають малий коефіцієнт тертя і

високу зносостійкість. Епоксифенольні карбоволокніти (КМУ-1л, зміцнений вуглецевою стрічкою і КМУ-1у, армований джгутом) можуть тривало працювати при температурі до 200 °С.

Карбоволокніти КМУ-3 і КМУ-3л одержують на епоксианіліноформальдегідному сполучному (матриця). Їх можна застосовувати до 100 °С. Карбоволокніти КМУ-2 і КМУ-2л з полімерною матрицею працездатні до 300 °С.

Карбоволокніти відрізняються високим статичним і динамічним опором втомі при нормальній і низькій температурах. Вони мають високу водо- і хімічну стійкість.

З метою зниження їх вартості застосовують часткову заміну вугільних волокон скляними. В цьому випадку матеріал називається карбоскловолокнітом.

Бороволокніти відрізняються високою міцністю при стисканні, зсуві і зрізі, низькою швидкістю повзучості, високими твердістю, модулем пружності і теплопровідністю. При їх армуванні також застосовують часткову заміну борних волокон скляними, а матеріал в цьому випадку називається бороскловолокнітом. Бороволокніти КМБ-1 і КМБ-1к призначені для тривалої роботи при 200 °С; Матеріал КМБ-2к працездатний і при температурах до 300 °С. Такі КМ мають високий опір втомі, стійкі до впливу радіації, води, органічних розчинників і паливно-мастильних матеріалів.

30

Деталі з бороволокнітів застосовують в авіаційній і космічній техніці для виготовлення панелей, роторів і лопаток компресорів, лопастів гвинтів, трансмісійних валів вертольотів, торсіонів і т.д.).

Органоволокніти мають малу густину, високу питому міцність і твердість, стабільні при дії знакозмінних навантажень і різкій зміні температур.

В органоволокнітах значення модуля пружності і температурних коефіцієнтів розширення волокон і матриці близькі. Це обумовлює стабільність їх механічних властивостей при різкому перепаді температур. Для таких КМ характерний високий рівень ударної в’язкості. Більшість органоволокнітів може тривало працювати при 100-150 °С, а КМ з поліамідною матрицею і поліоксодізольними волокнами при температурі до 300°С.

Недоліком цих матеріалів є порівняно низька міцність при стисканні і схильність до повзучості.

Для підвищення міцності і твердості органоволокнитів для їх армування разом із синтетичними волокнами застосовують скляні, вуглецеві або борні волокна.

Органоволокніти застосовують в авіації, автомобілебудуванні. З них виготовляють труби, ємності, покриття.

3.1.4 Властивості КМ Для більшості композитів параметри міцності змінюються

прямо пропорційно об'ємній частці волокон. Міцність при розтягненні можна визначити за рівнянням:

σр = σв⋅Vв + σм(1 - Vв ), (3.1)

де σв – міцність волокон, Vв – об’ємна частка волокон, σм – напруження в матриці в момент руйнування волокон. Верхня границя міцності КМ при розтягненні визначається, в

основному, максимальною об’ємною часткою волокон. Припустиме об'ємне наповнення як правило не перевищує 65-70 %. Оскільки матриця на міцність КМ впливає порівняно мало, міцність приблизно можна визначити за формулою:

σр = σв ⋅Vв (3.2)

31

Дискретні волокна зміцнюють композиційний матеріал у меншій мірі, ніж безперервні. Непаралельність волокон істотно знижує ефективність зміцнення КМ, армованого дискретними волокнами.

3.1.5 Виготовлення композиційних матеріалів з полімерною

матрицею та деталей з них У промислових технологіях, як правило, формування

композиційного матеріалу і виготовлення з нього деталей поєднані. Технологічний процес складається з наступних основних операцій:

- з’єднання полімерного зв’язуючого з арматурою просоченням розчином чи емульсією волокон (або їх сітки) чи нанесенням шарів порошкоподібного зв’язуючого на кожен шар арматури;

- приготування напівфабрикатів у вигляді пакетів намотуванням, викладенням на оправках або протягуванням, наприклад, при виготовленні профільних виробів;

- формування виробу з застосуванням прямого пресування, вакуум-формування, контактного формування, автоклавного формування.


Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно опрацювати такі питання:

1 Склад і класифікація КМ з неметалевою матрицею. 2 Призначення матриці і вимоги до її матеріалу. 3 Призначення волокон і вимоги до їх матеріалу. 4 Описати вплив характеру границь між матрицею і волокнами

на властивості КМ. 5 Характеристика карбоволокнітів, бороволокнітів,

органоволокнітів з полімерною і вуглецевою матрицями.

3.3 Контрольні питання 1 Як класифікують КМ з неметалевою матрицею за схемою

армування, типом фази, що зміцнює, і матриці? 2 Навести приклади впливу різних схем армування на

властивості КМ. 3 Охарактеризувати структуру і властивості карбоволокнитів,

навести приклади доцільності використання цих матеріалів.

32

4 Описати структуру, властивості та застосування бороволокнитів. 5 В яких умовах проявляються переваги органоволокнитів над

іншими КМ з неметалевою матрицею ? 6 Яким чином впливає на властивості КМ довжина волокон та

міцність їх з’єднання з матрицею ? 7 Оцінити термостійкість композиційних матеріалів з різними

типами волокон і неметалевих матриць.

3.4 Матеріали і устаткування Набір зразків і деталей композиційних матеріалів з неметалевою

матрицею, розривна машина, обладнана піччю.

3.5 Вказівки з техніки безпеки. Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з

інструкціями із ТБ (додаток А).

3.6 Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися зі зразками композиційних матеріалів з

неметалевою матрицею та технологією їх виготовлення. Провести випробування зразків волокон, матриць і

композиційних матеріалів з неметалевою матрицею на розтягнення при температурах, наведених в таблиці 3.2. Результати випробувань занести у вказану таблицю.

Таблиця 3.2 – Міцність бороволокнітів з епоксидним та поліамідними зв’язуючими при згині в залежності від температури випробувань

Температура випробувань, °С

σзг, МПа, бороволокніта з епоксидним зв’язуючим

σзг, МПа, бороволокніта з поліамідним зв’язуючим

20 100 200 300

Провести випробування зразків вуглепластиків з різною схемою

армування відповідно рис. 3.1 та табл. 3.3. Результати занести в табл. 3.3.

33

Для вказаних композитів розрахувати критичну довжину короткого волокна; критичну та номінальну об’ємну частку волокон; міцність і модулі пружності вздовж та перпендикулярно до осі волокон; значення першого критичного кута.

1 – повздовжна; 2 – під кутом 45°С; 3 – взаємно перпендикулярна; 4 – поперечна

Рисунок 3.1 – Схема армування вуглепластиків з епоксидною матрицею (V

в=0,63)

Таблиця 3.3 – Залежність між напруженням та деформацією при розтягненні епоксидних вуглепластиків з різною схемою армування

Напруження σ, МПа, при деформації ε, % Схема армування

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

1

2

3

4

3.7 Порядок оформлення звіту Мета роботи, загальні відомості. Дати коротку характеристику

основних видів КМ із полімерними матрицями. Відмітити їх переваги і недоліки в порівнянні з неармованими матеріалами. Описати технологію виготовлення досліджених у даній роботі КМ і деталей з них. За результатами випробувань побудувати графіки або діаграми залежностей міцності КМ від температури випробувань та схем армування. Порівняти результати та пояснити в яких випадках можливо користуватися спрощеним правилом суміші. Зробити висновки за отриманими результатами.


[1, С 465 – 481]

34

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4 Дослідження впливу старіння на фізико-механічні

властивості гумовотехнічних виробів Мета роботи: ознайомитися з деталями, виготовленими з

гумових сумішей і їх застосуванням у машинобудуванні, вивчити зміни структури і властивостей гумовотехнічних виробів у результаті старіння.


Гумовотехнічні вироби (ГТВ) застосовують у багатьох галузях машинобудування. Гуми як технічний матеріал відрізняються від інших матеріалів високою еластичністю. Для них характерна здатність до значних зворотних деформацій (відносне видовження може досягати 500 %). Їх висока еластичність зберігається в широкому діапазоні температур. Модуль пружності гум становить 1...10 МПа. Для гумових матеріалів характерна висока стійкість до стирання, газо- і водонепроникність, хімічна стійкість, невелика густина.

4.1.1 Класифікація гум і їх призначення Гуми поділяються на дві основні групи – загального і

спеціального призначення. Фізико-механічні властивості гум наведено в додатку Г.

Гуми загального призначення виготовляють на основі натурального каучуку, бутадієнових, ізопренових, бутилкаучуків і їх комбінацій. Ці гуми працездатні в інтервалі температур від 35 до 150°С в воді, повітрі, слабких розчинах кислот і лугів. Основними областями їх застосування є виготовлення шин, конвеєрних стрічок, приводних пасів.

Гуми загального призначення випускаються у вигляді пластин, листів, рулонів.

Гуми спеціального призначення підрозділяються в залежності від їхнього застосування:

- теплостійкі гуми. Їх виготовляють на основі етилен-пропіленових і бутилкаучуків. Вони працездатні при температурі до 150-200°С;

35

- морозостійкі гуми виготовляють на основі каучуків з низькою температурою переходу в склоподібний стан (кремнійорганічних, бутадієнових);

- масло- і бензостійкі гуми виготовляють на основі бутадіен-нітрильних, полісульфідних, уретанових, хлорпренових і фтормістских каучуків. Вони працездатні при тривалому контакті з нафтопродуктами і рослинними мастилами;

- гуми, стійкі до дії агресивних середовищ (кислот, лугів, озону) виготовляють на основі бутилкаучука, бутадіен-нітрильних, кремній-органічних, фтормістстких, хлорпренових, акрилатних канчуків;

- радіаційностійкі гуми одержують із фтормістких, бутадіен-нітрильних і бутадієн-стирольних каучуків.

4.1.2 Експлуатаційні властивості гум Механічні властивості гум характеризують: границя міцності

при розтягненні (fp), відносне видовження при розриві (εр), опір роздиранню (У), відносне залишкове видовження (θр), умовне напруження (fε), при заданому відносному видовженні (ε) в процесі розтягнення з заданою швидкістю, а також твердість (Н).

Термін служби багатьох гумових виробів пропорційний міцності при розтягненні й опору роздиранню. Довговічність більшості гумових силових і протиударних виробів (опор, патрубків, амортизаторів) збільшується при підвищенні їх міцності.

Твердість це один з основних критеріїв при виборі гуми для виготовлення конкретного ГТВ. Під твердістю розуміють опір деталі деформації.

Морозостійкість гум оцінюють температурою переходу їх в крихкий стан. При низьких температурах знижуються і навіть цілком втрачаються високоеластичні властивості, відбувається перехід у склоподібний стан і зростання твердості гуми в тисячі і десятки тисяч разів. Властивості гум при низьких температурах істотно поліпшуються за рахунок введення пластифікаторів.

Теплостійкість визначає здатність виробів з гуми зберігати свої фізико-механічні властивості при підвищені температури. Термостійкість характеризує також опір термічному старінню, у процесі якого відбувається зміна хімічної структури гуми.

Радіаційна стійкість гум характеризується значенням граничної поглиненої дози, що відповідає заданій абсолютній чи відносній зміні

36

показників властивостей в результаті опромінення. Для підвищення радіаційної стійкості гум вводять захисні домішки – антиради (найбільше часто, діаміни).

Найважливішими характеристиками гум багатьох типів є їх зносостійкість і коефіцієнт тертя. Інтенсивність і швидкість зношування гум різко зростає при температурі вище 150°С. Однак при температурі 100°С и помірних контактних тисках гуми більш зносостійкі ніж сталь. З них виготовляють покриття канатів, жолобів, стрічок, що здійснюють транспортування гірських порід.

Підшипники з гуми використовують у глибинних артезіанських та бурових насосах. Гумові підшипники, що працюють на водяному змащенні, за показниками коефіцієнта тертя (0,01-0,005) і терміну служби не поступаються металевим підшипникам.

Широко застосовують ГТВ в автомобільній і авіаційній промисловостях. У складі механізмів і агрегатів автомобілів використовуються тисячі гумових виробів. У літаках застосовується до 20 тисяч деталей з гум.

У процесі експлуатації гумові вироби піддаються різним видам старіння (світлове, озонне, теплове, радіаційне, вакуумне й ін.), яке призводить до зниження їх працездатності. Схильність гуми до старіння виражається коефіцієнтом старіння, який визначається за методом Гіра.

Метод Гіра полягає у випробуванні на розтягнення стандартних зразків з нормальної і штучно зістареної гуми з визначенням границі міцності і відносному видовженні в момент розриву. Коефіцієнт старіння визначають як відношення значення відносного видовження при розриві зістареного зразка (εz′) до значення відносного подовження (εz) не зістареного зразка або по відношенню добутків гумових зразків зістарених σ′zε′z і не зістарених σzεz.

4.1.3 Виготовлення ГТВ В залежності від конструктивних особливостей ГТВ і

технологічних властивостей гумової суміші застосовуються декілька технологічних процесів одержання деталей. Для одержання плоских виробів спочатку прокочують не вулканізовані пластини, а потім вулканізують їх у пресах, що обігріваються. Трубки, стрижні, профілі одержують екструзією гумових сумішей.

37

4.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботі Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів

експериментів необхідно опрацювати такі питання: 1 Загальна характеристика гум. 2 Склад і класифікація гум. 3 Гуми загального призначення. 4 Гуми спеціального призначення. 5 Вплив факторів експлуатації на властивості гум. 6 Технологія отримання виробів із гум та їх застосування.

4.3 Контрольні запитання 1 Що є основним компонентом гум? 2 Яку будову мають макромолекули каучуку і гуми? 3 Які агенти додають в гуму і як вони впливають на її

властивості? 4 На основі яких каучуків виробляють гуми загального

призначення. 5 На основі яких каучуків виробляють гуми спеціального

призначення. 6 Яким чином впливає полярність каучука на властивості гум? 7 Які властивості визначають морозостійкість гум? 8 З яких каучуків виробляють теплостійкі гуми? 9 Як полярність каучуків впливає на механічні та ізоляційні

властивості гум? 10 Що характеризує теплостійкість гум? 11 Як розрахувати коефіцієнт старіння гум за методом Гіра? 12 Опишіть технологію отримання гумових виробів. 13 Обґрунтуйте використання різних типів гуми для

виготовлення автомобільних шин котрі експлуатуються взимку і влітку.

4.4 Матеріали й устаткування

Набір зразків гум і деталей, розривна машина, обладнана піччю.



38

4.6 Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися зі зразками і деталями з гум. Провести

випробування на розрив зразків гуми при температурах, вказаних в табл. 4.1. Результати занести в табл. 4.1.

Таблиця 4.1 – Міцність різних гум при підвищених температурах

σзг , МПа при температурах, °С Тип каучуку з якого отримана гума

20 100 200 НК

Хлоропрен СКТ


Мета роботи, дати характеристику основних фізико-механічних і експлуатаційних властивостей ГТВ, вказати їх переваги в порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. Описати технологію їх виготовлення.

Визначити коефіцієнт старіння гуми за даними, вказаними викладачем, за формулами:

z

zКс

'

= , де 100

z zz ε⋅σ= ;

100z

z'

z'

' ε⋅σ= .

Із застосуванням теоретичних відомостей про природу гумових

матеріалів пояснити отримані результати. Зробити висновки відносно вивчених властивостей гумових

матеріалів.

4.8 Література [1, С. 482-494]

39

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5 Вивчення клеїв, клейових з ' єднань і герметиків

Мета роботи: ознайомитися з використанням клейових з'єднань

і герметиків у машинобудуванні.

5.1 Загальні відомості Клеї це композиції, які застосовуються для з’єднання різних

матеріалів за рахунок утворення міцного адгезійного зв'язку між їх поверхнями і клейовим прошарком. До складу клейової композиції входять речовини, що утворюють плівку, розчинник, пластифікатор, отверджувач чи каталізатор, наповнювач і домішки.

Клеї класифікують за видом основи, на якій він готується, наступним чином: органічні, неорганічні і металеві. Органічні клеї підрозділяють на термопластичні і термореактивні. Термореактивні смоли дозволяють одержати міцні, теплостійкі плівки, які застосовують для склеювання силових конструкцій з металів і неметалевих матеріалів. Клеї на основі термопластичних смол мають невисоку міцність, особливо при нагріванні, і застосовуються для несилових з'єднань неметалевих матеріалів.

Гумові клеї, у яких основою є каучук, відрізняються високою еластичністю і застосовуються для склеювання гуми з гумою або гуми з металами.

Найбільш теплостійкими є неорганічні клеї. До переваг клейових з’єднань відносяться висока міцність,

збільшення границі витривалості завдяки усуненню концентраторів напружень, властивих клепаним, болтовим і зварним конструкціям.

Клейові з′єднання мають наступні недоліки: невисока міцність при нерівномірному відриві, необхідність у ряді випадків проведення операції склеювання з підігріванням, схильність до старіння.

Найбільш важливими експлуатаційними характеристиками клеїв є стійкість до старіння, водо- і атмосферостійкість, тривала міцність і довговічність.

У таблиці 5.1 наведено характеристики основних видів клеїв. Як високоміцні клеї для металевих конструкцій, що працюють

при температурах до 250°С, використовують клеї на основі епоксидної або фенолформальдегідної смол.

40

Таблиця 5.1 – Характеристика і область застосування клеїв

Характеристика з′єднання

Клей Матеріали, що склеюють

Границя міцності при зсуві, МПа

Термостій-кість

Середовище в якому можна застосовувати з′єднання

Фенолфор-мальдегідний

Деревина, пористі матеріали

10-15 7-100

Вода, масло, бензин, спирти, ароматичні вуглеводні

Епоксидний Метали, неметалеві матеріали

10-13 60-250 Масло, бензин,

спирти,

Кремнійор-ганічний

Метали, пластмаси, азбоцемент

10-17 350 Масло, бензин, вуглеводні

Карбонільний Метали, кераміка, пластмаси

10-15 50-60 Палива, масло

Полібензи-медазольний

Метали, склопластики

15-30 350-540 Вода, мінеральне масло, розчини

солей

Більш широко застосовують клеї на епоксидній основі, тому що для фенолформальдегідних клеїв характерна недостатня стійкість до термоокислювальної деструкції. Клеї на основі епоксидних олігомерів ЭД-24, Э-49 є стійкими до термоокислювальної деструкції. Їх теплостійкість досягає 200 °С (короткочасна теплостійкість до 315 °С). Наприклад, міцність з’єднань дуралюміна при використанні клею на основі епоксидного олігомера при 200°С складає 148 МПа.

У таблиці 5.2 наведено характеристики міцності клейових з’єднань.

В авіації і космічній техніці широко використовуються тришарові клеєні сотові конструкції з наповнювачем (панелі фюзеляжу, перегородки й ін.). Застосування сотових конструкцій забезпечує зниження маси, підвищення витривалості.

41

Таблиця 5.2 – Міцність клейових з’єднань при 250 °С

Тип клею Напруження руйнування

при зсуві, МПа Поліуретановий 56 Епоксинайлоновий 42 Епоксифенольний 21 Епоксиполіамідний 17,5 Поліароматичний 12,6

При застосуванні клеїв у машинобудуванні металоємність

конструкцій знижується на 10-25 %. Одним із ефективних шляхів підвищення міцності металевих конструкцій є застосування комбінованих клейовомеханічних з’єднань. Клейовозаклепочні з'єднання мають у 1,5-3 рази більш високу міцність і надійність при тривалій експлуатації в порівнянні з клепаними з'єднаннями. Міцність клейозварних з'єднань на 20-50 % вище, ніж зварних з'єднань.

Герметики. Герметики – це пастоподібні або в’язкоплинні маси на основі полімерів і олігомерів, що використовуються для заповнення зазорів в конструкціях. Герметики застосовують для ущільнення і герметизації клепаних, зварних і болтових з'єднань, паливних баків, різних металевих конструкцій, приладів.

В залежності від природи вихідного полімеру розрізняють герметики, що вулканізуються і затвердівають, що невисихають і що висихають. У залежності від призначення герметики класифікують за теплостійкістю (50-70 °С, 100-150 °С, понад 200 °С), по стійкості до олій і палив.

Основними експлуатаційними характеристиками герметиків є ресурс (період часу, впродовж котрого зберігаються їх властивості), газопроникність, адгезія, міцність на розрив, відносне видовження при розтягненні, щільність.

Найбільш широке використання одержали герметики на основі полісульфідних каучуків (тіоколів), кремнійорганічних полімерів, фторокаучуків. Застосовуються також герметики на основі бутадіенових, уретанових каучуків, на основі олігомерів епоксидних і фенолформальдегідних смол. Властивості деяких герметиків наведено в таблиці 5.3.

42

Таблиця 5.3 – Властивості вулканізованих герметиків

Властивість Полісульфідний

(тіоколовий) Кремнійорганічний

Фторкаучуковий

γ⋅10-3, кг/м3 1,2...1,8 1,02...1,8 1,6...3,2 σв, МПа 1,5...4,0 1,5...4,5 7,0...14,0

ε, % 150...500 150...600 300...700 Інтервал робочих температур, °С

-60...150 -70...300 -30...250

Робоче середовище Паливо Повітря Хімічно-агресивне

5.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів

експериментів необхідно пропрацювати такі питання: 1 Склад і класифікація матеріалів-плівкоутворювачів. 2 Конструкційні смоляні і гумові клеї. 3 Неорганічні клеї. 4 Властивості клейових з’єднань. 5 Тіоколові герметики. 6 Анаеробні герметики. 7 Кремнійорганічні герметики. 8 Епоксидні герметики. 9 Фторкаучукові герметики. 10 Поліуретанові і поліефірні герметики.

5.3 Контрольні питання 1 Як класифікують клеї? 2 Назвіть склад смоляних, гумових і неорганічних клеїв. 3 Якими характеристиками оцінюють якість клеїв? 4 Назвіть переваги та недоліки клейових з’єднань порівняно з

іншими з’єднаннями (заклепочними, болтовими, зварними). 5 Яке призначення герметиків? 6 Назвіть основні види герметиків, їх склад, властивості та

застосування.

5.4 Матеріали і устаткування Набір зразків із клейовими з'єднаннями; вузли, в яких

використані клеї; деталі з ущільненнями з використанням герметиків; розривна машина, обладнана піччю.

43



5.6 Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися з конструкціями, у яких використані клеї і

герметики. Провести випробування зразків з клейовими з'єднаннями на

розрив. Визначити характеристики механічних властивостей

випробуваних матеріалів. Результати занести в табл. 5.4 Таблиця 5.4 – Міцність при відриві клеєних з′єднань отриманих

при використанні клею на епоксидній основі К153 σв, МПа, при температурі °С,

Матеріали, які зклеюють 20 60

Дуралюміній Сталь 30ХГСА

Дуралюміній + склотекстоліт

5.7 Порядок оформлення звіту Мета роботи. Коротко описати призначення клеїв і герметиків.

Описати технологію виготовлення клейової сотової конструкції. Охарактеризувати герметики, використані для ущільнення деталей та досліджені у даній роботі. На основі теоретичних відомостей про природу полімерів пояснити отримані результати.

Зробити висновки відносно вивчених властивостей даних матеріалів.


[1, С. 494 – 504]

44

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6 Дослідження будови і властивостей конструкційних

вуглеграфітових матеріалів Мета роботи: вивчити будову, фізико-механічні властивості і

технологію виготовлення вуглеграфітових матеріалів

6.1 Загальні відомості Графіт застосовується для виготовлення деталей ракет, ядерних

реакторів, плавильних машин, підшипників і антифрикційних покриттів.

Графіт поєднує високі жароміцність, кислотостійкість, електропровідність і теплопровідність, Його повзучість до температури 1700°С не виявляється, а при температурах 2300-2900°С невелика. Міцність і модуль пружності графіту ростуть з підвищенням температури до 2200-2400°С.

Штучно графіт одержують в результаті нагрівання суміші коксу і пеку до 2800°С, а також осадженням з газоподібних вуглеводнів при 1400-1500°С у вакуумі з наступним нагріванням осаду, що утворився, до 2500-2600°С при тиску близько 50 МПа. Отриманий з вуглеводнів пірографіт має високу міцність.

Із синтетичних волокон і тканин за рахунок спеціальної термічної обробки одержують вуглецеві волокна і тканини, що застосовується в композиційних матеріалах.

6.1.1 Вуглецеві волокна Вуглецеві волокна одержують на основі полімерних поліакрило-

нітрильних (ПАН) волокон і нафтового пеку. Їх відповідно до цього розділяють на ПАН-вуглецеві і пекові вуглецеві волокна.

В залежності від значень міцності і модуля пружності розрізняють високоміцні (Е=200-300 ГПа) і високомодульні (Е=400ГПа) ПАН волокна. Для пекових волокон значення модуля пружності досягає 360 ГПа, міцність складає приблизно 2000 МПа. У таблиці 6.1 приведено характеристики вуглецевих волокон.

Процес виробництва вуглецевих волокон складається з трьох етапів: одержання полімерного волокна, стабілізації і графітизації. Стабілізація полягає в окисленні волокон на повітрі при 200-300°С. В

45

результаті стабілізації термопластичні полімерні волокна втрачають здатність плавитися і карбонізуются без зміни форми. Процес карбонізації здійснюють в атмосфері азоту при температурі 1400°С. При нагріванні синтетичні волокна розкладаються з утворенням стрічкоподібних шарів вуглецю з гексагональною структурою, що називаються мікрофібрилами. Групи однаково орієнтованих микрофібрил, розділених вузькими порами, утворюють фібрили. Кожне вуглецеве волокно складається з тисяч фібрил. Структура вуглецевого волокна залежить від складу макромолекул вихідних полімерів, ступеня витяжки волокон, технології їх одержання.

Таблиця 6.1 – Властивості вуглецевих волокон

Тип волокон Вміст вуглецю, % мас.

Густина γ⋅10-3, кг/м3

Діаметр волокон, мкм

Модуль пружнос-ті, ГПа

Коротко-часна

міцність, ГПа

Відносне видовже

ння, %

Віскозні (високо-модульні)

99,9 1,66 6,5 393 2,2 0,6

Поліакрило-нітрильні високоміцні

92,0 1,73 7,0 230 3,1 1,3

Поліакрило-нітрильні високо-модульні

99,4 1,81 6,5 390 2,4 0,6

Пекові 99,4 2,0 10,0 380 2,1 0,5

6.1.2 Вуглець-вуглецеві композиційні матеріали (ВВКМ) Композиційні матеріали (КМ) з полімерною матрицею

працездатні до температури 250°С. Заміною полімерної матриці на вуглецеву створено новий клас КМ – вуглець-вуглецеві матеріали. Вуглець-вуглецеві КМ можуть тривалий час працювати у відновлювальних і нейтральних середовищах при температурах 3000–3500°С, в окислювальних – до температур 350-400°С. На відміну від багатьох матеріалів з підвищенням температури їх характеристики міцності не знижується, а зростають. Ці матеріали стійкі до дії термічних ударів (термостійкі).

46

В вуглець-вуглецевих композиційних матеріалах каркас, що зміцнює, виготовляють з вуглецевих волокон, а матрицю – з монолітного вуглецю. Каркас – тканий з вуглецевих ниток малого діаметра. Застосовується також укладання вуглецевих тканин, що прошиті нитками. Каркаси можуть бути створені з вуглецевих джгутів і стрічок. Для виготовлення каркасів застосовують високоміцні і високомодульні волокна.

Матриця утворюється на каркасі його просочуванням, або нанесенням на волокна покриття. Потім заготовку піддають ущільненню, карбонізації і графітизації.

Як матричні просочувальні матеріали застосовують термореактивні фенольні і фурфуролові смоли, а також пеки з кам'яновугільної смоли чи нафти. Каркас просочують смолою чи розплавом пеку за допомогою надлишкового тиску або вакууму. Після просочення здійснюють отвердіння термореактивних смол. Потім вироби нагрівають до 650-1100°С для карбонізації. Пекові складові карбонізують в інертній азотній атмосфері. Вихід коксу з термореактивних смол досягає 70-75 %, а з кам'яновугільних – 50-65 %. На наступному етапі одержують вуглецеву матрицю графітизацією при температурі 2602-2752°С. Для досягнення максимальної щільності композиційного матеріалу всі технологічні цикли (просочення, твердіння, карбонізацію і графітизацію) багаторазово повторюють. Для одержання ВВКМ з високою міцністю з′єднання арматури з матрицею застосовують газофазний метод осадження матричного матеріалу на вуглецеві волокна. Для цього метан чи природний газ продувають через нагрітий каркас із вуглецевих волокон. На волокнах утворюється осад, який потім піддають графітизації. Найбільша щільність композиційного матеріалу досягається при комбінуванні газофазного осадження і просочення смолою. Механічні властивості ВВКМ із різним армуванням приведено в таблиці 6.2.

Міцність і жорсткість при високих температурах, низький коефіцієнт термічного розширення, низька щільність у порівнянні з металами і керамікою, висока термостійкість обумовлюють використання ВВКМ насамперед у ракетно-космічній і авіаційній техніці. ВВКМ застосовують для деталей ракетних двигунів (наприклад, сопла і камери згоряння), гальм літаків,

47

високотемпературних трубопроводів, деталей ядерних реакторів, пресформ гарячого пресування.

Таблиця 6.2 – Механічні властивості вуглець-вуглецевих КМ

Вид арматури

Характеристика Односпрямовані високомодульні

волокна

Графітова тканина тримірної структури

Густина (γ⋅10-3 ), кг/м3 1,52 1,45 Границя міцності при розтягненні, МПа

619 98

Питома міцність при розтягненні, км

41 6,8

Питома міцність при зсуві, км

- 25

Границя міцності при зсуві, МПа

- 17,2

6.1.3 Антифрикційні вуглеграфітові матеріали Антифрикційні матеріали на основі вуглецю виготовляють з

нафтового коксу і кам'яновугільного пеку з додаванням природного графіту. Деталі пресують, потім робиться відпал, просочення і графітизація.

Границя міцності вуглецевих антифрикційних матеріалів має найбільш високе значення при випробуванні на стиснення. При згині границя міцності вуглецевих антифрикційних матеріалів у 2-3,5 рази нижче, ніж при стисканні. Деталі з вуглеграфіта (ущільнювальні кільця, підшипники) застосовуються в механізмах, що працюють при високих температурах чи в агресивних середовищах. При ударних або навантаженнях розтягнення їх не застосовують.

Антифрикційні вуглеграфітові матеріали марок АТ-1500, АГ-1500, АГ-600 призначені для виготовлення деталей вузлів тертя (кілець, радіально-торцевих ущільнень), що працюють в умовах сухого тертя (при цьому коефіцієнт тертя становить 0,03-0,1).

6.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботі


48

1 Характеристика атомної будови, структури та ступеня анізотропії природного, технічного і піролітичного типів графіту.

2 Фізико- механічні властивості штучного графіту. 3 Поверхневий захист графіту. 4 Антифрикційні графітові матеріали. 5 Недоліки, переваги та застосування графіту як

конструкційного матеріалу.

6.3 Контрольні питання 1 Охарактеризуйте структуру та властивості природного і

штучного графіту. 2 Охарактеризуйте властивості (модуль пружності, міцність,

швидкість повзучості) графіту при підвищених температурах. 3 Наведіть приклади технологій отримання штучного графіту. В

яких випадках і які види технологій застосовуються ? 4 Які матеріалі є сировиною для виготовлення штучного графіту? 5 Яка технологія використовується для підвищення густини і

механічних властивостей штучного графіту ? 6 Чим пояснюється висока коштовність штучного графіту ? 7 Опишіть технологію отримання вуглецевих волокон. Які

процеси відбуваються при стабілізації і графітизації ПАН волокон ? 8 Яка різниця в структурі високо пружних і високоміцних

волокон ? 9 Опишіть типи технологій отримання вуглець-вуглецевих КМ. 10 Наведіть приклади деталей, які доцільно виготовляти з

графітових матеріалів.

6.4 Матеріали і устаткування Набір зразків і деталей вуглеграфітових матеріалів; розривна

машина, обладнана піччю.



6.6 Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися зі зразками і деталями із вуглеграфітових

матеріалів, вивчити технології їх виготовлення.

49

Провести випробування на розтяг зразків з вуглеграфітових матеріалів. Визначити їх механічні властивості і занести в табл. 6.3.

Таблиця 6.3 – Властивості полікарбонату та полісульфону,

армованих пековими вуглецевими волокнами

σв , МПа σзг , МПа Відносне

видовження ε, % Об’ємний вміст

волокон, % полі-карбонату

полі-суль-фону

полікарбонату


полікарбонату


0 15 30

6.7 Порядок оформлення звіту Мета роботи, загальні відомості. Охарактеризувати основні види

вуглеграфітових матеріалів. Описати технологію їх виготовлення. Оцінити фізико-механічні й експлуатаційні характеристики вуглеграфітових матеріалів, вказати їх переваги в порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. Результати випробувань занести в таблицю 6.3. За даними таблиці 6.3 побудувати графіки залежностей механічних властивостей від об’ємного вмісту волокон. Із застосуванням теоретичних відомостей про природу вуглеграфітових матеріалів пояснити отримані залежності.

Зробити висновки відносно отриманих властивостей вуглеграфітових матеріалів.

6.8 Література [1, С. 505-508]

50

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7 Вивчення структури і властивостей конструкційної кераміки і композиційних матеріалів з керамічною

матрицею Мета роботи: ознайомитися зі зразками і деталями з кераміки і

композиційних матеріалів з керамічною матрицею (ККМ), оцінити корозійну стійкість і окалиностійкість кераміки, вивчити структуру зразків із ККМ.


Кераміку, призначену для виготовлення механічно навантажених деталей, називають конструкційною. Переваги кераміки як конструкційного матеріалу в порівнянні з металами виявляються насамперед при високих температурах і у хімічно активних середовищах.

До конструкційної кераміки відносять оксидну кераміку (отриману на основі оксидів металів), безоксидну (отриману на основі безкисневих сполук) і композиційні матеріали, у яких матриця виконана з керамічного матеріалу.

До оксидної кераміки відносять матеріали на основі оксидів: алюмінію, цирконію та лужних оксидів: берилію, магнію, кальцію, торію, урану і церію. Полікристалічна оксидна кераміка майже не містить склоподібної і газової фаз. Для такої структури характерні високі теплопровідність і вогнетривкість, термічна і хімічна стійкість, твердість і стійкість до повзучості. Властивості оксидної кераміки приведені в таблиці Д.1 додатку Д.

Температура плавлення кристалічної фази оксидної кераміки знаходиться у межах 2000-3300 °С. Робочі температури складають 0,8-0.9 від температури її плавлення. Оксидна кераміка має високу кислотну і лужну стійкість. Проте існує кераміка, наприклад, на основі окислів (ВеО, МgО і СаО), яка розчиняється в кислотах.

Оксидні кераміки на основі торію, берилію і цирконію відрізняються малою леткістю при високих температурах, тому вони добре працюють у вакуумі, де застосування інших оксидів неможливо. Оксидна кераміка має досить високу міцність при стисканні та при згині. Міцність при розтягненні складає 0,1 від міцності при

51

стисканні. Механічні властивості кераміки знижуються при підвищенні пористості виробів. Для кераміки на основі Al2O3 при пористості, що складає 10%, опір повзучості зменшується в 10 разів. Підвищення температури експлуатації також призводить до зниження механічних властивостей.

Найбільшу теплостійкість має кераміка на основі Al2O3 і ВеО. Кераміка на основі ітрію Y2O3 зберігає свої властивості при нагріванні до 1800 °С в повітрі.

Безкиснева кераміка відрізняється від оксидної більшою вогнетривкістю, твердістю і зносостійкістю. Однак опір окислюванню у безкисневої кераміки при температурах вище 900-1000°С недостатній. Тому найбільш повно властивості кераміки такого типу реалізуються в нейтральному чи відновлювальному середовищах або в вакуумі. Виняток – безкисневі з'єднання, що містять кремній. На поверхні виробів з такої кераміки утворюється шар SiО2, який захищає виріб від подальшого окислення. Швидкість випаровування у вакуумі (леткість) безкисневих сполук зростає в наступному порядку: карбіди, бориди, силіциди, нітриди. У порівнянні з металами і сплавами безкиснева кераміка (карбіди, бориди) в меншій мірі знеміцнюються при високих температурах. Карбід титана застосовується для виготовлення жароміцних деталей у реактивній і атомній техніці.

Бориди мають високу твердість, температуру плавлення, термостійкість і більш високу температуру окислювання в порівнянні з карбідами і нітридами. Діборид цирконію, легований дісиліцидом молібдену (10 % мас.) застосовують для виготовлення деталей двигунів. Така кераміка має високу стійкість до теплового удару (термостійкість), що пов'язано з її низьким коефіцієнтом теплового розширення.

Кераміки на основі нітриду бора, нітриду кремнію, що леговані 5-10 % оксиду ітрію, застосовують також у двигунобудуванні.

Найважливішою властивістю силіцидів, як і інших кремніймістких безкисневих керамік, є їх окалиностійкість, що дозволяє застосовувати їх до температур 1300-1700°С без захисту від окислення. Характерні властивості безкисневої кераміки наведено в додатку Д (табл. Д.2)

На основі двох типів кераміки - оксидної (Al2O3) і безкисневої (Si3N) синтезований матеріал "Сиалон". Отримані вироби в три рази легше і у 10 разів дешевше, ніж вироби із жароміцних сплавів.

52

Матеріал "Сіалон" є перспективним для теплонавантажених деталей двигунів внутрішнього згоряння і газотурбінних установок.

Технологія одержання конструкційної кераміки Технологія виробництва конструкційної кераміки починається з

виготовлення порошкових матеріалів. Для цього застосовуються механічні, фізико-хімічні та плазмохімічні методи.

При виробництві конструкційної кераміки застосовуються в основному, наступні технології: спікання, реакційного спікання і гарячого пресування.

Реакційне спікання уявляє собою сполучення процесів утворення хімічної сполуки з порошків (наприклад, у системі Si-C чи Si-N) і спікання. Цей метод дозволяє одержати вироби складної форми, однак недостатньої щільності (тобто зі значною залишковою пористістю). У результаті міцність отриманого матеріалу невисока.

Для одержання міцних виробів з високою густиною використовують технологію гарячого пресування порошків у графітових прес-формах. Проте в такий спосіб одержують заготовки і вироби тільки простої форми.

Технологія спікання забезпечує одержання керамічних матеріалів із щільністю 93-95 % від теоретичної. При цьому властивості не досягають максимально можливих значень.

Останнім часом одержала поширення технологія гарячого ізостатичного пресування, застосування якої приводить до значного підвищення фізико-механічних характеристик керамічних матеріалів, усунення внутрішніх дефектів і гомогенізації їх структури.

У таблиці 7.1 наведено механічні властивості конструкційної кераміки, отриманої за різними технологіями.

Застосування конструкційної кераміки Основною галуззю застосування конструкційної кераміки є

газотурбінні двигуни і двигуни внутрішнього згоряння. Застосування кераміки дозволяє збільшити їх к.к.д. на 40-50 % в наслідок підвищення робочої температури, спрощення системи примусового охолодження і зниження втрат на тертя. У ряді країн передбачається створення автомобільних, тракторних, авіаційних і суднових двигунів з використанням теплонавантажених деталей, що виготовляються з керамічних матеріалів.

53

Таблиця 7.1 – Властивості конструкційної кераміки Міцність, МПа

Кераміка Спосіб

отримання Густина

×10-3 , кг/м3 При згині При

розтягнені

Модуль пружності, ГПа

Si3N4 3,25 1000 590 310 SiC 3,2 750 420

Al 2O3 3,95 470 400 ZrO2

Гаряче пресування

5,95 1800 210 Si3N4 3,15 750 310 SiC 3,15 440 300 410

Al 2O3 3,7 470 330 ZrO2

Спікання

5,5 900 410 200 Si3N4 2,65 250 140 170 SiC

Реакційне спікання 3,1 325 130 430

У таблиці 7.2 наведено призначення конструкційної кераміки. Практично усі види конструкційної кераміки мають високу

стійкість у кислотах і лугах (таблиця 7.3), розплавах металів і можуть використовуватися для виготовлення деталей, що працюють у цих середовищах.

З кераміки виготовляють жароміцні інструменти, сопла, пальники, циліндри. Такі властивості кераміки, як висока жароміцність, стійкість до радіації робить її перспективною для виготовлення деталей охолоджувачів газів на багатоцільових атомних реакторах та установках ядерного синтезу.

На відміну від дорогих жароміцних сплавів, до складу яких входять дефіцитні елементи, такі як Ni, Cr, Co, W, Mo, вихідна сировина для виготовлення кераміки (Si, N2 , C) є доступною і дешевою. Головною перешкодою для широкого застосування кераміки як конструкційного матеріалу є її крихкість. Для кераміки на відміну від металів характерна висока чутливість до концентраторів напружень. В даний час відсутня єдина методика, що дозволяє вірогідно прогнозувати руйнування кераміки в умовах експлуатації, що також ускладнює впровадження керамічних деталей.

54

Таблиця 7.2 – Застосування конструкційної кераміки Конструкція Деталь Кераміка Спосіб отримання

Камера згоряння, вал

SiC Активоване спікання, реакційне спікання

Лопатки статора Si3N4 Реакційне спікання

Робочі лопатки Si3N4, SiC Спікання, спікання під

тиском, гаряче ізостатичне пресування

Сопловий апарат Спікання,

Газотурбінні двигуни

Теплообмінник Si3N4 Реакційне спікання Гільза циліндра, поршень, дно поршня

Si3N4 Спікання, спікання під тиском, гаряче ізо-статичне пресування

Сідла клапанів Si3N4 Спікання, спікання під

тиском

Насадка на штовхач, кулачки

Si3N4 , Al 2O3, ZO2

Спікання під тиском, гаряче ізостатичне

пресування

Двигуни внутрішнього згоряння

Ротор турбонаддува, камера згоряння

Si3N4 Реакційне спікання

Енергетичні установки

Теплообмінник, обшивка топок

SiC Спікання

Верстати Підшипники

кочення і ковзання Si3N4 , ZrO2

Гаряче пресування, гаряче ізостатичне пресування

Гідравлічні насоси

Клапани, кільця ущільнення

Al 2O3, Si3N4 , SiC

Спікання, гаряче пресування

Атомні реактори Теплообмінники Si3N4 , SiC Спікання

Таблиця 7.3 – Корозійна стійкість деяких керамічних матеріалів (час випробування 100-300 годин)

Втрата маси, мг/(см2⋅год.) Корозійне середовище

Концентрація, %

Температура, °С SiC, спікання

SiC, реакційне спікання

Al 2O3 , спікання

H2SO4 98 100 1,8 55,0 65,0 NaOH 50 100 2,5 1000 75,0

HF 53 25 0,2 7,9 20,0 HNO3 70 100 0,2 0,5 7,0 KOH 45 100 0,2 1000 6,0 HCl 25 70 0,2 0,9 72

55

Композиційні матеріали на основі кераміки Більш високі характеристики надійності порівняно з керамікою

мають композиційні матеріали з керамічною матрицею (ККМ). У таких матеріалах у керамічну матрицю вводиться другий пластичний компонент, за рахунок чого істотно зростає в'язкість матеріалу.

За структурною ознакою ККМ підрозділяють на три основні групи – дисперсні, армовані волокнами та шаруваті.

Дисперсні ККМ складаються з матриці і частинок наповнювача, рівномірно розподіленого в її об’ємі.

Механізм поліпшення фізико-механічних властивостей цих матеріалів пов'язаний з гальмуванням і розгалуженням тріщин при зустрічі їх з мікровключеннями другої фази. Як другу фазу, що зміцнює, використовують карбіди і нітриди.

Введення дисперсних карбідів приводить до підвищення міцності матеріалу в середньому на 20 %, а в'язкість руйнування зростає вдвічі. Основні механічні властивості ККМ різного типу приведено в таблиці 7.4.

Таблиця 7.4 – Механічні властивості керамічних композиційних

матеріалів

Матриця Домішка, що зміцнює

Вид арматури

Метод виготовлення

Границя міцності, МПа

К1С , МПа⋅м1/2

Si3N4 TiN Дисперсні включення ГП 700-900 7-8

Si3N4 SiC Дисперсні включення РС 200-250 4-4,5

Al 2O3 SiC Волокно ГП 250-300 4-10,5

Al 2O3 ZrO2 Дисперсні включення ГП

1000-1200 10-15

Al 2O3 SiC Вуси ГП - 12 Примітка: ГП – гаряче пресування; РС – реакційне спікання

В армованих ККМ волокнистоподібний наповнювач може бути

розташований довільно або орієнтовано. Як наповнювач застосовують волокна металів і сплавів, сітки на основі вуглецевих або неіржавіючих сталей. Високоміцні матеріали армують дротом з титана, берилію, вольфраму, молібдену. У ККМ також як наповнювач

56

застосовують волокна бору, карбіду кремнію, вуглецеві волокна, ниткоподібні кристали на основі Al2O3, Si, Al, Ti2N.

Шаруваті ККМ містять компоненти, розташовані у вигляді шарів різного складу. Наповнювачем таких матеріалів часто служить металева фольга.

Перспективними ККМ є евтектичні метал-оксидні системи. Армовані ККМ мають більш високі характеристики міцності й

інший механізм руйнування в порівнянні з дисперсними ККМ (табл. 7.4). Перешкодою для росту тріщин служать численні поверхні розподілу матриця – наповнювач. Процес руйнування армованого ККМ складається з стадій руйнування матриці, волокон і витягування волокон. Розташування волокон визначає розподіл напружень в композиті і напрямок розвитку тріщин у матриці.

ККМ одержують методами гарячого пресування (ГП), реакційного спікання (РС).

ККМ є перспективними для застосування в машинобудуванні. Дисперсні ККМ уже досить широко застосовуються для

виготовлення деталей фрикційного й антифрикційного призначення, штампів, матриць. З корозійностійких ККМ виготовляють підшипники, деталі насосів для перекачування агресивних середовищ, клапани нафтових шпар.

При введенні 30 об'ємних відсотків вусів SiС у Al2O3 було досягнуте підвищення границі міцності в три рази, а в'язкість руйнування збільшилася вдвічі. Властивості міцності були стабільними до 1200°С. Цей ККМ має високий опір повзучості і добру термостійкість.



1 Основні компоненти і фазовий склад кераміки. 2 Склад, структура і властивості кераміки на основі чистих

оксидів. 3 Склад, структура і властивості безкисневої кераміки. 4 Технологія отримання керамічних виробів. 5 Керамічні армовані матеріали. 6 Композиційні матеріали на основі тугоплавких оксидів

(оксиду алюмінію, диоксида цирконія, сілікатніх матриць).

57

7 Композиційні матеріали на основі безкисневих матриць (нітрида кремнія, карбіда кремнія).

7.3 Контрольні питання

1 Що уявляє собою технічна кераміка, її різновиди? 2 Яку кераміку називають конструкційною? 3 Яким чином склад кераміки впливає на її кислото- і

лугостійкість? 4 Назвіть компоненти, які входять до складу кисневої і

безкисневої кераміки. Що є сировиною для виготовлення керамічних деталей?

5 Порівняйте переваги та недоліки оксидної і безкисневої кераміки.

6 Охарактеризуйте композиційні керамічні матеріали за структурною ознакою.

7 Опишіть типи наповнювачів, які застосовуються в композиційних керамічних матеріалах, і їх вплив на властивості останніх.

8 Порівняйте вплив різних типів технологій отримання деталей із композиційних керамічних матеріалів (реакційне спікання, гаряче пресування, ізостатичне пресування) на їх властивості.

9 Які існують способи зниження крихкості керамічних композиційних матеріалів.

10 Наведіть приклади доцільності виготовлення деталей із кераміки та керамічних композиційних матеріалів.

7.4 Матеріали і устаткування

Набір зразків і деталей з кераміки і композиційних матеріалів на керамічній основі, машина для проведення випробувань зразків на згин.

7.5 Вказівки з техніки безпеки.

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкцією із ТБ (додаток А).

7.6 Порядок виконання лабораторної роботи

Ознайомитися зі зразками і деталями з кераміки та композиційних матеріалів з керамічною матрицею.

58

Вивчити структуру зразків із ККМ. Провести випробування на згин керамічних зразків з різною пористістю. Результати занести в табл. 7.5.

Таблиця 7.5 – Вплив пористості на механічні властивості конструкційної кераміки Густина, γ 10-3 , кг/м3 2,1 2,4 2,7 3,1 3,3

σзг , МПа

7.7 Порядок оформлення звіту Мета роботи, загальні відомості. Описати технологію

виготовлення вивчених зразків і деталей, їх структуру і властивості. Побудувати графік залежності міцності кераміки від її густини. З застосуванням цих результатів пояснити вплив пористості на міцність кераміки. Вказати способи зниження пористості кераміки. Зробити висновки щодо вивчених властивостей керамічних матеріалів.


[1, С 462 – 474; 2, С. 62–63]

59

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8 Дослідження структури і властивостей

неорганічного скла та ситалів Мета роботи: провести порівняльні дослідження структури та

властивостей неорганічного скла і ситалів; набути досвіду у виборі матеріалів у відповідності з вимогами сучасної техніки


8.1.1 Неорганічне скло Неорганічне скло варто розглядати як особливого виду

затвердівший розчин – складний розплав високої в’язкості кислотних і лужних оксидів.

Склоподібний стан є різновидом аморфного стану речовини. При переході скла з розплавленого рідкого стану у тверде аморфне в процесі швидкого охолодження й наростання в’язкості неупорядкована структура, яка властива рідкому стану, зберігається (нібито «заморожується»). У зв’язку з цим неорганічне скло характеризується невпорядкованою й неоднорідною внутрішньою будовою.

Структурний каркас скла уявляє собою неправильну просторову сітку, утворену кремнієкисневими тетраедрами [SiO4]4-. При частковому ізоморфному заміщенні кремнію в тетраедрах, наприклад алюмінієм або бором, утворюється структурна сітка алюмосилікатного [SiхAlO4]2- або боросилікатного [SiхВO4]2- скла. В даному матеріалі можуть міститись іони лужних (Na, K) і лужноземельних (Са, Мg, Ва) металів, які називають модифікаторами. У структурній сітці скла вони розташовуються в проміжках тетраедричних угрупувань. Введення Nа2O або інших модифікаторів розриває міцні зв’язки Si-O-Si і знижує міцність, термо- і хімічну стійкість скла, але полегшує технологію його виробництва. Більшість видів скла має пухку структуру із внутрішньою неоднорідністю й поверхневими дефектами. Таким чином до складу неорганічного скла входять оксиди (кремнію, бору, фосфору) що утворюють структурну сітку й оксиди, що модифікують матеріал (натрію, калію, літію, кальцію, магнію, барію) які змінюють фізико-хімічні властивості скломаси. Крім

60

того, до складу скла вводять оксиди алюмінію, заліза, свинцю, титану, берилію й ін., які самостійно не утворюють структурну сітку, але можуть частково заміщувати оксиди які утворюють структурну сітку й тим самим надавати склу потрібні технічні характеристики. У зв’язку із цим промислові види скла це складні багатокомпонентні системи.

При нагріванні скло плавиться в деякому температурному інтервалі, що залежить від його хімічного складу. Для промислового силікатного скла температура склування становить 425...600 °С, температура розм’якшення лежить у межах 600...800 °С. В інтервалі температур між температурою склування і температурою розмягчення скло перебуває у високов’язкому пластичному стані. При температурі вище 1000 °С в’язкість скла знижується, що дозволяє проводити усі технологічні процеси переробки скломаси у вироби. Властивості скла, як і всіх аморфних тіл, ізотропні. Густина скла коливається від 2200 до 6500 кг/м3. Для скла з оксидами свинцю або барію вона може досягати 8000 кг/м3.

Механічні властивості скла характеризуються високим опором стисненню (500...2000 МПа), низькою границею міцності при розтягненні (30...90 МПа) і згині (50...150 МПа). Модуль пружності скла високий (45...100 ГПа), коефіцієнт Пуассона µ=0,18...0,26. Твердість скла, як і інших неорганічних матеріалів, часто визначається наближеним методом дряпання по мінералогічній шкалі Мооса й дорівнює 5-7 одиницям (за 10 одиниць прийнята твердість алмаза, за одну одиницю – тальку). Ударна в’язкість скла низька (1,5...2,5 кДж/м2), тобто воно крихке.

Найважливішими специфічними властивостями скла є його оптичні властивості: світлопрозорість, відбиття, розсіювання, поглинання й переломлення світла. Звичайне незабарвлене листове скло пропускає до 90 %, відбиває приблизно 8 % і поглинає близько 1 % видимого й частково інфрачервоного світла. Ультрафіолетове випромінювання поглинається майже повністю. Кварцове скло є прозорим для ультрафіолетового випромінювання. Коефіцієнт переломлення скла змінюється в межах від 1,47 до 1,96. Коефіцієнт розсіювання (дисперсії) перебуває в інтервалі 20...71. Скло, що містить PbO, поглинає рентгенівське випромінювання.

Термостійкість скла характеризує його довговічність в умовах різких змін температури. Вона визначається максимальною

61

температурою, при різкому охолодженні у воді (що має температуру 0°С) від якої скло не руйнується. Термостійкість скла розраховують за формулою Г. М. Бартенєва:

( )Е

КТзг

αµσ −=∆ 1

(8.1)

де ∆Т – різниця температур, °С; К — коефіцієнт (при

охолодженні всього виробу К = 1); зг

σ – границя міцності при згині;

µ – коефіцієнт Пуассона; α — температурний коефіцієнт лінійного розширення; Е — модуль пружності.

Коефіцієнт лінійного розширення (α) скла змінюється від 5,6⋅10-7 К-1 (кварцеве) до 90⋅10-7 К-1 (будівельне), коефіцієнт теплопровідності складає 0,7...15 Вт/(м⋅К). Для більшості видів скла термостійкість коливається від 90 до 170 °С, а для кварцового скла вона досягає 800...1000 °С. Механічна міцність і термостійкість скла можуть бути підвищені гартуванням та термохімічним зміцненням.

Гартування полягає в нагріванні скла до температури вище температури скловання і наступному швидкому й рівномірному охолодженні в потоці повітря або в маслі. При цьому опір статичним навантаженням збільшується в 3-6 разів, ударна в’язкість в 5-7 разів. При гартуванні підвищується також термостійкість скла. Це можна пояснити тим, що при гартуванні поверхневий шар охолоджується швидше серцевини і тому втрачає здатність скорочуватись або подовжуватись внаслідок в’язкого плину. Коли відновлюється однорідний розподіл температур, поверхневий шар, що став занадто довгим, піддається стисканню, при чому напруження становлять біля 200 МПа.

При високотемпературному термохімічному зміцненні поверхневий шар формується іонним обміном з гартувальним середовищем, коефіцієнт лінійного розширення якого менший ніж у скла. Внаслідок цього при охолодженні до кімнатної температури поверхневий шар скорочується менше ніж серцевина. В результаті в ньому виникають напруження стиснення порядку 500 МПа.

При низькотемпературному термохімічному зміцненні також відбувається іонний обмін, але в цьому випадку іони, що переходять

62

у скло мають більший розмір, що і приводить до утворення на поверхні напружень стиснення.

При гартуванні у підігрітих кремнійорганічних рідинах, на поверхні матеріалу утворюються полімерні плівки; цим створюється додаткове порівняно із звичайним гартуванням зміцнення. Хімічне зміцнення дещо дорожче, але воно дозволяє створювати на поверхні вищі напруження стиснення і обробляти вироби меншої товщини.

Підвищення міцності й термостійкості можна досягти травленням загартованого скла плавиковою кислотою у результаті чого видаляються поверхневі дефекти, що знижують його якість.

Силікатні триплекси уявляють собою два листа загартованого скла (товщиною 2...3 мм), що склеєні прозорою еластичною полімерною плівкою. При руйнуванні триплекса негострі осколки, що утворюються, утримуються на полімерній плівці. Триплекси бувають плоскими й гнутими.

Термоплан – тришарове скло складається з двох листів скла і повітряного проміжку між ними. Цей повітряний прошарок забезпечує теплоізоляцію.

Застосування технічних видів скла. Для засклення транспортних засобів використовують переважно триплекси, термоплан і загартоване скло.

Оптичні види скла, які застосовуються у оптичних приладах і інструментах, підрозділяють на крони, що відрізняються малим коефіцієнтом переломлення, і флінти – з високим вмістом оксиду свинцю й з більшим значенням коефіцієнта переломлення. Важкі флінти не пропускають рентгенівське й γ – випромінювання. Скло, що розсіює світло, містить фтор.

Засклення кабін пультів керування мартенівськими і дуговими печами, прокатних станів і підйомних кранів у ливарних цехах, здійснюється склом, що містять оксиди заліза й ванадію. Ці види скла поглинають близько 70 % інфрачервоного випромінювання в інтервалі довжин хвиль 0,7...3 мкм і тим самим захищають робітників.

Кварцове скло внаслідок високої термічної й хімічної стійкості застосовують для виготовлення тиглів, труб, лабораторного посуду. Близьке за властивостями до кварцового скла, але більш технологічне кварцоїдне (кремнеземне) скло, використовують для електроколб, форм для точного лиття й ін.

63

Теплозвукоізоляційні скловолокнисті матеріали мають пухку волокнисту структуру з великою кількістю повітряних прошарків, волокна в них розташовуються не упорядковано. Така структура надає цим матеріалам малу об’ ємну масу (20...130 кг/м3), низьку теплопровідність (λ = 0,030...0,0488 Вт/(м⋅К)).

Різновидом скловолокнистих матеріалів є скловата, застосування якої обмежене її крихкістю. АСИМ, АТИМС, АТМ-3, це матеріали що складаються зі скляних волокон, розташованих між двома шарами склотканини або склосітки, прошитої склонитками. Їх застосовують в інтервалі температур від – 60 до + 600 °С. Іноді скловолокна склеюють термореактивною смолою, що надає таким матам більш стійкої пухкої структури (матеріал АТИМСС), які можуть працювати при температурі до 150 °С. Матеріали, що виробляють з короткого волокна й синтетичних смол, у виді плит мають коефіцієнт звукопоглинання при частоті 200...800 Гц дорівнює 0,5; а при частоті 8000 Гц – 0,65.

Скловату, мати, плити застосовують для теплозвукоізоляції кабін літаків, салонів автомашин, залізничних вагонів, тепловозів, електровозів, у холодильній техніці, ними ізолюють різні трубопроводи, автоклави й ін.

8.1.2 Ситали (склокристалічні матеріали) Ситали одержують на основі неорганічного скла при їх повній

або частково керованій кристалізації. Термін «ситали» утворений від слів: скло й кристали. За кордоном їх називають склокерамікою або пірокерамами. За структурою й технологією одержання ситали займають проміжне місце між звичайним склом і керамікою. Від неорганічного скла вони відрізняються кристалічною будовою, а від керамічних матеріалів - більше дрібнозернистою й однорідною мікрокристалічною структурою.

Ситали одержують плавленням скляної шихти спеціального складу з добавкою нуклеаторів (каталізаторів), охолодження розплаву до пластичного стану, формування з нього виробів й наступної кристалізації (ситалізації). Ситалові вироби одержують також методами порошкової металургії.

Для одержання ситалів до шихти крім оксидів входять і каталізатори кристалізації (нуклеатори). До числа останніх відносяться солі світлочутливих металів Аu, Аg, Сu, які є

64

колоїдними барвниками, що перебувають у склі у виді дрібних колоїдно-дисперсних частинок, а також фтористі, фосфатні сполуки, ТiО2 і ін, що розподіляються в склі у вигляді погано розчинних частинок. Нуклеатори мають кристалічну гратку, подібну кристалічній гратці фаз, що формується у склі, і здатні в певних умовах утворювати центри кристалізації та приводять до рівномірної кристалізації всієї маси скла.

Структура ситалів багатофазна, складається із зерен однієї або декількох кристалічних фаз, скріплених між собою склоподібним прошарком. Вміст кристалічної фази коливається від 30 до 95 %. Розмір кристалів звичайно не перевищує 1...2 мкм. Ситали можуть бути непрозорими й прозорими.

На відміну від звичайного скла, властивості якого визначаються в основному його хімічним складом, для ситалів вирішальне значення мають структура і фазовий склад. Причина високих властивостей ситалів полягає в їх винятковій дрібнозернистості та майже ідеальній полікристалічній структурі. Властивості ситалів ізотропні. У них відсутня пористість. Усадка матеріалу при його переробці незначна. Висока абразивна стійкість робить їх малочутливими до поверхневих дефектів.

Густина ситалів лежить у межах 2400…2950 кг/м3, міцність при згині σзг = 70…350 МПа (і навіть 560 МПа), σв = 112...161 МПа, σст. = 700…2000 МПа, модуль пружності 84...141 ГПа. Міцність ситала залежить від температури. До температур 700-780 °С міцність матеріалу зменшується малопомітно, а при більше високих температурах швидко. Максимальна температура розм'якшення становить 1250…1350 °С. Ударна в'язкість ситалів вище, ніж ударна в'язкість скла (4,5…10,5 кДж/м2), однак вони відносяться до крихких матеріалів. Твердість їх наближається до твердості загартованої сталі (мікротвердість 7000-10500 МПа). Вони досить зносостійкі. Коефіцієнт тертя складає 0,07…0,19. Коефіцієнт лінійного розширення лежить у межах (7…300) 10-7 К-1. За теплопровідністю ситали, внаслідок підвищеної щільності, перевершують скло (λ = 2...7Вт/(м⋅К)). Термостійкість висока (500...900 °С). Склокристалічні матеріали мають високу хімічну стійкість до кислот і лугів, не окислюються навіть при високих

65

температурах. Вони газонепроникні й мають нульове водопоглинення. Гарні діелектрики.

Застосування ситалів визначається їхніми властивостями. Із ситалів виготовляють підшипники, деталі для двигунів внутрішнього згоряння, труби для хімічної промисловості, оболонки вакуумних електронних приладів, деталі радіоелектроніки. Ситали використовують як жаростійкі покриття для захисту металів від дії високих температур. Їх застосовують у виробництві текстильних машин, абразивів для шліфування. З ситалів виготовляють лопатки повітряних компресорів, сопла реактивних двигунів, точні калібри і станини металорізальних верстатів.



1 Основні компоненти і фазовий склад скла та ситалів. 2 Структура та властивості скла і ситалів. 3 Термообробка та хімічна обробка скла. 4 Застосування скла і ситалів.

8.3 Контрольні питання 1 Що уявляє собою скло, його різновиди? 2 Як залежать властивості скла від температури? 3 Пояснити чому більш високі механічні характеристики має

скло безлужне і кварцове? 4 Якими методами підвищують властивості скла? 5 Від яких чинників залежить коефіцієнт лінійного розширення

скла. Як він впливає на термостійкість. 6 Які чинники визначають термостійкість скла? 7 У який спосіб оцінюють термостійкість скла? 8 Охарактеризуйте молібденове скло.

8.4 Матеріали і устаткування Набір зразків і деталей з скла та ситалів. Машина для

проведення випробувань зразків на згин.

66


інструкцією із ТБ (додаток А) .

8.6 Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися зі зразками і деталями з скла та ситалів. Провести випробування на згин зразків з даних типів

матеріалів. Провести статистичне опрацювання отриманих результатів.


Мета роботи, загальні відомості. Описати технологію виготовлення вивчених зразків і деталей, їх структуру і властивості. Порівняти властивості скла та ситалів. З застосуванням відомостей про структуру даних матеріалів пояснити отримані результати. Зробити висновки щодо вивчених властивостей даних матеріалів.


[1, С. 508 – 514]

67

ЛІТЕРАТУРА 1 Лахтин Ю.М., Материаловедение [Текст]: Учебник для

высших технических учебных заведений / Ю.М Лахтин, В.П. Леонтьева. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 524 с.

2 Черниш І.Г. Неметалеві матеріали [Текст] Навчальний посібник / І.Г Черниш, П.І. Лобода, С.І. Черниш; за редакцією І.Г. Черниша; К.: Кондор, 2008. – 406 c.

3 Волчков С.С. Сварка пластических масс [Текст] / С.С. Волчков, Б.Я.; Черняк; М.:Химия, 1987. – 148 c.

4 Пилиповский Т.В. Композиционные материалы в машиностроении. [Текст] / Т.В. Пилиповский, Т.В. Грудина, А.Б. Сапожникова - Киев: Техніка, 1990.- 141 с.

5 Григорьев Г.П. Полимерные материалы. [Текст] / Г.П. Григорьев, Г.Я. Ляндаберг, А.Г. Сирота – М.: Высшая школа, 1966. - 250 с.

6 Термопласты конструкционного назначения [Текст] / Под ред. Е.В. Тростянской. - М.: Химия, 1975. - 240 с.

7 Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов [Текст] / Под ред. А.Л. Абибова. - М.: Машиностроение, 1972. - 192 с.

8 Булатов Г.А., Полиуретаны в современной технике [Текст] Г.А. Булатов – М.: Машиностроение, 1983. - 272 с.

9 Горяинова А.В., Фторопласты в машиностроении. [Текст] / А.В. Гор6 яинова, Г.К. Божков, М.С. Тихонова – М.: Машиностроение. 1971. - 233 с.

10 Тонкая техническая керамика. [Текст] / Под ред. Янагида Х. Япония, 1982: Пер. с японского. - М.: Металлургия, 1986. - 279 с.

11 Углеродные волокна и углекомпозиты: [Текст] / Пер. с англ. Под ред. Э. Фитцера. - М.: Світ, 1988. – 366 с.

12 Пинчук Л.С., Материаловедение и композиционные материалы [Текст] / Л.С. Пинчук, В.А. Струк, Н.К. Мишкин – М.: Высшая школа, 1989.- 461 с.

68

Додаток А Правила із техніки безпеки при виконанні

лабораторних робіт 1 Роботу починають виконувати тільки з дозволу викладача. 2 До роботи з обладнанням допускаються особи, які вивчили

конструктивні особливості та технічний опис конкретної випробувальної машини, а також пройшли перевірку знань електричної техніки безпеки.

3 На обладнанні механічної лабораторії можуть працювати особи, які пройшли інструктаж з техніки безпеки та мають допуск на право виконання робіт на обладнанні лабораторії.

Вимоги безпеки перед початком роботи

1 Вивчити інструкцію з виконуємої роботи. 2 Перевірити наявність необхідних приладів та інструментів. 3 Доповісти викладачеві про можливість виконання роботи. 4 Студенти не повинні приступати до роботи, доки не одержать

інструктаж з техніки безпеки. 5 Робота біля електроприладів повинна виконуватись з

використанням ізоляційних засобів (діелектричні килимки, ізоляційні підставки).

6 Перевірити справність приладів та обладнання печі, підготувати до роботи інструмент, вантажнозахватні пристрої та впевнитись в їх справності.

7 Завантаження та розвантаження виробів виконувати за допомогою спеціального захватного знаряддя.

8 Якщо встановлена несправність печі, необхідно повідомити викладача.

9 Проведення ремонту обладнання самостійно студентами забороняється.

Вимоги безпеки під час виконання роботи

1 Забороняється студентам вмикати та вимикати електричні прилади та електропечі без дозволу керівника лабораторних робіт.

2 Усякі ремонти, налагодження електрообладнання необхідно виконувати електромонтеру, що обслуговує лабораторію.

69

3 Забороняється працювати в лабораторії на самоті. Обов’язкова присутність керівника лабораторних робіт. Вмикання, зміна режимів роботи установки, проведення замірів та вимикання установки для запобігання несправностей, необхідно виконувати тільки з дозволу викладача в суворій відповідності з положенням, наведеному у технічному описанні.

4 Особам, які не закріплені за даною установкою, виконувати будь-які ремонтні роботи забороняється.

Вимоги безпеки в термічній та препараторських лабораторіях 1 Вмикання та вимикання електричного обладнання повинно

здійснюватись тільки з дозволу викладача, який проводить заняття. 2 При виявленні несправності усіх видів слід негайно

припинити роботу. 3 Забороняється ремонтувати обладнання студентам та особам,

які не мають кваліфікаційної групи по ТБ. 4 Завантаження та розвантаження печей дозволяється тільки у

вимкненому стані. 5 Працювати при несправному заземленні і без діелектричного

килимка забороняється.

Вимоги безпеки після закінчення роботи 1. Після проведення випробувань в механічній лабораторії

необхідно: відключити усі секції установок від електропостачання та вимкнути прилади.

2. В термічній та препараторських лабораторіях після закінчення робіт необхідно вимкнути печі, вимкнути вентиляцію, рубильник електропостачання, прибрати робочі місця

Вимоги безпеки в аварійних ситуаціях

При пожежі чи загорянні необхідно: 1 Викликати пожежну частину за телефоном 101. 2 Вимкнути електромережу, вентиляцію, обладнання. 3 Сповістити керівника лабораторії і викладача. 4 Негайно покинути приміщення лабораторії.

49

Додаток Б Основні характеристики термопластів та реактопластів

Таблиця Б.1 – Фазовий склад, переваги, недоліки і призначення конструкційних термопластів

Назва термопласта

Фізико-хімічні характеристики

Основні властивості Недоліки Призначення

1 2 3 4 5

Поліетилен високого

тиску (ПЕВТ)

(-СН2-СН2-)n Ступень кристалічності 55...65 %, густина (0,913...0,929)×103

кг/м3

Нерозчинний у воді, ацетоні, спирті, хімічностійкий, морозостійкий до

мінус 70 °С

Схильний до старіння

Несилові деталі, деталі хімічної апаратури

Поліетилен низького

тиску (ПЕНТ)

(-СН2-СН2-)n Ступень кристалічності 74...95%,

густина (0,949...0,953)×103 кг/м3

Має більш високі показники міцності та теплостійкості ніж

ПЕВТ

Конструкційні деталі насосів,

труби

Поліпропілен (-СН2-СНСН3-)n густина

0,90...0,91×103 кг/м3

Порівняно з поліетиленом має більш високі показники, міцності та

теплостійкості (до 150°С). Не розчиняється у воді, у органічних

розчинниках, стійкий до дії киплячої

води і лугів

Низькі термостійкість, світлостійкість, морозостійкість (до мінус 20 °С)

Конструкційні деталі автомобілів, корпуси насосів,

труби

Полістірол

(-СН2-СНС6Н5-)n аморфний полімер,

густина 1,05...1,08×103 кг/м3

Стійкий у лугах і кислотах (в тому числі і плавиковій), із розглянутих полімерів найбільш стійкий до дії

іонізаційних випромінювань

Схильний до утворення

тріщин, невисокі міцність і

теплостійкість

Ручки , корпуси, ємності для хімікатів

70

50

Продовження таблиці Б.1 1 2 3 4 5

АБС-пластики

Сополімери полістірола Відрізняються високою міцністю та

світлотеплостабільністю

Деталі автомобілів, човнів, труби

Поліаміди (капрон,

нейлон, амід)

До складу макромолекул входять (-NH-CO-) (-СН2-), Може кристалізуватись, густина 1,13...1,14×103

кг/м3

Має низький коефіцієнт тертя (f < 0,05), тривалий час може працювати на стирання, удароміцний, здатний поглинати вібрації, стійкий до лугів

Схильний до водопоглинання і

старіння

Шестерні, втулки, підшипники, болти, гайки,

шківи

Поліуретан (-NH-COO-), густина

1,1×103 кг/м3

Має високу гнучкість, еластичність, атмосферостійкість, морозостійкість

(до мінус 70 °С)

Невисока стійкість до термічної і

термоокислюваль

ної деструкції

Волокна, плівки, герметики

Фторопласт-4 (політе-трафтор-етилен)

(-CF2-CF2-)n аморфно-полікристалічний полімер, густина 2,0...2,20 ×103

кг/м3

Висока хімічна стійкість в кислотах, лугах, окислювачах, високі антифрикційні властивості

Холодотекучий Труби, прокладки,

мембрани, манжети

Органічне скло

(поліметілметакрилат)

Аморфний полімер, густина 2,10...2,30 ×103

кг/м3

Стійкий до дії кислот, лугів, вуглеводних палив та мастильних

матеріалів

Невисока твердість

Кришки, резервуари, труби, деталі арматури

7

1

51

Продовження таблиці Б.1 1 2 3 4 5

Поліхлорвініл (ПВХ)

(-CH2 -CHCl-)n аморфний полімер, густина 1,43 × 103

кг/м3

Хімічно стійкий, не підтримує горіння, атмосферостійкий

Низька тривала міцність, великий

коефіцієнт термічного розширення, крихкий при низьких

температурах

Труби, теплообмінники,

деталі вентиляційних установок

Поліфор-мальдегід

(-CH2 -О-)n Ступінь кристалічності 75 %, густина 1,40...1,42 ×103

кг/м3

Має високу твердість, жорсткість, пружність. Стійкий в мінеральних

маслах і бензині

Шестерні, підшипники,

клапани, деталі автомобілів

7

2

52

Таблиця Б.2 – Механічні властивості конструкційних термопластів

Термопласт σв , МПа δ, %

Ударна в’язкість ак ,

кДж/м2 (ГОСТ 4647-80)

tmax експлуатації, °С (без навантаження)

Поліетилен (ПЕВТ) 10...18 300...1000 не зруйнувався 105 Поліетилен (ПЕНТ) 18...32 100...600 не зруйнувався 120

Поліпропілен 26...38 700...800 33-80 150 Полістірол 40...60 3...4 10-22 90

АБС (Ацетобутиратотирол) 30...35 15-30 8...40 75...85 Капрон (поліамід) 75...85 50-130 8...125 80...100

Капрон + 30 % волокон 100...125 3 12 100...130 Фторопласт-4 20...40 250-500 100 250

Поліметілметакрилат (органічне скло)

63...100 2,5 - 20 8...18 60

Поліхлорвініл (жорсткий) 50...65 20-50 70...80 65...85 Полівінілхлорид

(пластифікований) 10...40 50-350 не зруйнувався 50...55

7

3

53

Таблиця Б.3 – Фізико-механічні властивості термореактивних пластмас Границя міцності, МПа

Назва пластмаси

ρ, кг/м3,

103

tmax експлу-атації,

°С

при розтяг-ненні

при стискан-

ні

при згинан-

ні

δ, % Ударна в′язкість, кДж/м2

Е, МПа НВ, МПа

Порошкові 1,4...1,5 100...110 30 50...150 60 0,3...0,7 4...6 6300...8000

300...400

Волокнит 1,3...1,4 110 30...60 80...150 50...80 1...3 9...10 8500 250...270 Асбоволок-

нит 1,9...2,1 200 - 110 70 4...3 20 18000 300

Скловолок-нит

1,7...1,9 280 80-500 130 120...250 1...3 25...150 - -

Гетинакс 1,3...1,4 150 80...100 160-290 80...100 1...3 12...25 10000 -

Текстоліт 1,4...1,5 125 65...100 120...150 120...160 1...3 30 5000...1000

-

Азботексто-літ

1,6...1,7 190 55 - - - 20...25 20000 185...300

7

4

54

Додаток В Характеристика композиційних матеріалів

Таблиця В.1 – Фізико-механічні властивості волокон

Температура експлуатації, К Назва волокон ρ×10-3, кг/м3 Границя

міцності, МПа

Модуль пружності,

ГПа δ5, %

Температура плавлення, К тривалої короткочасної

Скляні 2,48...2,55 1470...4900 49...123 1,5...5,4 978...1963 623...1073 923...1323 Органічні 1,14...1,48 490...3530 4,5...147 2...18 673* 443...473 1073 Вуглецеві 1,30...1,95 392...3420 196...392 0,5...2 3873** 673...973 1073...1773 Борні 1,20...1,30 980...1270 245...450 3,4...5,3 503 423...453 973

Стальний дріт 7,85...8,10 3420...4450 196...207 0,3...2 1813 723...1073 973...1573 *– температура розпаду; ** – температура сублімації

Таблиця В.2 – Механічні властивості композитів з полімерною матрицею Напруження руйнування,

МПа Матеріали

ρ×10-3, кг/м3

при розтягненні

при зсуві

Модуль пружності при розтяг-ненні, МПа

Модуль зсуву, ГПа

δ при розриві, %

Питома міцність, км

Питома жорсткість,

км

Склопластики 1,6...2,2 343...1764 117...735

5,88...58,8 58,8...289

12,7...68,6 5,9...56,8

1,19...19,6 1,5...2,8 0,5...1,5

15,5...110 268-4287

Вуглепластики 1,3...1,9 784-1666 9,8-44,1

79,4-137,2 117,6-196 9,8-14,7 0,4-1,0 41,2-128 6200-15000

Боропластики 1,6...1,9 582-1372 13,7-24,5 78,4-109,7

176-264 9,8-12,7 0,3-0,7 30,6-85,7 9260-16500

Органопластики 1,2...1,3

5 784...1470

10,5...24,5 96,3...170,5

58,8...76,4 2,4...14,7 2,0...7,0 58...122,5 4370...6330

75

Чисельник – вздовж напрямку армування; знаменник –поперек напрямку армування.

55

Додаток Г Фізико-механічні властивості гум

Видовження, % Температура, °С

Призначення Тип каучуку Густина каучуку

×103 , кг/м3

Границя міцності, МПа відносне

залишко

ве робоча крихкості

натуральний (ізопреновий)

0,91...0,92 24...34 600...800 25...40 80...130 -62...-40

бутадіеновий 0,9...0,92 13...16 500...600 10...45 80...150 бутадієн-стирольний 0,91...0,94 19...32 500...800 12...20 80...130 -77...-48

Загального призначення

синтетичний ізопреновий

0,91...0,92 31,5 600...800 28 130 -58

наірит 1,225 20...26,5 450...500 10...20 130 -34 бутадієн-нітрильний 0,94...0,98 22...33 450...700 15...30 177 -40

Спеціальні бензомасло-

стійкі полісульфідний (тіокол)

1,3...1,4 3,2...4,2 250...550 20...40 60...130 -40

Хімічностійкі бутилкаучук 0,92 16...24 650...800 30...45 130 -70...-30 Тепло-стійкі кремній-органічні 1,7...2,0 35...80 360 4 325 -74 Тепло-хімічно

стійкі фтормістскі 1,8...1,9 7...20 200...400 2...10 325 -40

Зносостійкі поліуретанові 21...60 350...550 2...28 130 -50

7

6

56

Додаток Д Властивості керамічних матеріалів

Таблиця Д.1 – Фізико-механічні властивості оксидних керамічних матеріалів

Розтягнення Стискання Модуль пружності

Кераміка Густина ×10-3 ,

кг/м3

Темпера-тура

плавлення, °С

Температура випробування,

°С



°С



°С

Модуль пружності

, ГПа 20 265 20 3000 490

Al 2O3 3.99 2050 1300 140 1500 50 350 20 148 20 2100 20 172

ZrO2 5.6 2550 1500 130 1500 20 1350 96 20 105 20 800 20 274

BeO 3.0 2570 1200 1500 50 1200 70 20 98.5 20 1400 25 300

MgO 3.6 2680 1300 42 1500 115 1300 220 20 84 20 1500 20 140

ThO2 9.9 3250 1500 49 1500 98 85 117

UO2 10.9 2860 - 25 25 170

77

57

Таблиця Д.2 – Властивості безкисневих керамічних матеріалів

Розтягнення Стискання

Кераміка Густина ×10-3 ,

кг/м3

Температура плавлення, °С


°С

Границя міцності,

МПа


°С

Границя міцності,

МПа

SiC 3,2 2600 (робоча

до 1650) 20 155 20 2250

20 80 20 550 BN 2,34 2350

1000 0,85 - - 900 478 50 1100 MoSi2

(дисиліцид молібдена)

6,24 2030 1100 59,7 1500 50

Сиалон 2,5 1500 25 750 25 2000

7

8

Міністерство освіти і науки України...

Documents