5.2. Графитоулеродистые материалы

Графит – кристаллическая модификация углерода. Плотность графита 2210-2260 кг/м³; прочность при сжатии σ_в=16-30 МПа. Графит обладает рядом уникальных свойств: кислотоупорен, не растворяется в органических растворителях , имеет низкий коэффициентом трения и высокую электропроводность, хорошо обрабатывается резанием. На основе графита получают углеграфитовые материалы, из которых изготовляют скользящие электроконтакты, плавильные тигли, литейные формы, подшипниковые материалы и т.д.

Углеграфитовые антифрикционные материалы предназначены для работы без смазки в качестве подшипниковых опор, уплотнительных устройств и других трущихся деталей в интервале температур от –200 до +2000 при скоростях скольжения до 100 м/с и в агрессивных средах. К ним относятся: графитопластовые антифрикционные материалы на эпоксидно–кремнийорганическом связующем марок АМС-1, АМС-3. АМС-5; графитофторопластовые материалы на основе фторопласта-4 марок АФГМ, АФГ-80ВС, 7В-2А; антифрикционные графитизированные материалы марок НИГРАН и НИГРАН-В и др.

Углеграфитовые материалы с увеличенной механической прочностью при повышенных температурах: графит для электроэрозионной обработки выпускают в виде брусков марок ЭЭГ и ЭЭПГ; графит марок МГ, ГМЗ, ППГ применяют для изготовления тиглей, оснастки вакуумных печей, нагревателей, защитных чехлов термопар, антикоррозионных и термостойких труб и др.; силицированный графит СГ-М, СГ-Т, СГ-П используют для изготовления электронагревателей, работающих в окислительных газовых средах; боросилицированный графит БСТ-30 предназначен для изготовления жаростойкой литейной оснастки; графит для изготовления химической аппаратуры марок АТМ-1 и АТМ-1Т, работающий при температуре от –18 до +150 ^оС.

5. 3. Основные сведения о композиционных материалах

Композиционные материалы – это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим – упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов, а также их эксплуатационные характеристики, такие как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, характер воздействия агрессивных сред, плотность и удельная прочность.

Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящие из чередующихся слоев материалов различного химического состава (полиматричные композиты), обладающие обширным перечнем полезных свойств, присущих входящим в них материалам. В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку наполнители играют главную роль в упрочнении композитов, их часто называют упрочнителями. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью.

При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п. Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность и жесткость композиционного материала.

Композиционные материалы с комбинированными матрицами называют полиматричными, а материалы, содержащие два или более наполнителей – полиармированными (рис.5.1.).

Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность. Так, для карбоволокнитов σ_в=650-1700 МПа, а для бороволокнитов σ_в=900-1750 МПа. Плотность композиционных материалов 1,35-4,8 г/см³. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

а) б)

Р

Матрица

ис. 5.1. Схемы полиматричного - а) и полиармированного - б)

композиционных материалов

Карбоволокниты (углепласты) – это композиции из полимерной матрицы и упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы используются полиимиды, эпоксидные и фенолоформальдегидные смолы. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300 ^оС. Они водо- и химостойки. Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стекляные волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической, судостроительной и авиационной промышленности. При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или восстановительной атмосфере получают графитированные карбоволокниты или карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит на углеродной матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5 – 10 раз превосходят специальные графиты. При нагреве в инертной атмосфере он сохраняет прочность до 2200 ^оС. Карбоволокниты с углеродной матрицей применяют при изготовлении химической аппаратуры.

Бороволокниты – это композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Для получения бороволокнитов применяют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют высокую прочность при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность. Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитов применяют в космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти винтов вертолетов и т.д.).

Органоволокниты – это композиции из полимерного связующего и упрочнителя из синтетических волокон. Упрочнителями служат эластичные волокна лавсан, капрон, нитрон, и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и фенолоформальдегидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность, сравнительно высокую удельную прочность и высокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в авиационной технике, электропромышленности, химическом машиностроении и др.

Металлы, армированные волокнами, – композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений, вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление окислению и др.). В качестве матриц используют легкие и пластичные металлы (алюминий, магний) и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему 30-50%. Металлы, армированные волокнами, применяются в авиационной и ракетной технике. Использование композитных материалов требует, в ряде случаев, создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов машин.