Резина, ее состав и область применения в технике.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Резинами называются высокомолекулярные материалы, которые получают при вулканизации смеси натурального или синтетического каучука с различными наполнителями.

В состав резиновой смеси входят следующие ингредиенты: каучук, вулканизирующие агенты, наполнители или усилители, красители, мягчители (пластификаторы) и др.

В зависимости от назначения в резину может входить лишь часть перечисленных ингредиентов, но в её составе всегда содержатся каучук и вулканизирующий агент.

Каучук является основой резиновой смеси и определяет качество резины.

В автомобильных шинах содержание каучука составляет – 50-60% (по массе. Шинные заводы используют примерно 60% производимого в стране каучука. Имеется два вида каучуков: натуральный и синтетический.

Натуральный каучук добывается главным образом из млечного сока каучуконосного дерева гевеи, в котором он содержится до 40%. В нашей стране такими растениями являются кок-сагыз и тау-сагыз. Он более дорогой, поэтому из него чаще всего изготавливают только отдельные детали шин или резины для ответственных (противогазы) целей.

Доля синтетического каучука в шинном производстве составляет 85% и продолжает возрастать. В первые СК был получен академиком С.В.Лебедевым в 1932 г. Синтетические каучуки получают из спирта, нефти, попутных газов нефтедобычи, природного газа и т. д.

Вулканизаторы (сера, оксиды цинка или магния, пироксиды и нитросоединения) непосредственно участвуют в образовании поперечных связей между макромолекулами.

Наполнители с нижают расход каучука (инертные наполнители) и улучшают физико-механические свойства резин (активные наполнители). В качестве наполнителей применяют порошки (мел, сажу, тальк, окись цинка), ткани из хлопка, шелка, капрона или нити из натуральных и синтетических волокон, металлическую проволоку или сетку, стеклоткань.

Пластификаторы (парафин, стеариновая и олеиновые кислоты, канифоль) служат для облегчения процесса смешения резиновой смеси при ее приготовлении, придания резине эластичности и морозоустойчивости.

Противостарители (альдоль, парафин и др.)замедляют окислительные процессы, протекающие при переработке и эксплуатации резин.

Процесс вулканизации сырых резин осуществляется при нагревании до Т=100-150 ⁰С. Ускорение процесса вулканизации достигается введением в резиновую смесь окиси цинка, свинцового глета, окиси магния и др.

В зависимости от количества серы в резине, играющей активную роль при вулканизации, резины различают мягкие (2-4%), жесткие-полуэбониты (12-13%) и эбониты(30-50%).

По назначению резины классифицируют на резины общего назначения (производство шин, рукавов, амортизаторов, пористой губчатой структуры) и специальные (химически стойкие, бензо-маслостойкие, морозостойкие, газонепроницаемые и т.д.).

Как конструкционный материал резины, благодаря таким своим свойствам как высокая эластичность, высокое сопротивление разрыву и износу, газонепроницаемость и водонепроницаемость, химическая стойкость, морозоустойчивость и т.д. нашли широкое использование в самых различных областях. Это, прежде всего шины, пожарные рукава, шланги и патрубки, транспортерные ленты, приводные ремни, манжеты и сальники и т.д.

Широко используется резина для гуммирования, т.е. обкладки сырой резиной сталей, бетона, дерева, цветных металлов, дерева с последующей ее вулканизацией.

3. Композиционные материалы их классификация.

Традиционно применяемые сплавы в известной, мере достигли своего предела конструкционной прочности. Развитие современный техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Поэтому создание композиционных материалов является большой необходимостью. Композиционные материалы позволяют:

- создать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой технологичностью и малой массой;

- создать материалы с качественно новыми свойствами и не только повышать эксплуатационные характеристики существующих конструкций, но и создавать принципиально новые конструкции, недоступные при применении традиционных материалов.

Композиционные материалы (КМ)– искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Композиционные материалы состоят из сильно различающихся по свойствам взаимно нерастворимых компонентов.

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что композиционные материалы создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики, значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

Преимущества КМ:

· высокая удельная прочность;

· высокая удельная жёсткость;

· высокая износостойкость;

· высокая усталостная прочность;

· возможность изготовления из КМ размеростабильных конструкций;

· легкость;

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Однако большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками: высокая стоимость; анизотропия свойств; повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а, следовательно, развитого промышленного производства и научной базы страны

Композиционные материалы достаточно широко используются для производства летательных аппаратов, в машиностроении, приборостроении, энергетике, в электронной, радиотехнической и электротехнической промышленности, на транспорте, в строительстве и других отраслях. Например, железобетон, удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика, лодки из стеклопластика, автомобильные покрышки, металлокомпозиты. В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны). Обычная клеенная фанера является широко распространённым композиционным материалом

Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) композиционные материалы применяются в военном деле для производства различных видов брони: бронежилетов (кевлар), брони для военной техники.

Обычно композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрица непрерывна во всем объеме вещества. Матрицы связывают композицию и придают ей нужную форму, влияют на создание свойств композиционного материала, защищают арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой или упрочняющим наполнителем. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

В зависимости от материала матрицы различают композиционные материалы с металлической матрицей или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной матрицей (ПКМ) и с керамической матрицей (ККМ).

По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на:

1. дисперсно-упрочненные;

2. армированные;

3. слоистые.

Дисперсно-упрочненные материалы это спеченные материалы, представляющие собой металлическую матрицу, упрочненную включениями тугоплавких соединений.

Дисперсионное упрочнение позволяет повысить жаропрочность материала в том случае, когда легирование и термическая обработка металла становиться уже не эффективным.

Установлено, что наиболее эффективное упрочнение обеспечивается при содержании фазы – упрочнителя 3-15% по объему и размеру частиц до 1 мкм. Наиболее распространенными дисперсно-упрочненными материалами являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра, содержащая равномерно распределенные включения оксида алюминия). Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного алюминия с последующим измельчением в шаровых мельницах в присутствии кислорода. В России изготавливают САП 4 марок: САП-1, содержащий оксидную фазу 7%, САП-2 10-11%; САП-3 13-14% и САП-4 20-23%. Включения оксида алюминия не растворяются в алюминиевой матрице и не коагулируют в ней до предплавленных температур, обеспечивая САП высокую жаропрочность. Испытания показали, что САП не теряет прочности при нагреве до 550 ^оС, тогда как алюминиевые сплавы разупрочняются при 300^оС. Частицы порошка САП сохраняют свою форму даже при 1000 ^оС, если не подвергаются механическому воздействию. Другой распространенный дисперсно-упрочненный материал – ТД - никель. Он состоит из никелевой матрицы с включениями диоксида тория (»2%).

Выпускают также аналогичные материалы с нихромовой матрицей и др.

Армированные или волокнистые композиты имеют упрочнение матрицы не дисперсными частицами, а волокнами. Содержание волокон достигает 35-60%.В качестве армирующих волокон используют собственно волокна (природные и искусственные), тонкую проволоку и усы, изготовленные из вольфрама, стали, графита, бора, бериллия и т.д. Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность, химическую стойкость, отсутствие токсичности. Волокнистые композиты получают методами порошковой металлургии. Матрица в армированных композициях придает форму и делает материал монолитным. Наибольшее распространение получили композиции алюминий - металлическая проволока s_в=1500 МПа.

Перспективным материалом является алюминий – бериллиевая проволока, алюминий – волокно бора (s_в=2800-3500 МПа).

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (тип «сэндвича»).

Слои волокон в таком материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Керамико-металлические материалы– это материалы, содержащие более 50% (по объему) керамической фазы и металлическую фазу. Их обычно получают методом порошковой металлургии по схеме: подготовка смеси порошков, формование, спекание и в ряде случаев – пропитка. В качестве керамической фазы обычно используют тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, а в качестве металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали. Керметы отличаются высокой жаростойкостью, износостойкостью, прочностью, твердостью.

Керметы на основе боридов циркония и хрома, карбида хрома, оксида алюминия используют для изготовления деталей конструкций, работающих в агрессивных средах при высоких температурах (лопатки турбин, чехлы термопар). Наиболее распространены керметы типа оксида алюминия – металл. Они отличаются хорошим сочетанием тепловых, механических и электрических свойств.

Причем любая фаза в них, в зависимости от состава, может быть непрерывной или прерывающейся.

⇐ Предыдущая 12