Укажите основные преимущества искусственных полимерных неметаллических материалов перед металлами

Обновлено: 04.10.2024

Наряду с металлами и металлическими сплавами в качестве резистивных, контактных и токопроводящих элементов достаточно широко используются различные композиционные материалы, некоторые окислы и проводящие модификации углерода. Как правило, эти материалы имеют узкоспециализированное назначение.

Углеродистые материалы. Среди твердых неметаллических проводников наиболее широкое применение в электротехнике получил графит — одна из аллотропных форм чистого углерода. Наряду с малым удельным сопротивлением ценными свойствами графита являются значительная теплопроводность, стойкость ко многим химически агрессивным средам, высокая нагревостойкость, легкость механической обработки. Для производства электроугольных изделий используют природный графит, антрацит и пиролитический углерод.

Природный графит представляет собой крупнокристаллический материал с очень высокой температурой плавления (порядка 3900°С). При свободном доступе кислорода и высокой температуре он окисляется, образуя газообразные окислы СО и СО₂.

Пиролитический углерод получают путем термического разложения паров углеводородов в вакууме или в среде инертного газа (пиролиз). В качестве веществ, подвергаемых пиролизу, обычно выбирают соединения метанового ряда. Для получения плотной структуры требуется температура пиролиза не менее 900°С. Пленки пиролитического углерода широко применяются для получения линейных резисторов поверхностного типа.

Мелкодисперсной разновидностью углерода является сажа. Ее получают как продукт неполного сгорания или термического разложения углеродсодержащих веществ. Будучи введенными в связующее вещество, сажи проявляют склонность к структурообразованиям.

Производство большинства угольных изделий заключается в измельчении углеродистого сырья в порошок, смешении его со связующими веществами, формовании и обжиге, после которого изделия приобретают достаточную механическую прочность и твердость, допускают механическую обработку.

Графит широко используется в технологии полупроводниковых материалов для изготовления разного рода нагревателей и экранов, лодочек, тиглей, кассет и т. п. В вакууме или защитных газовых средах изделия из графита могут эксплуатироваться при температурах до 2500°С.

Особую модификацию графита представляет стеклоуглерод, получаемый полимеризацией органических полимерных смол типа бакелита , проводимой в атмосфере нейтральных газов в течение длительного времени. Изготавливаемые изделия имеют блестящую поверхность, стеклоподобный вид и раковистый излом. Стеклоуглерод отличается от обычного графита повышенной химической стойкостью.

Композиционные проводящие материалы. Композиционные материалы представляют собой механическую смесь проводящего наполнителя с диэлектрической связкой. Путем изменения состава и характера распределения компонентов можно в достаточно широких пределах управлять электрическими свойствами таких материалов. Особенностью всех композиционных материалов является частотная зависимость проводимости и старение при длительной нагрузке. В ряде случаев заметно выражена нелинейность электрических свойств.

В качестве компонентов проводящей фазы используют металлы, графит, сажу, некоторые окислы и карбиды. Функции связующего вещества могут выполнять как органические, так и неорганические диэлектрики.

Среди многообразия комбинированных проводящих материалов наибольшего внимания заслуживают контактолы и керметы.

Контактолы, используемые в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей, представляют собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции. В качестве связующего вещества в них используют различные синтетические смолы (эпоксидные, фенол-формальдегидные, кремнийорганические и др.), а токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля, палладия). Необходимая вязкость контактолов перед их нанесением на поверхность обеспечивается введением растворителей (ацетон, спирт и т. п.). Большую роль в формировании контактов между частницами металлов в композиции играют внутренние напряжения, возникающие при отвержении в результате усадки из-за улетучивания растворителя и полимеризации связующего вещества. Внутренние напряжения подводят к появлению контактного давления между частицами наполнителя, что обусловливает резкое уменьшение контактных сопротивлений.

Контактолы используют для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов на диэлектриках, экранирования помещений и приборов от помех, для токопроводящих коммуникаций на диэлектрических подложках, в гибких волноводах и других изделиях электронной промышленности.

Керметами называют металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим. Они предназначены для изготовления тонкопленочных резисторов. Существенным преимуществом: керметных пленок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. Наибольшее распространение получила микрокомпозиция Cr — SiO, тонкие пленки которой изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме ее последующей термообработкой для стабилизации свойств. При термообработке за счет взаимодействия компонентов происходит вытеснение окисной прослойки между зернами с образованием фазы Cr₃Si. В результате сопротивление изоляционных прослоек между зернами заменяется сопротивлением контактирования.

В толстопленочных микросхемах используют резисторы, получаемые на основе композиции стекла с палладием и серебром-. Для этой цели стекло размалывают в порошок до размера зерен 3-55 мкм, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на: керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление пленок зависит от процентного содержания проводящих компонентов и режима спекания.

Проводящие материалы на основе окислов. Подавляющее большинство чистых окислов металлов в нормальных условиях является хорошими диэлектриками. Однако при неполном окислении (при нарушении стехиометрического состава за счет образования кислородных вакансий), а также при введении некоторых примесей проводимость окислов резко повышается. Такие материалы можно использовать и качестве контактных и резистивных слоев. Наибольший практический, интерес в этом плане представляет двуокись олова. В радиоэлектронике она используется преимущественно в виде тонких пленок. Такие пленки получают различными способами: термическим вакуумным испарением и конденсацией с последующим отжигом на воздухе, окислением пленок металлического олова, осажденного на диэлектрическую подложку, реактивным катодным или ионно-плазменным распылением и др. Окисные пленки SnO₂ отличаются очень сильным сцеплением с керамической или стеклянной подложкой. Прочность сцепления достигает 20 МПа, что намного больше, чем у металлических пленок. Удельное сопротивление пленок зависит от степени нарушения стехиометрического состава и может составлять 10 -5 Ом×м. Нагрев пленок из SnO₂ выше 240°С приводит к необратимому изменению сопротивления в результате более полного окисления. Вместе с тем пленки устойчивы ко многим химическим средам — разрушаются только плавиковой кислотой и кипящей щелочью. Тонкие слои двуокиси олова обладают ценным оптическим свойством — высокой прозрачностью в видимой и инфракрасной частях спектра. Собственное поглощение пленок SnO₂ толщиной до 2 мкм в видимой части спектра не превышает 3%.

Сочетание высокой оптической прозрачности и повышенной электрической проводимости пленок двуокиси олова обусловливает применение их в качестве проводящих покрытий на внутренних стенках стеклянных баллонов электровакуумных приборов, электродов электролюминесцентных конденсаторов и жидкокристаллических индикаторов, передающих телевизионных трубок, преобразователей и усилителей изображения и др.

Кроме двуокиси олова, высокой электрической проводимостью и прозрачностью в видимой области спектра обладают пленки окиси индия In₂О₃. Они имеют аналогичное применение.

Сверхпроводящие материалы.

Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 °К В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, серебро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает при Т » 0 °К достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит переход таких металлов в сверхпроводящее состояние.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия (табл. 3.1). Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент — жидкий водород.

Табл.3.7.1 Основные свойства сверхпроводящих сплавов

Материал	Т , °К	Отличительные особенности
14,8	0,6	21	1,6	Удовлетворительные механические свойства
17,0	0,62	23,4	2	То же
18,3	0,54	24,5	2,4	Высокая плотность тока, технологичность
20,3	-	34,0	-	Высокая температура перехода, технологичность
21-24,3	-	37,0	1×	Наиболее высокая температура перехода

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Т_св = 3,7 °К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 °К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с. большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO₃), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов применяется бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb₃Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Применение сверхпроводников. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 10 7 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 10 6 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Считается перспективным использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5—7 раз масса и габаритные размеры машин при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Значительное внимание в разных странах уделяется разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек Для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать

Сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому

электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью. Принцип механического выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта на «магнитной подушке».

Нарушение сверхпроводимости материала внешним магнитным полем используется в конструкции прибора, который называют криотроном. На рис. 3.7.112 схематически изображено устройство пленочного криотрона. В условиях Т < Т_се пленка из олова остается сверхпроводящей до тех пор, пока магнитное поле, создаваемое током, пропущенным через свинцовый сверхпроводник, не превысит критического для олова значения. На криотронных элементах можно выполнить ячейки вычислительных машин. Из криотронов можно собрать любую схему памяти или переключения. Два состояния с нулевым и конечным сопротивлениями естественно отождествить с позициями 0 и 1 в двоичной системе счисления. Достоинствами ячеек на пленочных криотронах являются высокое быстродействие, малые потери и чрезвычайная компактность.

Широкие перспективы применения сверхпроводников открывает измерительная техника. Дополняя возможности имеющихся измерительных средств, сверхпроводящие элементы позволяют регистрировать очень тонкие физические эффекты, измерять с высокой точностью и обрабатывать большое количество информации.

Уже сейчас на основе сверхпроводимости созданы высокочувствительные болометры для регистрации ИК-излучения, магнитометры для измерения слабых магнитных потоков, индикаторы сверхмалых напряжений и токов. Круг этих приборов непрерывно расширяется.

Разница между Полимерами и Металлами

Основное различие между Полимерами и Металлами заключается в том, что полимеры являются более легкими материалами по сравнению с металлами.

Если мы возьмем шарик из полимерного материала, такого как пластик, и шарик из металла одинакового размера, мы увидим, что металлический шарик тяжелее пластикового шарика. Следовательно, это свойство полимера очень выгодно, потому что мы можем заменить металл пластиковым материалом, если он обладает желаемыми свойствами, которые почти аналогичны металлу. Кроме того, есть больше различий между полимерами и металлами, которые мы обсудим в следующем тексте.

Содержание

Обзор и основные отличия
Что такое Полимеры?
Что такое Металлы?
В чем разница между Полимерами и Металлами
Заключение

Что такое Полимеры?

Полимер представляет собой макромолекулярный материал, имеющий большое количество повторяющихся звеньев, связанных друг с другом ковалентными химическими связями. Эти повторяющиеся звенья представляют собой мономеры, которые были использованы для получения полимера. Мономеры подвергаются процессу, называемому полимеризацией при образованием полимера. Существует два типа полимеров, и это природные и синтетические полимеры. Природные полимеры включают биополимеры, такие как белок и нуклеиновые кислоты, в то время как синтетические полимеры включают полимерные материалы, созданные человеком, такие как пластик, нейлон и другие.

Классификация Полимеров

Поскольку существует много известных полимерных материалов, для удобства классифицируют их по нескольким группам. Эти классификации осуществляются по-разным характеристикам, например в зависимости от структуры, свойств, морфологии и т.д. Например, по структуре можно классифицировать эти материалы как линейные, разветвленные и сетчатые полимеры. Кроме того, по их свойствам можно классифицировать их как термопластичные, термореактивные и эластомерные. По морфологии они классифицируются как аморфные, полукристаллические и кристаллические полимеры.

Более того, у полимеров много полезных свойств из-за большой молекулярной массы. Эти свойства включают в себя ударную вязкость, вязкоупругость, склонность к превращению в стеклообразное состояние, высокое отношение прочности к массе и другие свойства. Кроме того, эти материалы намного дешевле и экономичнее по сравнению с некоторыми другими материалами, такими как металлы.

Что такое Металлы?

Металлы — это материалы, которые имеют блестящий внешний вид, высокую теплопроводность и электрическую проводимость. Обычно они податливы и пластичны. Кроме того, металлы включают чистые элементы или сплавы (сплав представляет собой комбинацию двух или более металлов и некоторых других неметаллов). Кроме того, есть несколько особых типов металлов в периодической системе элементов, такие как щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы и другие

Металлы

При рассмотрении свойств эти материалы имеют очень благоприятные свойства для конструкций, а также для других применений, таких как изготовление ювелирных изделий, инструментов, транспортных средств и т.д. Некоторые из этих важных свойств включают блестящий внешний вид, высокую плотность, ковкость, пластичность, высокую прочность, высокую теплопроводность и электропроводность.

Металлы и не металлы периодической системе элементов

В чем разница между Полимерами и Металлами?

Полимер представляет собой макромолекулярный материал, имеющий большое количество повторяющихся звеньев, связанных друг с другом ковалентными химическими связями, в то время как металлы являются либо чистыми элементами, либо сплавами. Поэтому они имеют разные химические и физические свойства. Основное различие между полимерами и металлами заключается в том, что полимеры легче, чем металлы. Тем не менее, металлы имеют блестящий внешний вид и высокую тепловую и электрическую проводимость. Кроме того, отношение прочности к массе полимерных материалов выше, чем у металлов. Еще одно важное различие между полимерами и металлами заключается в том, что металлы очень податливы и пластичны, в то время как большинство полимеров — нет.

Кроме того, полимеры содержат повторяющиеся звенья, связанные ковалентными химическими связями, которые представляют собой мономеры, используемые при получении полимера. Но чистые металлы имеют катионы металлов и электроны, связанные друг с другом через металлические связи и сплавы, которые также содержат два или более металлов и неметаллов. Следовательно, это существенная разница между полимерами и металлами.

Заключение

Полимеры и металлы являются очень важными материалами в различных отраслях промышленности, а также в наших повседневных потребностях. Ключевое различие между полимерами и металлами состоит в том, что полимеры являются более легкими материалами по сравнению с металлами.

Чем пластик лучше металла?

Металл – это материал, который люди стали использовать давно. Но постепенно во многих сферах его, а также древесину и стекло стали вытеснять пластмассы.

Пластик - это обобщенное название большой группы полимеров (синтетических). Свое наименование пластмассы получили за счет способности становиться пластичными при нагревании, твердеть и сохранять форму при остывании. По этим свойствам они ничем не отличаются от получения металлов, многие детали из которых также производят способом отливки. Но это единственное сходство между материалами. Так что же лучше: металл или пластик?

Преимущества пластмасс

Пластик появился лишь в середине 19 века. Сначала использовались природные полимеры вроде каучука, но им на смену быстро пришли синтетические материалы. Главные достоинства пластмасс:

Небольшой вес, возможность создавать вспененные материалы. По сравнению с металлом, полимеры имеют намного меньший удельный вес, они не создают нагрузку на основу, легки в транспортировке.
Легкость обработки и формовки. Пластику можно придавать любую фантазийную форму. Многие полимеры используются для заполнения щелей, заливки полов, создания сложнейших форм и даже подходят для 3Д печати.
Доступность окрашивания в любой оттенок. По этому параметру пластик опережает металл. Его окрашивают в массе, поэтому при дальнейшей обработке, например, резке не возникает необходимость подкрашивать срезы.
Отсутствие коррозии. Пластик – материал, для которого характерны исключительная стойкость ко влаге и атмосферным факторам. Его можно использовать внутри и снаружи помещений, эксплуатировать в условиях постоянного тумана, он не требует защитного покрытия. Более того, полимеры используются для антикоррозионной защиты металлических изделий наравне с оцинковкой.
Высокие изоляционные свойства. Полимеры – это диэлектрики. Еще они гасят вибрацию, удары, поглощают звук и не пропускают тепло. По этим характеристикам они – полная противоположность стали.
Невысокая стоимость. Это один из ключевых факторов, из-за которого пластик вытесняет металл. Также стоит отметить его антивандальность: для сдачи в переработку пластиковые элементы никто не ворует так, как детали из цветных металлов.
Пластичность. Используя определенные виды полимеров, можно получать пластичные детали, способные выдерживать сгибание, скручивание, растяжение и возврат к прежней форме. Сталь на такое не способна.

Достоинств у пластика немало, но есть и некоторые недостатки. Многие полимеры при горении выделяют токсичные соединения, но эту проблему можно уменьшить, если ввести в состав антипирены – добавки, которые снижают горючесть. Не все полимеры можно подвергать повторной переработке.

Чем хорош металл

Если сравнивать с пластиком, то у металла есть свои достоинства:

Прочность. Там, где речь идет о высоких нагрузках, лишь некоторые сложные полимеры могут соперничать со сталью. Хотя за прочность приходится расплачиваться существенным весом.
Стойкость к ультрафиолету. Сталь хоть и не любит влагу, но солнечного света не боится, как и колебаний температуры зимой и летом. Для него нет такого понятия, как старение, что характерно для пластика.
Возможность переработки. Переплавлять металлические изделия можно сколько угодно. В этом смысле он экологичный. Пластик этим похвастаться не может. Лишь некоторые его виды пригодны для повторного использования.
Электропроводность и теплопроводность. Для некоторых сфер эти качества важны. Токопроводящие жилы изготавливаются исключительно из металла, пластик не смог пока вытеснить его на данном поприще.
Стойкость к огню. Если говорить о тугоплавких металлах, то они способны выдерживать температуру, где счет ведется на тысячи. Да и воздействие открытого огня переносят лучше, чем пластмасса.

Вывод. Нельзя однозначно сказать, что пластик во всем лучше металла или наоборот. Из-за специфических характеристик сталь невозможно вытеснить из всех ниш. Хотя с учетом небольшого веса, низкой цены и возможностью бесконечных модификаций состава будущее определенно за полимерами.

Преимущества полимерных материалов и их отличие от металлов

Полимерные молекулы состоят из химически связанных мономеров. Наряду с природными соединениями существует многочисленная группа веществ, полученных синтетическим путём в результате реакций полимеризации. Их промышленное производство получило развитие в начале двадцатого века и продукты подтолкнули развитие многочисленных отраслей, так:

на основе эфиров целлюлозы производят плёнки, волокна, лаки, краски;
без синтетического каучука невозможно представить становление автомобильной промышленности;
для электротехники первостепенное значение имело появление полистирола;
полиамидное волокно послужило для выпуска новых тканей.

Ежегодное потребление полимеров на душу населения в Западной Европе и США составило 140 кг.

Без полимеров не обходится строительство, машиностроение, медицина, всё народное хозяйство. Самые популярные: полиэтилен (29% в мировом производстве), полипропилен (19%), поливинилхлорид (11%), полистирол (6.5%).

Список полимерных материалов постоянно пополняется новыми представителями, успешно заменяющими металлы и сплавы на их основе.

НПО «Урал» разработало семейство инновационных материалов "Аркаим" на основе полиамида, полиэфирблокамида. Всего на сегодня запатентовано 14 видов.

Выбор типа определяют условия эксплуатации, так, например:

при температуре до 120оС подходит модификации 1006 и 6003;
при температурном пороге 250оС материал изготавливают на основе PPS, PPA;
при повышенных нагрузках, когда требуется сочетание износостойкости и прочности, применяют антифрикционное покрытие "Аркаимид".

термопласты получают путём подачи разогретых полимерных гранул в специальные автоматы с последующим охлаждением;
реактопласты изготавливают при помощи химического взаимодействия двух компонентов в форме.

Превосходство "Аркаима" по сравнению с металлами

снижение плотности в пять раз, что значительно облегчает изделие;
повышенная прочность, после удара вдавливание исчезает, поверхность возвращается в первоначальное гладкое состояние;
беспроблемная механическая обработка;
отсутствие необходимости обслуживания;
меньший коэффициент трения (0.1 ‒ 0.2 без смазки);
увеличенная стойкость к механическим воздействиям, ударам;
устойчивость к разрушающей коррозии от влаги, щелочей, кислот.

Так, в акте производственных испытаний на ОАО "ММК" указано, что детали из полиамида превосходят по эксплуатационным характеристикам бронзовые аналоги.

Каталог выпускаемых предприятием изделий

грузовых автомобилей;
автокранов,
лифтовых систем;
экскаваторов;
сельхозтехники;
дробильного оборудования;
бумагоделательных машин.

В перечень выпускаемых предприятием изделий входят: втулки, вкладыши шпинделей, подшипники, уплотнения валков, ползуны стрелы, кольца опорные, грузовые блоки полиспаста, насосы водяного охлаждения, поршни паровых машин, т.д.

Применение полимеров в машиностроении

Полимеры занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов для машиностроения. Так, потребление пластмасс в этой отрасли становится соизмеримым (в единицах объема) с потреблением стали. Непрерывно возрастает также применение лакокрасочных материалов, синтетических волокон, клеев, резины и др.

Целесообразность применения полимеров в машиностроении определяется, прежде всего, возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин: уменьшается масса, повышаются долговечность, надежность и др. В результате внедрения полимеров высвобождаются ресурсы металла, а благодаря уменьшению отходов при переработке существенно повышается коэффициент использования материалов (средние значения коэффициента использования пластмасс примерно в 2 раза выше, чем для металлов).

Основные достоинства полимерных конструкционных материалов:

высокая удельная прочность(отношение прочности к плотности);
износостойкость;
устойчивость к химическим воздействиям;
хорошие диэлектрические характеристики;
свойства полимерных материалов можно варьировать в широких пределах модификацией полимеров или совмещением их с различными ингредиентами. В частности, при введении в полимеры соответствующих наполнителей (см. Наполнители пластмасс) можно получать фрикционные и антифрикционные материалы, а также материалы с токопроводящими, магнитными и другими специальными свойствами.

К недостаткам полимерных материалов относятся:

склонность к старению;
склонность к деформированию под нагрузкой (ползучесть);
зависимость прочностных характеристик от режимов нагружения (температуpa, время);
сравнительно невысокая теплостойкость;
относительно большой температурный коэффициент линейного расширения;
изменение размеров при воздействии на материал влаги или агрессивных сред.

Из пластических масс изготовляют обширный ассортимент деталей и узлов машин, а также технологическую оснастку различного назначения.

Основные области применения пластмасс в машиностроении:

Виды деталей, узлов машин и технологической оснастки и пригодные для их изготовления полимерные материалы:

Зубчатые и червячные колеса:полиамиды, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики;
Шкивы, маховички, рукоятки, кнопки:полиамиды, аминопласты, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики;
Ролики, катки, бегуны:полиамиды, поливинилхлорид, полипропилен, поликарбонаты, древесные пластики;
Подшипники скольжения:полиамиды, полиэтилен, полипропилен, полиакрилаты, эпоксипласты, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики;
Направляющие станков:полиамиды, эпоксипласты, текстолит;
Детали подшипников качения:полиамиды, поликарбонаты, полиформальдегид;
Тормозные колодки, накладки:фенопласты, волокниты, древесные пластики;
Трубы, детали арматуры, фильтры масляных и водных систем:полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, поликарбонаты, стеклопластики;
Рабочие органы вентиляторов, насосов и гидромашин:полиамиды, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, стеклопластики.
Уплотнения:полиамиды, полиэтилен, фторопласты, поливинилхлорид, полипропилен;
Кожухи, корпуса, крышки, резервуары:полиэтилен, аминопласты, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиакрилаты, поликарбонаты, фенопласты, стеклопластики;
Детали приборов и автоматов точной механики:полиамиды, полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты;
Болты, гайки, шайбы:полиамиды, полиэтилен, аминопласты, поливинилхлорид, полипропилен, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты;
Пружины, рессоры, кулачковые механизмы, клапаны:полиамиды, поливинилхлорид, полипропилен, поликарбонаты, полиформальдегид, текстролит, стеклопластики;
Крупногабаритные элементы конструкций, емкости, лотки и др.:полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, стеклопластики;
Электроизоляционные детали, панели, щитки, корпуса приборов:полиамиды, полиэтилен, фторопласты, аминопласты, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиакрилаты, эпоксипласты, пентапласты, поликарбонаты, полиформальдегид, фенопласты, волокниты, текстолит, древесные пластики, стеклопластики;
Светопропускающие оптические детали (линзы, смотровые стекла и др.):полиэтилен, аминопласты, полипропилен, полистирол, полиакрилаты, поликарбонаты;
Копиры, контрольные шаблоны:полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, эпоксипласты;
Холоднолистовые штампы:эпоксипласты, пентапласты, фенопласты, стеклопластики;
Литейные модели:полистирол, полиакрилаты, эпоксипласты, фенопласты, стеклопластики;

Ниже рассматриваются примеры использования полимерных материалов в производстве деталей общемашиностроительного назначения (подшипники, зубчатые колеса, ремни, шкивы и др.). О специфике применения этих материалов в различных отраслях машиностроения См. Полимеры в авиастроении, Полимеры в автомобилестроении, Полимеры в пищевой промышленности, Полимеры в судостроении, Полимеры в электротехнике, Полимеры на железнодорожном транспорте.

Для изготовления подшипников скольжения используют разнообразные материалы, обладающие большой износостойкостью и низким коэффициентом трения (см. Антифрикционные полимерные материалы), а также теплостойкостью, стабильностью размеров в условиях эксплуатации и длительным сроком службы при больших значениях несущей способности (произведения допустимых нагрузки и скорости скольжения). Износостойкость, несущая способность и другие свойства подшипниковых материалов резко повышаются при введении в них наполнителей (при наполнении фторопласта-4 скрытокристалличным графитом износостойкость возрастает в 1000 раз). Подшипники из графитонаполненного фторопласта-4 могут работать без смазки, а также в агрессивных средах (см. Графитопласты).
Основные требования к пластмассам для зубчатых колес — высокие контактная прочность и сопротивление изгибу, износостойкость, демпфирующая способность, динамическая выносливость, стабильность размеров. При использовании пластмасс, удовлетворяющих этим требованиям, повышается долговечность колес, в среднем в 1,5 раза снижается уровень шума, уменьшается чувствительность передачи к наличию смазки, снижаются требования к точности изготовления колеса. Однако единичный зуб из полиамида со стандартным контуром по статической прочности уступает зубьям из алюминия, улучшенной или закаленной стали соответственно в 1,4, 3—5 и 7 раз. Деформация зубьев из пластмассы достигает десятых долей мм, а размеры контактной площадки становятся соизмеримыми с размером зуба. Все же благодаря новым технологическим и коструктивным решениям удалось расширить области применения зубчатых колес из пластмасс, увеличить их несущую способность, повысить кинематическую точность, износостойкость и др. Армирование колес из пластмасс металлом (из него изготовляют ступицы, диск, венец и др. элементы) позволяет наиболее эффективно использовать достоинства обоих материалов.
Пластмассы все более широко используют вместо нержавеющих сталей и других материалов в волновых передачах, отличающихся компактностью и большими передаточными отношениями (например, от 64 : 1 до 320 : 1), а также для изготовления звездочек в цепных передачах.
Плоские, клиновые и зубчатые ремни из пластмасс(полиамидов, поливинилхлорида), а также из резины (см. Резино-технические изделия) могут быть использованы для передачи даже значительных мощностей. В отличие от ремней из традиционных материалов, ремни из полимерных материалов можно эксплуатировать в агрессивных средах без применения натяжных роликов. Многослойные ремни шириной 10—1200 мм, армированные синтетическими волокнами, могут быть использованы для передачи мощностей до 3600 кет при скоростях 50 —80 м/сек. Применение в ременных передачахпрочных и износостойких шкивов из пластмасс, характеризующихся малой плотностью, высоким коэффициентом сцепления с ремнем, стабильностью размеров, позволяет уменьшить инерционные силы, увеличить срок службы ремней, сократить мощность, потребляемую станком, а в некоторых случаях повысить тяговую способность передачи.
Использование полимерных материалов для футеровок блоков и барабанов подъемных устройств повышает коррозионную стойкость этих деталей и увеличивает долговечность канатов.
Использование труб из полимерных материалов вместо металлических приводит к упрощению их монтажа вследствие снижения массы, уменьшению гидравлических потерь и расхода мощности на транспортировку материалов, увеличению пропускной способности труб, повышению срока службы (особенно в агрессивных средах, в земле и воде) и стойкости к гидравлическому удару.
Применение прозрачных полимерных труб позволяет, кроме того, визуально наблюдать за движением продукта. О трубах из полимерных материалов см. также Полимеры в сельском и водном хозяйстве, Полимеры в строительстве.
Основным материалом для уплотнительных прокладок, которые, помимо высокой износо- и теплостойкости, должны обладать эластичностью, а также стойкостью в различных агрессивных средах, служат резины на основе хлоропренового, бутадиен- нитрильного, кремнийорганических, фторсодержащих и других каучуков специального назначения (см. Каучуки синтетические, Резино-технические изделия). Для уплотнения подвижных соединений или соединений, которые подвергаются действию высоких давлений, используют обычно уплотнители из пластмасс.
Полимерные материалы применяют для фиксации резьбовых соединений, осуществляемой различными способами: использованием гаек из пластмасс, нарезку на которых создают при ввинчивании в них металлических болтов, применением шайб и вкладышей из пластмасс, а также с помощью быстроотверждающихся компаундов (см. Компаунды полимерные). Эти способы фиксации обеспечивают повышение срока службы резьбовых соединений, выполняющих одновременно функции уплотнительных элементов.
Эпоксидные и акрилатные компаунды применяют в качестве универсальных компенсаторов погрешностей при сборке узлов машин и приборов. Благодаря их использованию процесс сборки (например, редукторов) сводится к установке деталей с требуемой точностью и заливке компаундом пространства между сопрягаемыми деталями. Заполняя зазоры, компаунд компенсирует все погрешности обработки и сборки деталей. Применение компенсаторов позволяет на 2—3 класса расширить допуски на изготовление поверхностей, снизить себестоимость обработки деталей, уменьшить трудоемкость их сборки. Заданная точность замыкающего звена сборочных размерных цепей может быть обеспечена за одну выверку.
С помощью клеев (см. Клеи синтетические) удалось создатьсборные зубчатые колеса из металлов и пластмасс, упростить сборку узлов подшипников, удешевить ремонт машин, повысить их надежность.Например, в результате применения направляющих с приклеенными накладками из антифрикционных материалов повысились эксплуатационные свойства станков и упростился их ремонт. Использование синтетических клеев при изготовлении магнитных плит привело к улучшению их электроизоляционных свойств.
Технологическая оснастка из пластмасс(кондукторы для сверления деталей, шаблоны для контроля деталей сложной конфигурации, штампы, приспособления для разметки и др.) легче, дешевле, проще в изготовлении, чем аналогичная металлическая. Эксплуатационные свойства такой оснастки повышаются при ее армировании металлами, применением в качестве наполнителей металлических волокон или металлизацией рабочих поверхностей (см. Металлизация пластмасс). Из пластмасс изготовляют различную литейную оснастку. Так, в промышленности широко используют метод литья деталей по выжигаемым моделям из пенополистирола, из фенопластов изготовляютформовочные смеси, оболочковые формы и стержни. Полимерные материалы служат также связующим в абразивном инструменте (например, при изготовлении термо- и водостойких шлифовальных шкурок).
Важное хозяйственное значение имеет применение лакокрасочных и других полимерных материалов для антикоррозионной защиты металлических конструкций при их сооружении, транспортировке, консервации и эксплуатации, а также для декоративной отделки и придания специальных свойств (электроизоляционных, антифрикционных и др.). Объем потребления таких материалов составляет —30% общего потребления полимерных материалов в машиностроении. См. Лакокрасочные покрытия, Антикоррозионные полимерные покрытия, Защитные лакокрасочные покрытия, Напыление.

Список литературы: Лит.: ВольмирА. С, Павленко В. Ф., Пономарев А. Т., Механика полимеров, № 1, 105 A972); Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов, под ред. А. Л. Абибова, М., 1971; Павленко В. Ф., Силовые установки летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, М., 1972; Булатов Г. а., Пенополиуретаны и их применение на летательных аппаратах, М., 1970; Пригода Б. А., Кокунько В. С, Обтекатели антенн летательных аппаратов, М., 1070; Scow A. L., SAMPE Journal, 8, № 2, 25 A972); Peterson G. P., AIAA Paper, № 367, 1, A971); WetterR., Kunststoffe, 10, № 10, 756 A970); Johnson Z. P., Rubber World, 161, № 6, 79 A970); Encyclopedia of polymer science and technology, v. 1, N. Y.— [a. o.], 1964, p. 568. Г. С. Головкин.
Автор: Каргин В.А., академик АН СССР
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией В.А. Каргина
Дата в источнике: 1972 г.

Читайте также: