Общие сведения о традиционных и новых материалах и полимерные материалы

2. Общие сведения о традиционных и новых материалах и полимерные материалы

Современное машиностроение характеризуют непрерывно растущая энергонапряженность, а также тяжелые условия эксплуатации машин (высокий вакуум, низкие или высокие температуры, агрессивные среды, высокая радиация и т. д.). Такие условия работы машин предъявляют к материалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано много сплавов на основе различных металлов.

Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) принято называть черными металлами, а остальные металлы (Al, Mg, Cu, Ni, Sn, Pb, Zn, Cd, Ті, W, Mo, Mb, Та, Ag, Аи, Pd, Pt и др.)- и их сплавы — цветными. Кроме того, различают: 1) легкие металлы (Be, Mg, Al, Ті), обладающие малой плотностью; 2) легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Та, Sb); 3) тугоплавкие металлы (W, Mo, Nb, Та и др.), имеющие температуру плавления выше, чем железо; 4) благородные металлы (Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ru, Os), обладающие химической инертностью; 5) урановые металлы-актиниды, используемые в атомной технике; 6) редкоземельные металлы (лантаниды — Се, Pz, Nd, Pm и др.); 7) щелочноземельные металлы (Na, К, Li).

В современной технике широко применяются стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах (1000—3000° С), вязкими при температурах, близкихк абсолютному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных "средах или другими физико-химическими свойствами.

Некоторые давно освоенные металлы и сплавы, например алюминиевые и даже титановые, раньше применявшиеся преимущественно в авиационной технике, теперь становятся одним из основных конструкционных материалов в строительстве, машиностроении и в других отраслях промышленности.

Количество новых сплавов непрерывно растет. Особенно большие возможности открылись перед создателями новых материалов благодаря широкому применению тугоплавких и редких металлов: циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена, вольфрама, рения, редкоземельных металлов, которые обладают уникальными физическими свойствами.[3,с.4]

Наряду с металлами в машиностроении все шире применяют неметаллические материалы. Понятие «Неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов, таких как пластические массы, пленки, волокна, резиновые материалы, клоп, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные виды обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.

До сего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20 % годового производства изделий из стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20—40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, алюминия, магния. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2...3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт. По данным института им. Байкова АН СССР, в нашей стране есть все условия, чтобы в течение 10...15 лет машиностроение смогло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом. Важное значение имеют исследования в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) — пластмасс, керамики, изделий, изготовляемых методом порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий. Так, расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.[4, с. 5]

Пластмассы обладают самыми разнообразными свойствами. Механическая прочность отдельных видов пластмасс превышает прочность дерева, металла и керамики, в то же время они значительно легче этих материалов. Пластические массы могут быть не только твердыми, но и эластичными, как каучук, они отличаются высокими диэлектрическими свойствами и без труда подвергаются переработке в готовые изделия самых различных и сложных форм: легко прессуются, отливаются, шлифуются, полируются, вытягиваются в нити и пленки.

Эти замечательные качества пластических масс обеспечили им широчайшее распространение в технике при изготовлении деталей машин, приборов, в производстве летательных аппаратов, автомобилей, вагонов, судов и т. п., в медицине, быту и сельском хозяйстве. Трудно назвать отрасль народного хозяйства, в которой бы не нашли применения пластические массы. Пластические массы в зависимости от химической природы и (способа синтеза полимеров делятся на четыре группы:

1.  Пластмассы на основе высокомолекулярных соединений, полученных цепной полимеризацией. К ним относятся пластмассы на основе полимеров этилена, винилового спирта и их производных.

2.  Пластмассы на основе высокомолекулярных соединений, полученных поликонденсацией. К этой группе относятся пластмассы на основе фенолоальдегидных (фенопласты), аминоформальдегидных смол (аминопласты) и др.

3.  Пластмассы, содержащие природные полимеры. К ним относятся простые и сложные эфиры целлюлозы (целлулоид, этролы), белковые вещества (галалит) и др.

4.  Пластмассы на основе природных и нефтяных асфальтов, а также на основе смол.

Кроме того, в промышленности получают пластмассы смешанного типа, которые содержат смолы различных классов; при этом получают материалы, обладающие разнообразными свойствами.

В зависимости от типа полимеров, входящих в состав пластических масс, различают термопластичные пластмассы (термопласты) и термореактивные пластмассы. [5, с. 234]

За последние 20—30 лет активно развивались композиционные материалы на основе полимерных волокон. Они обладают уникальными свойствами: с одной стороны, выдерживают значительные статические нагрузки, а с другой — имеют высокую вязкость разрушения, то есть при ударе изделия из них не разлетаются вдребезги. Современная авиация, ракетно-космическая техника, судостроение немыслимы без полимерных композитов (армированных пластиков). Например, знаменитая ракета «Тополь-М» сделана из композитов. Даже твердое топливо для ракет — тоже полимерный композиционный материал.

Использование стеклопластиков началось еще во время Второй мировой войны, когда из них стали делать планеры, а затем и корпуса для минных тральщиков, но массовое внедрение композитов не только в военную, но и в гражданскую технику произошло в последнюю четверть минувшего века. Отчасти это связано с тем, что новые материалы требуют и нового конструкторского мышления, поскольку композит формируется сразу в процессе изготовления детали.

Надо сказать, что в природе все конструкционные материалы, и жесткие и мягкие, построены по композиционному принципу. В качестве примера можно привести древесину, в которой волокна натурального полимера — целлюлозы склеены лигнином.

Одно из главных направлений дальнейшего развития — создание градиентных материалов, свойства которых изменяются от точки к точке. И здесь опять подсказку нам дает природа. Возьмем, например, иглу дикобраза или шип розы. Они «сделаны» из природных органических полимеров, то есть, по сути, из мягких материалов, но при этом благодаря неоднородной структуре не сминаются и обладают удивительной прочностью. Сейчас многие научные коллективы, в том числе и в Институте химической физики РАН, ведут работы по созданию пластичных неорганических материалов, которые легко поддавались бы переработке и не были хрупкими. Думаю, что лет через двадцать неорганические полимеры и неорганически-органические композиты смогут заменить многие строительные, конструкционные и другие материалы, получат дальнейшее развитие так называемые смарт-материалы, или, если перевести этот термин с английского, «умные» материалы которые способны изменять свои свойства в зависимости от внешних условий. В авиастроении такие материалы уже есть, но пока их мало и они не очень распространены.

На сегодняшний день почти все органические полимеры производят из нефти или, в небольших количествах, из газа. Запасы и того и другого не безграничны. Поэтому одна из основных задач, которую предстоит решить ученым в последующие 20—30 лет, — переход на получение полимерных материалов из возобновляемого сырья. Таким сырьем могут служить целлюлоза и хитин, но их переработка — экологически грязное производство. Можно надеяться, что в недалеком будущем появятся чистые технологии переработки; научный задел в этой области уже есть.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность; коэффициент использования пластмасс, полимеров и стеклопластиков достигает 0,9—0,95, так как оформление изделий из них осуществляется пластическими методами с небольшими отходами. Пластмассы, полимеры и стеклопластики обеспечивают меньшую (в 5—6 раз) трудоемкость и более низкую себестоимость изделий по сравнению с металлами. [6]