Почему пластики не могут полностью заменить металлы в машиностроении

Обновлено: 18.05.2024

Развитие электротехники и электроники потребовало материалов с противоположными электрическими свойствами: проводников и изоляторов. Пластмассы, как правило, используются в качестве электроизоляционных материалов.

Изоляция и оболочка кабелей и низковольтных соединений осуществляются в основном с использованием пластифицированного поливинилхлорида или полиэтилена, которые полностью заменили ранее используемые для этой цели пропитанной бумаги и резины из натурального каучука. Устойчивость к воде и большинству химикатов позволяет прокладку таких кабелей (при напряжениях не более 1 кВ) в зданиях и на земле без дополнительной защиты. В полимеры, используемых в изоляции, в частности, ПВХ часто добавляют средства против грибков и грызунов. Изоляция силовых кабелей среднего напряжения (5-35kV) также чаще всего выполняют из пластика.

Пластики и смолы используются в производстве втулок, трансформаторов и генераторов, в некоторых типах трансформаторов, а также при производстве разъемов и кабельных концах. Электродвигатели и генераторы также нуждаются в изоляции: обмоточных проводах, катушках, изоляции проводов и листов сердечника. Во многих типах двигателей, изоляционные покрытия изготовлены из полиэфирной смолы, фенольных смол, меламина, полиуретана, полиамида, поливинилхлорида, полиамида, эпоксидной смолы, силикона или фторопласта. В большинстве двигателей провода в катушках изолированы хлопком, полиэстером или стеклом. Листы сердечника изолированы бумажными или текстильными прокладками, а обмотки обернуты полосами из этих материалов. Все эти материалы пропитывают лаком/синтетическими смолами.Межфазные изоляционные плиты ламинированные. Для пропитки обмотки чаще всего используется эпоксидная смола. Применение пластиков в электрооборудовании не ограничивается изоляцией, большая часть оборудования изготовлена из пластика.

Из пластиков изготавливают элементы электрических приборов: корпуса, штепсельные розетки, патроны, вилки, выключатели и т.д. В настоящее время то оборудование производится из термопластов, самые дешевые из полистирола и механически более прочного поликарбоната. Также широко используется полипропилен, которые применяют также для изоляции и изготовления корпусов. Выгода использования полипропилена в том, что можно полипропилен вторичный купить. Вторичный полипропилен намного более дешев, при том свойства у него те же. что и у первичного.

В электронике, пластмассы являются основным сырьем. Ряд производителей электронного и электрического оборудования являются также производителем пластика. Для электроники тот факт, что она не материалоёмкая промышленность означало, что ряд полимеров, полученных в небольшом масштабе, впервые нашли свое применение в электронике, и лишь при развитии производства и снижении цен на материалы, их начали использовать в других секторах экономики.

Печатные схемы элементов электронных схем производятся из ламинатов. Первый контур получается путем травления медной фольги, находящейся на пластине из фенол-текстиля. В настоящее время существуют ламинаты из бумаги, хлопка, стекла и смол: фенольных, меламиновых, эпоксидных и медной фольги, а иногда и никеля или специальных сплавов. В зависимости от типа ткани, смолы и толщины получаются ламинаты различной жесткости. Очень тонкие (около 10 нм) печатные платы получают из термопластичной пленки с покрытием из меди. В большинстве из них используются для этой цели полиэфирная пленка (насыщенная), но также можно найти пленки из ПВХ и полиамидов.

Прессуя травленые ламинаты, получают многослойные печатные платы. Двухслойные пленки являются важным сырьем для производства таких основных элементов, как конденсаторы. Полистирольные пленки стали использоваться в конденсаторах в 30-х годах и сегодня они широко распространены, уступая количественно только полиэстерам, термически более устойчивым и более тонким (до 2 нм), но имеющих худшие диэлектрические характеристики. Имея тепловые свойства, аналогичные пленкам из поликарбоната, полиамид даже лучше их. При производстве конденсаторов применяют также эпоксидныесоставы, полиэфирные, силиконовые и другие.

Электронные компоненты, как правило, очень чувствительны к окружающей среде и механическим повреждениям. Следы примесей, осевших на полупроводниках, изменяют их свойства, поэтому важно их инкапсулировать. Используются для инкапсуляции эпоксидные смолы, полиэфирные, акриловые, полиуретаны и силиконы.

Использование полиэтилена для изоляции телекоммуникационных кабелей в сочетании с покрытием отдельных проводов полистирольной мембраной значительно снижает посторонний шум, улучшая при этом свойства кабеля на разных несущих частотах.

Для изоляции тонких проводов, как правило, используют электрически изолирующие лаки и мантии, последние из того же материала, что и покрытия печатных плат. Обращает на себя внимание тот факт, что погоня за миниатюризации привела к производству труб из полиамида диаметром 0,15 мм.

Монтажные плиты, полосы по связям пластиковых выключателей служат одновременно как конструкционным материалом, так и изоляцией. Для этих целей служат многослойные ткани, фенольные и меламиновые смолы, а в последнее время все больше и больше литьевые термопласты. Для тих целей служат полиамиды, поликарбонат, полиоксиметилен, а также полиамиды наполненные стекловолокном.

Для производства корпусов электронной аппаратуры применяются полиолефины, полистирол, поликарбонат и другие пластики. Это позволяет добиться впечатляющих оттенков и текстур поверхности, что является одним из основных потребительских свойств различных электронных приборов, таких как телефоны, радиоприемники, телевизоры, видеокамеры и т.п.

Для производства параболических антенн, кроме ламинатов, используются пены, как правило, полиуретановые.

Одним их самых распространенных искусственных, отсутствующих в природе и потому получаемых в процессе химической обработки, материалов являются полимеры, пластмассы, появление которых относится к 20 веку, веку бурного развития новых технологий. Их распространенность, применение обусловлено рядом их специфических свойств, таких как малая плотность при удовлетворительной технологической прочности, высокая химическая коррозионная стойкость, хорошие электроизоляционные свойства и прочее.

Их широкое применение в машиностроении, промышленности позволяет экономить расход дорогих цветных металлов, снижать массу изделий, повышать их долговечность, снизить трудоемкость продукции. Одним из преимуществ является также возможность не разделения процессов изготовления продукции путем совмещения процессов формообразования заготовки и получения готовых деталей. Процесс обработки является высоко автоматизированным, с незначительным уровнем механической доработки.

Определение пластмасс:

Пластическими массами (пластмассами) называются твердые материалы, которые на определенной стадии изготовления приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Данные материалы представляют собой композиционные вещества, состоящие из связующего вещества, наполнителей, красителей, пластифицирующих и других компонентов.

Получение металлов

Маслобензостойкие резиныполучают на основе каучуков хлоропренового, СКН и тиокола.

Наирит, резины на его основе обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива и масел.

Наирит - плотность каучука 1225кг/м 3 , предел прочности 20-26.5МПа, относительное удлинение 450-550%, рабочая температура 100-130°С.

СКН -бутадиеновый каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40). Резины на его основе применяют для изготовления ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых изделий.

СКН - плотность каучука 943-986кг/м 3 , предел прочности 22-33МПа, относительное удлинение 450-700%, рабочая температура 100-177°С.

Теплостойкие резиныполучают на основе каучука СКТ.

СКТ - синтетический каучук теплостйкий. В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую стойкость, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию.

СКТ - плотность каучука 1700-2000кг/м 3 , предел прочности 35-80МПа, относительное удлинение 360%, рабочая температура 250-325°С.

Морозостойкимиявляются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования.

Существует еще ряд различных видов резин специального назначения.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие стали, в основном, применяются при изготовлении строительных конструкций?

2. Какие стали применяются для изготовления ответственных деталей машин?

3. В каких областях техники используется чистая медь?

4. Благодаря каким свойствам применяются в технике магниевые сплавы?

5. Почему титановые сплавы не получили широкого применения в машиностроении?

6. Какие материалы рационально применять для создания емкостей для хранения и перевозки кислот?

7. В каких отраслях техники используются алюминиевые сплавы и почему?

8. Почему пластики не могут полностью заменить металлы в машиностроении?

9. Какие материалы обладают наивысшей прочностью? – теплостойкостью? – химической устойчивостью? – минимальной плотностью? – максимальной эластичностью?

10. Какими свойствами отличаются термореактивные пластмассы от
термопластичных?

Образец карты тестового контроля:

По условному обозначению указать вид сплава, его состав, основные свойства и области применения.

1. БСт3кп, 08Х20Н14С2, Р9, ВТ20, МА17, СЧ25, М006, Амч3

2. 45ХНЗМФА, ШХ9, ОТ4-1, МА2 , 20пс, АЧС-4, Бр04Ц7С5, АД0Е

3. Х18Н9Т, ШХ15ГС, А20, АЧС-5, ЛЦ40МцЗА, АЛ21, ВТ1-0, МЛ4

Металлы и их сплавы в настоящее время являются основным материалом для производства машин, приборов и других технических устройств.

Это определяется сочетанием их свойств, которым в данное время не обладают другие конструкционные материалы.

К таким свойствам относятся:

- механические: прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость.

- теплофизические: жаропрочность, теплопроводность, низкий коэффициент линейного расширения.

- химические: устойчивость в агрессивных средах, биологическая инертность.

- технологические: свариваемость, литейные свойства (жидкотекучесть, степень усадки при затвердевании, склонность к ликвации элементов), пластичность.

Металлы в природе, в основном, встречаются в виде соединений, которые могут находиться как в концентрированном виде, так и весьма рассосредоточено. Так соединения железа встречаются в виде огромных (млрд.тонн) залежей при содержании соединения железа более 20%. Для ряда же металлов содержание их соединений в породе выше 0,1% считается достаточно экономичным для добычи.

Именно высокое содержание соединений железа в месторождениях определяет широкое применение черных металлов (чугуна и стали).

Производственные процессы получения различных металлов весьма своеобразны, но все они включают следующие основные стадии:

добыча руды - обогащение руды - получение металла - рафинирование.

Пластиковый автопром наступает: почему пластмассы вытесняют металл

Технический прогресс не стоит на месте. Во многих сферах промышленности металл активно вытесняется пластиком. В производстве автомобилей такой подход можно считать оправданным, поскольку снижается общая масса машины, расход топлива. Кроме того, пластиковые детали не ржавеют.

На сегодняшний день в конструкции современного автомобиля используется до 200 килограмм пластмассовых элементов.

Уже в этом году этот удельный вес может вырасти в полтора раза, что заметно снизит общий вес автомобиля. Спрос на полимеры в автомобилестроении с каждым годом растет. Такое явление имеет под собой вполне реальные основания.

Причины замены металлов пластиками

Издавна сталь использовалась практически во всех промышленных отраслях. Но на сегодняшний день ее все больше заменяют другими видами материалов. Наибольшую популярность приобретают полимеры и пластмассы.

Особенно данная тенденция проявляется в автомобилестроении. С каждым годом доля пластика в агрегатах, узлах, кузовных элементах, интерьере авто возрастает.

Если еще несколько десятков лет назад среднестатистический автомобиль состоял на 79% из металла, то на сегодня обычная современная машина содержит только 55% железных компонентов.

5 наиболее опасных автомобилей в России за 2019 год
В советские времена на дорогах практически все машины были отечественного производства. При их производстве…

Внедрение подобных нововведений вполне оправдано с экономической точки зрения:

Самое главное: детали, узлы, кузовные элементы из пластика намного легче металлических аналогов. Уменьшение общей массы авто благоприятно сказывается на расходе топлива, чистоте выхлопных газов.
Полимерные материалы практически не проводят электричество. Это повышает безопасность. Поэтому они идеально подходят для изготовления автомобильной проводки.
Конструкционные пластмассы характеризуются высокой механической прочностью, устойчивостью к внешним агрессивным физическим и химическим воздействиям. Кроме того, пластик не ржавеет, сохраняет свою целостность длительное время.
Полиуретаны, пластмассы, поликарбонаты, каучуки, эластомеры отличаются высоким уровнем универсальности, поэтому их используют не только для внутренней отделки салона, но и для кузова, подвески, шестеренок, приводных деталей силового агрегата.
Из литьевых полимеров можно изготавливать элементы сложных конфигураций различного цвета, которые отличаются высокой прочностью и долговечностью.
Пластмассовые композиты идеально подходят для массового производства. С внедрением технологии 3D-принтинга их себестоимость заметно снизится.

Таким образом, доля пластиков в выпуске современных автомобилей неуклонно растет. На сегодняшний день отмечается все более тесное сотрудничество автомобильных корпораций и химических компаний.

Рейтинг надежных автомобилей 2020 года — какие марки авто ломаются меньше
Современный автомобиль олицетворяет удобство, комфорт, мощность, экономичность. Наряду с высокими техническими…

Выбор вида пластика для производства узлов и деталей авто

По антифрикционным, технологическим, электротехническим свойствам, плотности, долговечности, антикоррозионным качествам пластмассы значительно превосходят традиционные материалы, которые издавна используются при производстве автомобилей.

Широкое разнообразие полимерных материалов дает возможность их использования для изготовления различных автомобильных деталей, узлов.

На данный момент в производстве авто используются фторопласты, поликарбонаты, стеклопластики, ПВХ, текстолиты, полистиролы, полиуретаны. Эти материалы являются отличными диэлектриками и в зависимости от разновидности характеризуются твердостью, гибкостью или упругостью.

Они не подвержены коррозии, отличаются устойчивостью к химическим воздействиям различной природы, антифрикционными, теплоизоляционными свойствами. Кроме того, пластики имеют высокие технологические качества, позволяющие обрабатывать их разными способами.

Винипласты характеризуются высокой механической прочностью, устойчивостью к химическим воздействиям, влагостойкостью. Используются для изготовления прокладок, изоляционных кожухов, материалов, поглощающих вибрации.

Как убрать царапины на пластике в салоне автомобиля своими руками
Владельцы транспортных средств часто сталкиваются с такой проблемой, как возникновение повреждений разного вида на…

Современная технология позволяет изготавливать из пластика детали для всех автомобильных систем, узлов и агрегатов. Низкая себестоимость, небольшой вес, долговечность, прочность, устойчивость к агрессивным веществам – явные преимущества по сравнению с традиционными металлами.

Эксперт назвал отрасли, где полимеры могут заменить металл

Тренд замены металла полимерами набирает обороты. Чистенькие пластиковые трубы вместо ржавеющих, одноразовые шприцы вместо многоразовых из металла и стекла. Пластик в автомобилестроении, в кораблестроении. Но все ли так просто?

Что касается исходного сырья, то безусловно: добыча газа, из которого получают полимеры, куда менее разрушительна для природы, чем добыча металла. К остальным звеньям технологической цепочки могут быть вопросы.

Полимеры можно поделить на три группы: термопласты, реактопласты, эластомеры. Самая массовая группа - термопласты, именно на них в большинстве случаев заменяют металл. Термопласты удобны в переработке, их легко нагреть и придать нужную форму. По сравнению с процессами обработки металлов это очень высокопроизводительные технологии, значительно сокращающие производственные затраты. Но термопласты не любят высоких температур, теряют прочность, начинают плавиться. То есть в сферах, где присутствуют высокие температуры, вход многим полимерам заказан.

Вторая группа - реактопласты. Процесс их переработки сложный, зато изделия получаются с высокой стойкостью к химическим воздействиям и зачастую могут выдержать температуру в 350-400 градусов. Но реактопласты крайне проблематично пустить во вторичную обработку. Те же проблемы с утилизацией относятся к третьей группе - эластомерам, то есть упругим, тянущимся полимерам.

Так что именно термопласты, которые можно использовать по три-шесть, а некоторые до десяти раз, при повторной переработке получая все новые изделия, - на ключевых позициях. Но нужно учесть немаловажный фактор: с каждой переработкой свойства полимера становятся немного хуже. Это значит, что для особо важных деталей вторичные пластики не подойдут.

Замена пластика на металл - палка о двух концах. Приведем пример: гигантские ветряки, которые целыми комплексами стоят в странах Европы. С одной стороны - "зеленая энергетика", использование энергии ветра, никаких побочных отходов типа тех, которые получаем в результате работы ТЭЦ и АЭС. И - никакого вреда природе. А никакого ли?

Лопасти ветряков сделаны из композиционных материалов, средний срок эксплуатации - 10-15 лет, затем требуется замена. Куда девать старые лопасти? На переработку нельзя.

В результате получаются склады из таких лопастей, которые абсолютно некуда девать. Европейцы, впрочем, пытаются договориться о ввозе этого мусора в третьи страны, тем самым подчищая собственную территорию.

Кстати, в ветряках пластики показали себя на 100 процентов, металл (даже алюминий) для таких гигантских лопастей - в аутсайдерах.

А вот пример замены труб для воды и газа - только в плюсе. Делают из термопластов, а значит, материал годен для вторичной переработки. Долговечность - до 50 лет, коррозии не подвержены. Но если газовые трубы проходят над землей - возвращаются к традиционному металлу. Потому что он не горюч и более вандалоустойчив, и сделать "дыру" для нелегальной отводки газа не получится. Конечно, при решении о том, из какого материала будут трубы, учитываются разные факторы. У каждого материала есть свои достоинства и недостатки. Полимеры не любят солнце, оно вызывает ускоренное старение, у металлов свои враги - вода и кислород.

Тенденция на будущее однозначна: все чаще металл будут заменять на полимеры. Возможно, появятся и технологии, позволяющие все больше пластика пустить на переработку.

Читайте также: