Применение пластмасс

                                        Содержание.

Введение…………………………………………………….…………………….2

1. Углепластики……………………………………….…….…………………….3

2. Армирующие наполнители……………………….………..……………..…...4

3. Полимерные матрицы …………………………….…………………………5-6         

4. Физико-механические свойства углепластиков….…………………….…7-10

5. Области эффективного применения углепластиков………………….…11-13

Заключение……………………………………………………………………… 14      

Список литературы……………………………….……………………………...15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Введение.

Применение пластмасс(пластиков) в конструкции автомобилей приобретает  все более широкие масштабы. Это  объясняется в первую очередь  тем, что по ряду показателей –  плотности, коррозионной стойкости, антифрикционным  и электротехническим, а также технологическим свойствам – пластики значительно превосходят традиционные материалы, используемые при изготовлении автомобиля. За последние 10 лет произошли принципиальные сдвиги в области применения пластмасс в автомобилестроении.

Ранее из пластиков изготавливали детали только электротехнического, декоративного назначения. Основные факторами, обусловливающими значительное внедрение пластмасс в конструкцию автомобилей, являются ; 1. Во-первых, машина становится легче, а это означает, что снижается расход топлива. 2. Во-вторых, открывается возможность для новых конструкционных решений, поскольку термопластичные полимеры легко поддаются переработке и, следовательно, позволяют воплотить любые дизайнерские идеи.

Благодаря этому можно  получать детали самых хитроумных форм и цветов без дополнительных операций по механической обработке и окраске. 3. В-третьих, применение пластиков помогает не только отказаться от дорогостоящих цветных металлов и нержавеющих сталей, но и сократить энерго- и трудозатраты в процессе производства, а значит, снизить стоимость автомобиля. 4. В-четвёртых, повышение долговечности и эксплуатационных характеристик автомобиля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   1. Углепластики.

Углепластики (карбопластики, углеродопласты) — это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:

• высоким значениям прочности и жесткости
• низкой плотности
• химической инертности
• тепло- и электропроводности
• высокой усталостной прочности
• низкой ползучести
• низким значениям коэффициента линейного термического расширения
• высокой радиационной стойкости

Важным фактором, определяющим в некоторой степени  перспективность углепластиков, является их хорошая технологичность, позволяющая перерабатывать углепластики в изделия на стандартном технологическом оборудовании с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.

В зависимости  от вида углеродного армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров углепластики можно разделить на три группы:

• углеволокниты
• углетекстолиты
• углепресволокниты

Углепластики  на основе непрерывных ориентированных  углеродных нитей, жгутов и ровниц составляют группу углеволокнитов. Наиболее представительная группа углепластиков — углетекстолиты, в которых в качестве армирующего наполнителя используют тканые ленты и ткани различных текстурных форм. Углепластики на основе дискретных волокон составляют группу углеволокнитов.

 

 

 

 

 

                         2. Армирующие наполнители.

Процесс изготовления углеродных волокон заключается  в последовательном температурном  и механическом воздействиях на исходные органические волокна, приводящих к  их карбонизации, графитации и совершенствованию структуры.

На первом этапе  нагрев исходных растянутых волокон  до температуры 220 °С приводит к образованию  поперечных химических связей между  макромолекулами полимера.

На втором этапе  нагрев до температуры 1000 °С позволяет  получить так называемые карбонизованные волокна, на 80…95 % состоящие из элементарного углерода и обладающие достаточно высокой прочностью.

На третьем  этапе (термообработка до температуры 1500…2000 °С) получают конечный продукт  — графитизированное углеродное волокно с кристаллической структурой, близкой к структуре графита. В зависимости от условий получения и типа исходного сырья предел прочности и модуль упругости углеродных волокон находятся соответственно в пределах 2…3,5 ГПа и 220…700 ГПа. Наибольшей прочностью обладают волокна, которые при нагреве на последнем этапе (Т = 1600 °С) имеют мелкокристаллическую структуру. Высокомодульные материалы получают в результате растяжения волокна при температуре 2700 °С.

В качестве армирующих элементов углеродные волокна применяют в виде жгутов, лент и тканей. Они являются более хрупкими и менее технологичными, чем стеклянные, отличаются химической инертностью, низкой поверхностной энергией, обусловливающей плохое смачивание волокон растворами и расплавами матричных материалов, что в итоге приводит к низкой прочности сцепления на границе «волокно-матрица». Основное достоинство — высокая жесткость. Механические характеристики остаются постоянными до температуры 450 °С, что позволяет применять углеродные волокна с полимерной и металлической матрицами. Волокна характеризуются отрицательным коэффициентом линейного расширения, что в совокупности с положительным коэффициентом у матрицы позволяет синтезировать композиции для конструкций, сохраняющих свои размеры при температурном воздействии. Углеродные волокна используют для изготовления элементов, необходимая жесткость которых является условием, снижающим эффективность применения материалов, армированных стеклянными волокнами. Стоимость углеродных волокон на два порядка выше, чем стеклянных.

 

                           3.   Полимерные матрицы

Полимерная матрица  определяет эксплуатационные и технологические  свойства углепластика. Для углепластиков  используют как термореактивные, так  и термопластичные матрицы. Из термореактивных  матриц наибольшее рас-пространение получили эпоксидные связующие: эпоксидно-анилинофенолформальдегидное марки 5-211-Б, эпоксинаволачное — УНДФ, эпоксидное модифицированное диапластом — УП-2227, на основе тетрафункциональной эпоксидной смолы связующее — ВС-2526к, на основе смеси трех эпоксидных смол связующее — ЭДТ-69Н. Применение эпоксидных матриц обеспечивает получение углепластиков с высокими прочностными характеристиками, водостойкостью и химической стойкостью, хорошей эксплуатаци-онной надежностью и ресурсом.

Из термопластичных матриц нашли применение полиимидная СП-97, полиамидоимидная ПАИС-104 и полисульфон, обеспечивающие работоспособность углепластиков при более высоких температурах (особенно полиимидная матрица — до 200…300 °С). Основной недостаток этих матриц — трудность изготовления на их основе полуфабрикатов (пропитанных лент — препрегов) и высокие температуры их отверждения.

Длительное тепловое воздействие может вызвать неотвратимое изменение химической структуры  полимеров вследствие протекания термодеструкции. При длительном воздействии переменной механической нагрузки и недостаточном теплоотводе может произойти переход от механического разрушения материала к тепловому за счет диссипации механической энергии в тепловую.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Параметр	Марка углепластика
	КМУ-1	КМУ-1 лм	КМУ-3	КМУ-Злп	КМУ-4л	КМУ-4э	КМУ-9	КМУ-9т	КМУ-9тр
Наполнитель	Жгут ВМН-4	Лента ЛУ-П	Жгут ВМН-4	Лента ЛУ-П	Лента ЛУ-П	Лента Элур-П	Жгут УКН- 11/500	Лента УОЛ- 300	Ткань УТ-900- 2,5
Матрица	ЭТФ	ЭТФ-М	5-211Б	5-211Б	ЭНФБ	ЭНФБ	УНДФ- 4А	УНДФ- 4АР	УНДФ- 4АР
Объемное содержание волокон, %	57-63	58-63	57-63	50-55	50-55	54-59	60-62	58-62	55-59
Плотность р-КГ3, кг/м3	1,45-1,49	1,48-1,50	1,4-1,45	1,4-1,45	1,45-1,50	1,49-1,52	1,55-1,58	1,52-1,56	1,52-1.54
Прочность при растяжении, МПа: вдоль волокон поперек волокон	1020 14	780 18	110023	730 20	800 24	900 32	1500 32	1500 28	60 60
Предел прочности при  сжатии, МПа: вдоль волокон поперек  волокон	400 100	580 130	700 150	530 120	750 130	900 130	1200 140	1200 160	60 58
Прочность при сдвиге вдоль волокон, МПа	30	61	40	54	70	78	85	78	52
Модуль упругости при  растяжении, ГПа: вдоль ВОЛОКОН Еу поперек волокон Е-,	180	145	180 9	1479,9	140 10	120 10	140 9	1258	67 67
Модуль сдвига G]->, ГПа	3,5	4,5	5,1	5,1	6,0	6,5	6,8	5,2	8,0
Коэффициент Пуассона Мц	0,27	0,27	0,31	0,27	0,25	0,265	0,27	0,33	0,07

 

           4.  Физико-механические свойства углепластиков

Уровень свойств  углепластиков зависит от характеристик  применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего  наполнителя, упругопрочностных свойств полимерной матрицы, качества раздела «волокно-матрица», от технологии переработки и структуры армирования материала. Накоплен значительный объем информации о физико-механических свойствах эпоксидных углепластиков, их поведении при различных видах нагружения (статика, повторная статика, динамика) и деформировании (растяжение, сжатие, сдвиг, срез, смятие), а также о ресурсе и сроке их эксплуатации в различных изделиях. В таблице представлены данные о свойствах однонаправленных углепластиков.

Углепластики обладают достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью благодаря высокой жесткости и низкой деформагивности углеродных волокон. Коэффициент длительного сопротивления Rt углепластиков в диапазоне рабочих температур t = 80…200 °С и при длительности нагружения r = 500… 1000 ч при растяжении и сжатии составляет 0,5…0,9 % от величины кратковременной прочности материала. Ползучесть углепластиков при длительном нагружении нагрузкой, составляющей (0,4 — 0,5) GВ, как правило, не превышает 0,1…0,5 %. Указанные характеристики благоприятно влияют на работоспособность материала при длительном нагружении с высоким уровнем действующих напряжений.

Углепластики обладают наибольшей среди известных КМ усталостной  прочностью. Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0.5…0,7) GВ, т. е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано также с высокими значениями модуля упругости углеродных волокон и как следствие более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемостью полимерной матрицы.

Выносливость углепластика может быть оценена через свойства и состав его компонентов следующим  образом:

GR= GМ*GB* (EВ/EМ)*K.

Из уравнения  следует, что усталостная прочность  композита прямо пропорциональна  прочности матрицы GМ и модуля упругости армирующих волокон ЕВ и обратно пропорциональна модулю упругости матрицы ЕМ. Коэффициент К характеризует степень использования прочности матрицы при циклическом нагружении и учитывает наряду с природой матрицы влияние технологии изготовления композита и уровень внутренних остаточных напряжений.

По сравнению с другими  ПКМ углепластики обладают меньшей  удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью  и остаточностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.

Так, при растяжении под  углом ±45° к направлению армирования  прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром, не превышающим 4 мм, тоже почти не влияют на прочность углепластика квазиизотропной структуры как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.

Повышение остаточной прочности и вязкости разрушения углепластиков возможно путем создания гибридного (поливолокнистого) материала в виде чередования сплошных слоев углеродных и стеклянных, углеродных и органических наполнителей либо в виде периодически расположенных высокомодульных (борных) или низкомодульных (стеклянных с армированием ±45°) стопоров трещин. Применение высокомодульных стопоров приводит к перераспределению большей части нагрузки на стопоры в вершине трещины, а эффективность низкомодульных стопоров заключается в создании зоны низких напряжений с повышенной вязкостью разрушения, которая препятствует распространению трещины.

Ударную вязкость материала, пренебрегая прочностью матрицы, определяют параметром ((Ga)^2/2Е)*VВ (где Ga — реализованная прочность волокна в композите), поэтому для повышения ударной вязкости углепластиков целесообразно вводить в них высокопрочные, но низкомодульные волокна, какими являются стеклянные или органические волокна. Ударную вязкость поливолокнистого материала, содержащего низкомодульные волокна в количестве V2 с модулем упругости Е2 при реализации прочности волокон в композите G2 и высокомодульные волокна в количестве V1 с модулем упругости Е1 и реализованной прочностью углеродного волокнита в композите G1, можно определить по выражению:

a = ((G1^2)/2E1)V1 + ((G2^2)/2E2)V2

Демпфирующая  способность углепластика определяется в основном рассеиванием энергии  в матрице, сопровождающимся переходом  механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и существенно  зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5… 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.

Рост механических потерь с увеличением температуры объясняется снижением модуля сдвига углепластика, что связано со значительными физическими изменениями, происходящими в полимерных связующих при повышении температуры. С уменьшением модуля сдвига наблюдается монотонное повышение коэффициента механических потерь.

Рис. Зависимость  предела прочности (1) и модуля упругости  при растяжении (2), логарифмического декремента затухания (3) от структуры  армирования углепластика КМУ-4э

Рис. Зависимость  логарифмического декремента от модуля сдвига полимерной матрицы для углепластиков  КМУ-Зл, КМУ-1лм, КМУ-4э при температуре: 20 °С (7), 100 °С (2), 150 °С (5), 180 °С (4), 200 °С (5)