Технология получения неметаллических конструкционных материалов

 

 

Литье под давлением (рис. 3) осуществляется на специальных литьевых машинах с гидравлическим или электромеханическим приводом, с автоматическим или полуавтоматическим управлением. Литьем под давлением, как правило, перерабатываются термопластичные пластмассы. Схема процессов литья в литьевой машине показана на рис. 43. Сущность процесса состоит в следующем. Материал засыпается в бункер, дозируется и питательным поршнем перемещается в приемную камеру, а затем в цилиндр с электрическим обогревом. После расплавления жидкий материал литьевым поршнем впрыскивается через мундштук и литник в заранее подготовленную форму, которая состоит из двух частей, и охлаждается водой. Литье под давлением является высокопроизводительным и экономичным методом изготовления деталей. Последующая механическая обработка деталей, отлитых под давлением, сводится до минимума. Цикл литья 5—20 сек.

Экструзия — непрерывное выдавливание разогретого до вязкотекучего состояния пластика через специальную головку (дорн) на специальных горизонтальных червячных прессах- экструдерах. Этим способом изготовляют трубы, листы, стержни и различные профили. Материал в виде порошка (гранул) через загрузочный бункер передается в обогреваемый цилиндр экструдера. Применяется трех- или четырехзонный обогрев с тем, чтобы температура повышалась в каждой следующей зоне и достигала максимума в дорне. Это необходимо для того, чтобы гранулы пластика разогревались до вязко-текучего состояния равномерно, достигая наибольшей пластичности при выходе из дорна. Подача материала к дорну производится шнеком. Одновременно с подачей материал перемещается и уплотняется. Профиль получаемой детали определяется конструкцией дорна. Необходима тщательная отделка внутренней поверхности дорна, так как малейшие царапины, выпуклости сказываются на качестве поверхности изготовляемой детали. Если требуются особо точный размеры, то детали при выходе из дорна пропускаются через калибрующее устройство. Методом экструзии термопластических материалов можно получить пленки. Для этого выходящая из экструдера заготовка раздувается сжатым воздухом до необходимых размеров. Раздувкой заготовки сжатым воздухом можно изготовлять и полые изделия (бутыли, канистры и т. д.), используя для этого приспособления для выдувания.

Экструзию термопластов можно совмещать с другими  методами формования, например, раздуванием (так называемой экструзионно-раздувное формование), в результате чего из экструдера заготовки получают крупногабаритные тонкостенные полые изделия.

                     

Штамповка жестким  пуансоном и матрицей. Детали со стенками переменной толщины или с рельефом на поверхности изготовляют из сравнительно толстостенных заготовок в жестких штампах, имеющих пуансон и матрицу и устанавливаемых на гидравлических или пневматических прессах. Из всех видов штамповки этот метод наиболее дорог, так как требует сопряженных друг с другом пуансонов и матриц.

Мех. штамповку пуансоном (рис. а) через протяжное кольцо и механопневмоформование (рис. б) применяют для изготовления изделий с резко выраженной разнотолщинностью, например, если дно изделия должно быть значительно толще. При получении изделий, на одну из поверхностей которых необходимо нанести рисунок с мелкими элементами, применяют главным образом штамповку в матрицу эластичным пуансоном, выполненным из губчатой или мягкой монолитной резины.

      

Вакуум-формованием через протяжное кольцо из листовых заготовок получают изделия, имеющие форму тел вращения. Заготовку защемляют между прижимным и протяжным кольцом, закрепленными на торце герметичной емкости, в которой создают разряжение. Под действием атм. давления заготовка деформируется внутрь емкости, а при создании в емкости избыточного давления в обратную сторону. Форма и размеры получаемого изделия определяются конфигурацией в плане протяжного кольца и степенью (глубиной) вытяжки заготовки, характеризующейся отношением высоты изделия к его ширине. Вакуум-формованием в матрицу при давлении формования до 0,09 МПа получают изделия из тонкостенных заготовок. Если такого давления для оформления изделий недостаточно, применяют пневмоформование в матрицу. Этот метод позволяет также получать изделия более сложной конфигурации.

Сварка. Процесс сварки заключается в нагреве прилегающего к шву материала до пластичного состояния и последующем воздействии давления на материал в месте сварного соединения. Существует несколько промышленных способов сварки термопластичных материалов:

• высокочастотный
• термоконтактный
• газопламенный
• ультразвуковой
• сварка трением, основанная на использовании тепла, выделяемого при трении свариваемых деталей.

Выбор метода сварки обусловлен свойствами свариваемого материала, конструкцией свариваемых деталей, требованиями к сварному соединению, условиями эксплуатации сваренной детали, а также необходимой производительностью.

Высокочастотный метод сварки является по сравнению с другими наиболее производительным; прочность сварного соединения, полученного с помощью токов высокой частоты (т. в. ч.), практически равна прочности самого материала. Материал в месте соединения нагревается в течение короткого времени под воздействием электрического поля, создаваемого т. в. ч. Рабочие электроды, представляющие собой специально сконструированные конденсаторы, одновременно являются элементами сварочного аппарата; они оказывают давление в месте соединения. Рабочие электроды выполняют по форме сварного шва. Для сварки тонких пленок из полиамидных материалов применяют рабочие электроды в виде роликов, при вращении которых от привода материал протягивается и одновременно сваривается. С помощью высокочастотных аппаратов можно сваривать винипластовые трубы, листы, покрытия полов и крыш из полихлорвиниловых пластиков.

Термоконтактный метод сварки заключается в создании в местах шва при помощи специального термоэлемента до температуры, необходимой для расплавления материала. Этим методом можно сваривать все термопластичные материалы. Режимы работы термоэлементов находятся в пределах 120—400° С и зависят от свойств свариваемых материалов.

Газопламенный метод сварки пластмасс применяется для сваривания конструкционных материалов (листового винипласта, труб, деталей из полиэтилена и полиамидов), когда по каким-либо причинам нельзя применить высокочастотную сварку. Газопламенная сварка осуществляется при помощи сварочного пистолета, представляющего собой трубку, внутрь которой вмонтирована спираль, обогреваемая электрическим током и обдуваемая воздухом или инертным газом (для сварки полиэтилена и полиамидов). Струя нагретого газа, выходящая из сопла, является теплоносителем, создающим тепловое поле в месте сварного соединения.

Ультразвуковой  метод сварки заключается в том, что материал в месте соединения подвергается обработке ультразвуковыми колебаниями и одновременно давлению, создаваемому излучателями, преобразующими электрические колебания в механические. Под воздействием ультразвуковых колебаний свариваемые поверхности термопластов нагреваются до пластичного состояния и свариваются.

Сварка трением термопластов имеет ограниченное применение в промышленности, а потому из рассмотрения исключена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Композиционные  материалы

 

Композиционные  материалы с волокнистыми наполнителями

 

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей, или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями. В качестве матрицы могут применяться материалы на полимерной (органической и неорганической), металлической и керамической основе. Характер взаимодействия между материалами матрицы и наполнителя может быть инертным и активным (между материалами возникает химическая связь и эффективное адгезионное взаимодействие). В зависимости от вида и структуры наполнителя композиты делятся на дисперсно-упрочненные, упрочненные волокнами, слоистые и газонаполненные. В качестве волокнистых наполнителей используются хлопковые очесы (волокниты), кордовые нити (кордоволокниты), асбестовое волокно (асбоволокниты), стекловолокно (стекловолокниты). Волокниты – пластмассы на основе хлопковых очесов, пропитанных фенолоформальдегидной смолой. Материалы обладают повышенной, по сравнению с пресс-порошками, ударной вязкостью (до 10 кДж/м2), однако имеют значительно меньшую текучесть, что не позволяет получать тонкостенные детали. Волокниты имеют низкие диэлектрические свойства и неустойчивы к тропическому климату, обладают анизотропией свойств. Применяются они для изготовления изделий общетехнического назначения с повышенной стойкостью к вибрациям и ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручение, например, шкивов ременных передач, фланцев, рукояток, крышек и др. Асбоволокниты – композиты, содержащие волокнистый минерал – асбест, расщепляющийся на тонкие волокна диаметром до 0,5 мкм. В качестве связующего используются фенолоформальдегидные и кремнийорганические смолы. Они обладают высокой ударной вязкостью и теплостойкостью до 200°С, устойчивы к кислым средам, имеют хорошие фрикционные свойства. Применяются в основном в качестве материалов для тормозных устройств (тормозные колодки, накладки, диски сцепления). Асбоволокниты на фенолоформальдегидной основе используются для производства высокопрочных теплостойких деталей электротехнического назначения (электрические панели, высоко- и низковольтные коллекторы), а на основе кремнийорганических полимеров – для деталей, длительно работающих при температуре до 200°С (материал К-41-5), и дугогасящих камер контакторов большой мощности, клеммных колодок (КМК-218). Последние материалы тропикоустойчивы. Фаолит – асбоволокнит, полученный пропиткой асбоволокон фенолоформальдегидной смолой с последующим вальцеванием смеси, используют для изготовления кислотоупорных труб, емкостей. Стекловолокниты представляют собой пластмассы, содержащие в качестве наполнителя стекловолокна. Применяются стекловолокна диаметром 5...20 мкм высокопрочные с временным сопротивлением 600...3800 МПа и высокомодульные (ВМ-1, ВМП, М-11), имеющие предел прочности σв до 3900...4700 МПа и модуль упругости при растяжении до 110 ГПа. Используют волокна, нити, жгуты разной длины, что во многом определяет ударную вязкость стекловолокнита. Чем тоньше волокно, тем меньше его дефектность и выше прочность. Механические свойства стекловолокнитов зависят от состава, количества и длины стекловолокна, типа связующего, физико-химических процессов, протекающих на границе раздела стекловолокно-связующее, метода переработки. Например, замена стекловолокна из стекла Е на волокно из стекла S (табл. 3) в эпоксидном связующем позволяет повысить прочность композита на 40%.

 

Таблица 3

 

С целью улучшения  смачиваемости стекловолокна связующим, снижения напряжений, возникающих на границе раздела, увеличения адгезии между волокном и связующим применяют обработку волокон соединениями, содержащими различные реакционноспособные группы (винильные, метакрильные, фенильные, амино- и иминогруппы и др.). Уменьшению напряжений в пограничном с волокном слое связующего, снижению усадки и пористости, повышению теплостойкости способствует введение в связующее порошкообразных наполнителей, в частности порошка отвержденного связующего. Стекловолокниты подразделяют на спутанно-волокнистые, гранулированные и мелкодисперсные пресс-массы. Спутанно-волокнистые стекловолокниты получают путем пропитки отрезков волокон длиной 40...70 мм с последующей распушкой и сушкой для удаления растворителя (например, АГ-4В). Недостатком этих материалов является неравномер-ность распределения связующего, больший разброс механических свойств и меньшая текучесть по сравнению с другими стекловолокнитами. Гранулированные стекловолокниты получают путем пропитки некрученных стеклонитей и стекложгутов с последующей сушкой и резкой на гранулы длиной 5, 10, 20 и 30 мм. Диаметр гранул 0,5...8 мм. Материал обладает хорошими сыпучестью и текучестью, большей стабильностью механических свойств. К этой категории материалов относятся дозирующиеся стекловолокниты ДСВ. Мелкодисперсные стекловолокнистые пресс-массы изготавливают путем смешивания измельченных стекловолокон длиной до 1,5 мм со связующим с последующим гранулированием (гранулы размером 3...6 мм). Выпускается также «стеклокрошка» с гранулами длиной до 10...50 мм из пропитанных отходов стеклоткани. Стекловолокнит, гранулированный с гранулами размером до 6 мм, перерабатывается литьевым прессованием. Мелкодисперсные стекловолокниты можно перерабатывать литьем под давлением, а при изготовлении изделий с металлической арматурой – литьевым прессованием. Стекловолокнит с длиной гранул размером 10 мм перерабатывается литьевым и прямым прессованием, а при длине гранул длиной 20 и 30 мм – только прямым прессованием. Из стеклопластиков изготавливают корпусные детали, эле менты щитков, изоляторов, штепсельных разъемов, обтекателей антенн и т.д. Изделия, эксплуатируемые при температурах от -60 до +200°С, изготавливают на основе анилино-фенолоформальдегидных смол и бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна, а для температурного диапазона –60...100°С на основе эпоксидных смол. Стекловолокниты на основе кремнийорганических смол эксплуатируются до температуры 400°С, а с использованием кварцевого или кремнеземного волокна кратковременно и при более высоких температурах. Для деталей теплозащитного назначения применяют стекловолокниты на основе кремнеземного волокна и фенолоформальдегидных смол. На основе стеклянных матов и непредельных полиэфирных смол получают препреги, которые используют для изготовления крупногабаритных деталей (кузова, лодки, корпусные детали приборов и т.п.). Применение ориентированных волокон позволяет получать стекловолокниты с повышенными механическими свойствами. Например, ориентированный стекловолокнит АГ-4С имеет предел прочности σв = 200...400 МПа, ударную вязкость КСU=100 кДж/м2, в то время как АГ-4В на основе путанного волокна σв = 80 МПа, КСU = 25 кДж/м2. Органоволокниты представляют собой композиционные материалы на основе полимерных связующих, в которых наполнителем служат волокна органических полимеров (полиамидные, лавсан, нитрон, винол и др.). Для армирования используются также жгуты, ткани и маты из этих волокон. В качестве связующих применяют термореактивные смолы (эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиимидные и др.). Использование полимерных связующих и наполнителей с близкими теплофизическими характеристиками, а также способных к диффузии и химическому взаимодействию между ними, обеспечивают композитам стабильность механических свойств, высокие удельную прочность и ударную вязкость, химическую стойкость, стойкость к термоудару, тропической атмосфере, истиранию. Допускаемая температура эксплуатации большинства органоволокнитов 100...150°С, а на основе полиимидного связующего и термостойких волокон – до 200...300°С. К недостаткам этих материалов следует отнести невысокую прочность при сжатии и ползучесть. Для получения высокопрочных композитов применяют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидные волокна СВМ, терлон, кевлар), обладающие высокими механическими свойствами, термостабильностью в широком диапазоне температур, хорошими диэлектрическими и усталостными свойствами. По удельной прочности эти волокна уступают лишь борным и углеродным. Бороволокниты – композиционные материалы на полимерной матрице, наполненные борными волокнами. Они обладают хорошими механическими свойствами, низкой ползучестью, высокими тепло- и электропроводностью, стойкостью к органическим растворителям, горюче-смазочным материалам, радиоактивному излучению, циклическим знакопеременным нагрузкам. Борные волокна получают путем химического осаждения бора из главной смеси ВСl3+Н2 на вольфрамовую нить при температуре близкой к 1130°С. Для повышения жаростойкости волокна покрывают карбидом кремния, также осаждаемым из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Такие волокна называют борсиком. В качестве связующих для бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные смолы и полиамиды. Бороволокниты КМБ-3, КМБ-3к обеспечивают работоспособность изделий при температурах до 100°С, КМБ-1 и КМБ-1к до 200°С, а КМБ-2к до 300°С. С целью повышения технологичности переработки используют композиты, содержащие смесь борного волокна со стекловолокном. Бороволокниты применяются в авиационной и космической технике для изготовления различных профилей, панелей, деталей компрессоров и др. Карбоволокниты (углепластики) – композиционные материалы на основе полимерного связующего и углеродных волокон. Углеродные волокна отличаются высокой теплостойкостью, удельной прочностью, химической и атмосферостойкостью, низким коэффициентом термического линейного расширения. Применяют волокна двух типов: карбонизованные и графитированные. В качестве исходного материала используют вискозные или полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, каменные и нефтяные пеки, которые подвергаются специальной термообработке. В процессе высокотемпературной обработки в безокислительной среде происходит переход от органических волокон к углеродным. Карбонизация проводится при температуре 900...2000°С, а графитизация – при температурах до 3000°С. Углеродные волокна по механическим свойствам подразделяются на высокомодульные и высокопрочные. В качестве связующих используют термореактивные полимеры: эпоксидные, фенолоформальдегидные смолы, полиамиды и др., а также уг леродные матрицы. Карбоволокниты обладают хорошими механическими свойствами, статической и динамической выносливостью, водо- и химической стойкостью, стойкостью к рентгеновским излучениям, более высокой, чем у стеклопластиков, теплопроводностью. Применяются карбоволокниты для изготовления конструкционных деталей авиационной и космической техники, антенн, автомобилей, судов, спортивного инвентаря.