Материалы устойчивы

В современной технологии композиционных материалов все большее место занимают волокнистые материалы, представляющие собой композицию из мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу. Материалы, упрочненные волокнами, характеризуются высокой удельной прочностью, а также могут иметь малую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость и т. п. Для получения композиционных материалов используют различные волокна: проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита и т. п. — в зависимости от требуемых свойств создаваемого материала. Вопросами исследования и создания волокнистых материалов занимается новая, быстроразвивающаяся отрасль порошковой металлургии — металлургия волокна.

179. Холистер Г. С., Томас К. Материалы, упрочненные волокнами.— М. : Металлургия 1969.— 152 с.

Величина производственных затрат и рыночная цена изделия из этого материала зависят от большого числа тесно переплетающихся факторов. Во-первых, стеклопластики обычно более дорогие материалы, чем их конкуренты. Например, типовой стеклопластик на основе полиэфирной смолы, упрочненный стекло-матами из тканой ровницы, стоит около 0,30 долларов за фунт, что значительно выше стоимости дерева, стали или бетона, но дешевле алюминия. Во многих случаях эта более высокая цена за фунт может быть частично компенсирована снижением массы. С другой стороны, высокопрочные композиционные материалы, упрочненные графитом, углеродом и бором, могут быть дороже алюминия в 100—200 раз. Относительно более высокая стоимость стеклопластиков отчасти компенсируется и более низкой оплатой труда рабочих, обусловленной, во-первых, небольшими трудозатратами (в чел .-ч), требуемыми для изготовления детали; во-вторых, использованием малоквалифицированных рабочих. Например, в США рабочий, занятый изготовлением изделий из стеклопластиков, зарабатывает в час в 2 раза меньше сварщика или рабочего-прокатчика и меньше, чем квалифицированный плотник.

Как уже отмечалось в этой главе, композиционные материалы, применяющиеся для изготовления изделий в судостроении, разделяют на две различные группы: материалы, упрочненные стекловолокном, и материалы, упрочненные высокопрочными волокнами. Рассмотрим вначале перспективы применения стеклопластиков. Они уже получили распространение в судостроении, в частности, при изготовлении прогулочных лодок. Однако затраты на их изготовление составляют небольшую и довольно изменчивую часть общих капиталовложений в судостроение, поэтому промышленность, занимающаяся разработкой материалов из стеклопластиков, непрерывно ведет поиски новых рынков сбыта своей продукции. Рост популярности стеклопластиков не вызывает сомнений. Похоже, что сокращение числа квалифицированных деревоот-делочников и ухудшение доступности дерева как строительного материала в судостроении приведут к окончательной замене дерева конкурирующими материалами, такими, как стеклопластики. Размер судов, изготовляемых из стеклопластиков, непрерывно растет (длина их достигает 60 м). Эти материалы получат большее применение для изготовления рыболовных судов, хотя, вероятно, внедрение их будет проходить медленно. Это, главным образом связано с относительно большой стоимостью материала по сравнению со сталью — его основным конкурентом.

К первой группе относятся композиционные материалы, упрочненные дисперсными частицами и хаотически расположенными монокристаллическими нитями (так называемыми «усами») (см. рис. 114, /—/). Материалы, получаемые методами порошковой металлургии и состоящие, например, из частиц карбидов тугоплавких металлов, помещенных в связующее, образуемое металлами железной группы, иллюстрируются схемой /—2. За рубежом значительное внимание уделяют созданию металлических материалов, например, на медной основе, армированных дискретными отрезками вольфрамовой, молибденовой проволоки (/—5), а также расположенными в металлической основе непрерывными проволоками (1—4) [97; 98]. Могут быть изготовлены материалы, имеющие армирующие элементы в виде сеток-1— проволочных тканей и сот (/—5). Еще один вид образуют материалы, имеющие непрерывные неориентированные армирующие волокна — типа «войлока», в зарубежной практике называемые «фелтметалл» (/—6).

Способность к формоизменению металлических композиционных материалов в основном определяется природой упрочняющих волокон; материалы, упрочненные металлическими волокнами, способны к значительным формоизменениям, например алюминий, армированный стальной проволокой, допускает гибку как в направлении волокон, так и в других направлениях, а также выдавливание с небольшими степенями вытяжки.

Сложность введения ориентированных нитевидных кристаллов в металлическую матрицу с целью максимально возможной реализации их высоких механических свойств не позволяет пока рассматривать композиционные материалы, упрочненные нитевидными кристаллами, как материалы, широко изученные и готовые к практическому применению. Однако работы по исследованию возможности создания материалов с алюминиевой матрицей показывают, что введение нитевидных кристаллов позволяет существенно повысить прочность, особенно при высоких температурах. Композиционный материал, содержащий 20 об. % нитевидных кристаллов А12О3 (имеющих среднюю прочность 560 кгс/мм2), имеет при 500° С предел прочности 21 кгс/мм2 и 100-часовую длительную прочность 8,4 кгс/мма. Модуль упругости этого материала равен 12 700 кгс/мм2 [187]. Материал с 30 об. % нитевидных кристаллов А12О3 имеет при 500° С предел прочности 38 кгс/мм2 [174].

Среди композиционных материалов с магниевой матрицей наиболее интересными являются материалы, упрочненные борными волокнами, поскольку именно в магниевой матрице удается наи-

и дисперсноупрочненные композиционные материалы. М., Наука, 1976, с. 48—52.

4. Бергхезан А. Композиционные материалы, упрочненные волокнами тугоплавких металлов. —В кн.: Новые тугоплавкие металлические материалы. М., Мир, 1971, с. 234—264.

10. Волокнистые и дисперсноупрочненные композиционные материалы. М., Наука, 1976. 203 с.

Неметаллические материалы: текстолит, древеснослоистые пластики и др. С большим успехом заменяют дорогостоящую бронзу и баббиты. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать при смазывании водой, что имеет существенное значение для подшипников гребенных винтов, насосов, пищевых машин и т. п.

Материалы на основе поликарбоната. Композиционные материалы на основе поликарбоната относятся к перспективным ПСМ для деталей узлов трения благодаря высоким механической прочности и ударной вязкости, стабильности свойств и размеров в широком интервале температур, стойкости к атмосферным воздействиям. Эти материалы устойчивы к ультрафиолетовому излучению и резким перепадам температур, но имеют ограниченную стойкость к действию ионизирующего излучения.

Для вкладышей из неметаллических материалов применяют антифрикционные самосмазывающие пластмассы (АСП), дре-веснослоистые пластики, твердые породы дерева, резину И др. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать при смазывании водой, что имеет существенное значение для подшипников гребных винтов, насосов, пищевых машин и т. п.

Материал вкладышей выбирают с учетом условий работы, назначения и конструкции опор, а также стоимости и дефицитности материала. При невысоких скоростях скольжения (v, < 5 м/с) применяют чугуны. При значительных нагрузках (р до 15 МПа) и средних скоростях скольжения (v, до 10 м/с) широко используют бронзу. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные бронзы. Баббиты разных марок применяют для подшипников скольжения, работающих в тяжелых условиях; баббиты хорошо прирабатываются, стойки против заедания, но имеют невысокую прочность, и поэтому их используют для заливки чугунных и бронзовых вкладышей (см. рис. 291). Метал-локерамические вкладыши вследствие пористости пропитываются маслом и могут длительное время работать без подвода смазки. Из неметаллических материалов для вкладышей применяют текстолит, капрон, нейлон, резину, дерево и др. Неметаллические материалы устойчивы против заедания, хорошо прирабатываются, могут работать без смазки или с водяной смазкой, что имеет существенное значение для подшипников гребных винтов, пищевых машин и т. п. Так как основные размеры вкладыша определяют конструктивно в соответствии с диаметром d вала, принимая ширину b = (0,5 -т- 2) d, то практически расчет подшипников выполняют как проверочный. В условиях полужидкостного трения проверяют два показателя. Для ограничения износа расчетное значение среднего давления р не должно превышать допускаемое, т. е.

Для очистки горючих жидкостей вместо хлопчатобумажных и шерстяных тканей широко применяют нетканые материалы, изготовленные из холстов вязально-про-шивным способом или путем проклеива-ния синтетич. латексами и термореактивными смолами. Эти материалы устойчивы к действию окислительных и фотохимич. процессов, особенно в условиях влажно-тепловой среды.

основе фенольноформальдегидных смол- и асбестового наполнителя, применяющиеся в про-изводстве химической аппаратуры (фаолит). Эти материалы устойчивы против продолжительного действия крепкой соляной и плавиковой кислот (в последнем случае в качестве наполнителей добавляют молотый кокс и сажу). Весьма устойчивы по отношению к действию сильных минеральных кислот (в том числе и азотной) полимеризационные смолы типа полихлорвинила. Слоистые материалы на основе бумаги (гетинакс) и ткани (текстолит) выдерживают действие крепкой соляной, уксусной, фосфорной и слабой серной кислот. Органическое стекло выдерживает действие разбавленных серной, азотной, соляной и уксусной кислот. После пребывания оогани-ческого стекла в кислоте в течение 192 час. привес в процентах выражается: в 3(Р/0-ной серной — 0,6; в З'/о-ной серной — 1,0; в 10%-ной соляной — 0,7; в loo/o-ной азотной — 0,9; в 5%-ной уксусной — 1,0°/0

Материалы, устойчивы* к температуре и рабочей среде

Пъезокерамика - широко используемый класс пьезоэлектрических материалов, получаемых методами керамического производства. Ее свойства можно изменять в широких пределах соответствующим изменением технологии. Отличительная особенность пьезокерамики - высокие значения пьезоэлектрических характеристик и диэлектрической проницаемости. Надежность пьезо -керамических преобразователей характеризуется интенсивностью отказов, составляющей даже для относительно сложных по конструкции биоморфных преобразователей всего 10"6 ч~*. Пьезокерамические материалы устойчивы к воздействию ионизирующих излучений и агрессивных сред (разрушаются только в плавиковой кислоте).

Материалы на основе поликарбоната. Композиционные материалы на основе поликарбоната относятся к перспективным ПСМ для деталей узлов трения благодаря высоким механической прочности и ударной вязкости, стабильности свойств и размеров в широком интервале температур, стойкости к атмосферным воздействиям. Эти материалы устойчивы к ультрафиолетовому излучению и резким перепадам температур, но имеют ограниченную стойкость к действию ионизирующего излучения.

При исследовании стойкости углеродистых Aq42, Aq45, St45.29, C30 (до 0,25 % С), низколегированных АС (0,22 % С, 1,0... 1,5 % Мп), сред-нелегированных Р5 (0,15 % С, 4...6% Сг, 0,45 %Мо) сталей, а также сталей 20, ЗОХМА, 18ХЗМВФ и 12Х18Н9Т и их сварных соединений при давлении смеси (СО + Н2) 40 МПа и объемной доле оксида углерода 30, 40 и 60 %, в промышленных и" Лабораторных условиях установлено, что все исследованные материалы устойчивы в газовой среде с долей СО до 30 % при давлении смеси 37...40МПа. Скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей максимальна при доле оксида углерода 60 % в интервале температур 175...225 °С. В газовой среде, содержащей до 60 % СО, устойчивы стали и их сварные соединения с содержанием 3...6 % Сг; не корродирует сталь 12Х18Н9Т и ее сварные соединения. Примесь сероводорода к оксиду углерода усиливает процесс карбонильной коррозии. В присутствии 0,1% H2S при парциальном давлении оксида углерода 12 МПа скорость карбонильной коррозии резко возрастает и для сталей 20, ЗОХМА при 200 °С достигает 12,6...11,7г/(м2ч). Основной металл и металл шва, имеющие одинаковые степени легирования, корродируют с одинаковой скоростью.

Весьма немногие материалы устойчивы к воздействию восстановительных кислот, применяемых в производстве искусственного волокна на основе целлюлозы; практически используются гуммированная сталь, свинец и углеродистые материалы. Для теплообменников, стенки трубчатых элементов которых должны обладать высокой теплопроводностью, применение указанных материалов невозможно. Трубные пучки из высоколегированных сталей, титана и сплавов на основе никеля обладают недостаточной коррозионной стойкостью, а применение в качестве конструкционных материалов циркония, ниобия, тантала и благородных металлов экономически нецелесообразно.

Для очистки горючих жидкостей вместо хлопчатобумажных и шерстяных тканей широко применяют нетканые материалы, изготовленные из холстов вязально-про-шивным способом или путем проклеива-пия синтетич. латексами и термореактивными смолами. Эти материалы устойчивы к действию окислительных и фотохимич. процессов, особенно в условиях влажно-тепловой среды.