Размещено на http://allbest.ru

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Факультет инженерной химии

Кафедра инновационных материалов и защиты от коррозии

Реферат

по курсу: «Материаловедение и защита от коррозии»

на тему: «Хладостойкие неметаллические материалы»

Выполнила:

студентка Харламова Д.В.

Проверил:

Колесников А.В.

Москва 2016

Оглавление

Введение

Пластмассы

Клеящие материалы

Резины

Лакокрасочные материалы

Заключение

Библиографический список

Введение

Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от 0 до -269°С.

Неметаллические материалы в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам и сплавам, используемым в технике низких температур.

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Полимеры - это химические соединения, представляющие собой длинные цепные молекулы, состоящие из многочисленных последовательно соединенных звеньев одинакового строения.

По фазовому составу полимеры представляют собой системы, состоящие из кристаллических и аморфных областей. Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении макромолекул. Кристаллические полимеры по своему строению похожи на обычные кристаллические твердые тела, но сложнее, поскольку наряду с кристаллической фазой имеют в объеме аморфную фазу с межфазными слоями. Аморфные полимеры по строению близки к жидкостям. В них существуют упорядоченные участки, в которых наблюдается ближний порядок расположения молекул. Эти участки термодинамически неустойчивы, могут многократно разрушаться и вновь возникать.[1]

Для полимеров характерен широкий диапазон механических характеристик, сильно зависящий от их структуры.

Температура также оказывает решающее влияние на все показатели механических свойств. В технике низких температур широко используют термопластичные и термореактивные пластмассы, клеящие материалы и хладостойкие резины. В зависимости от того, как ведут себя полимеры при нагреве, они делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются и плавятся, а при охлаждении затвердевают. При этом материал не претерпевает химических превращений, что делает процесс плавления - затвердевания полностью обратимым. Термопластичные полимеры имеют линейную или линейно-разветвленную структуру макромолекул. Между молекулами действуют слабые силы и нет химических связей. К термопластам относятся полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры сначала имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твердое вещество, сохраняя и в дальнейшем высокую твердость. Последующий нагрев не размягчает их и может привести только к их разложению. Готовый термореактивный полимер не плавится и не растворяется, поэтому в отличие от термопластичного не может подвергаться повторной переработке. К термореактивным полимерам относятся феноло-формальдегидная, эпоксидная и другие смолы.

При криогенных температурах большинство полимеров находится в хрупком состоянии. Однако у ряда полимеров, например ориентированных волокон полиамидов, даже при криогенных температурах удлинение может составлять более 10%. Возможно, пластичность сохраняется благодаря локальным разогревам при деформировании за счет их низкой теплоемкости вблизи абсолютного нуля. [2]

Неметаллические материалы используют для изготовления тепловой изоляции, а также отдельных деталей и элементов конструкций. Для тепловой изоляции используют вспененные полистирол или полиуретан, отличающиеся особенно низкой теплопроводностью. Для деталей и элементов конструкций используют пластмассы, наполненные стеклянным волокном (полиамиды, поликарбонаты). Для подвижных уплотнений применяют фторопласт-4 (до 269 °С), резины (до 70 °С). [4]

Пластмассы

В технике низких температур наибольшее применение находят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, полистирола, фторопластов, полиамидов и других полимеров.

В состав большинства пластических масс могут входить отвердители, пластификаторы, напонители, красители, смазывающие вещества и другие добавки. Отвердители, входящие в рецептуру многих термореактивных пластмасс, являются необходимой составной частью, без которой невозможно изготовление детали (пластика), обладающей заданным комплексом свойств.

Полиэтилен имеет линейную структуру макромолекул [--СН₂--СН₂--]_n и является продуктом полимеризации этилена. Его температура стеклования Тс составляет от -170 до +130 °С. По способу изготовления различают полиэтилен низкой плотности (до 0,930 г/см3) и полиэтилен высокой плотности (до 0,970 г/см3). Полиэтилен высокой плотности имеет интервал рабочих температур от -70 до +80 °С, а полиэтилен низкой плотности - от -70 до +70 °С.

Фторопласты - полимеры фторпроизводных этиленового ряда. Фторопласты характеризуются высокой химической и термической стойкостью и электрической прочностью, низким коэффициентом трения и огнестойкостью, сохранением рабочих характеристик до температур, близких к абсолютному нулю.

Наиболее широкое распространение при низких температурах получил фторопласт-4 (тефлон), или политетрафторэтилен. Интервал рабочих температур при эксплуатации изделий из фторопласта-4 от -269 до + 260 °С.

Фторопласты широко применяются для изготовления хладостойких деталей (втулок, пластин, дисков, прокладок, сальников, клапанов), для облицовки внутренних поверхностей различных криогенных емкостей.

Поликарбонат - термопластичный полимер на основе дифе-нилолпропана и фостена, выпускаемый под названием дифлон. Это один из наиболее хладостойких и ударопрочных термопластов, поэтому он может использоваться в качестве конструкционного материала, заменяющего металлы, в том числе в криогенной технике для работы в среде жидких газов.

Большую группу реактопластов составляют слоистые пластмассы, которые содержат листовые наполнители, уложенные слоями. В качестве наполнителей для слоистых пластиков используют материалы органического (бумагу, хлопчатобумажные ткани и ткани из синтетических волокон) и неорганического (асбестовую бумагу, стеклянную ткань, ткань из кварцевых или кремнеземных волокон) происхождения.

В зависимости от вида наполнителя различают следующие слоистые пластики: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. Связующими при производстве слоистых пластиков служат фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Механические свойства слоистых пластиков определяются прежде всего видом используемого наполнителя. Наибольшей механической прочностью обладают слоистые пластики на основе стеклянной ткани или стеклянных жгутов. [2]

Для работы в криогенных условиях применяют стеклопластики, представляющие собой высокопрочные композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и высокомодульных стеклянных волокон различного плетения.

В качестве армирующего материала при производстве хладостойких стеклопластиков применяют волокно диаметром 6-7 мкм из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла, имеющего высокие механическую прочность и модуль упругости, хорошие адгезионные свойства и малую плотность. Классификация стеклопластиков, используемых при низких температурах, по укладке арматуры приведена на рис. 2.

Связующее пропитывает стеклянный каркас и после отверждения склеивает между собой отдельные волокна и слои наполнителя, обеспечивая их монолитность и совместную работу в изделии. Высокие физико-механические свойства стеклопластиков обусловлены прочным сцеплением между стеклянными волокнами и полимерным связующим.

Рис. 2. Классификация хладостойких стеклопластиков по укладке арматуры 654

Эпоксидные смолы, обладая высокой адгезией к стеклянным волокнам и малой усадкой при отверждении, сохраняют монолитность композиции в условиях криогенных температур.

На рис. 3 представлены кривые растяжения хладостойкого стеклопластика при изменении температуры от 20 до 593 К и показано влияние температуры на временное сопротивление при испытаниях на растяжение.

При понижении температуры до 77 К прочность растет. Дальнейшее понижение температуры до температуры жидкого водорода (20 К) и жидкого гелия (4,2 К) приводит к некоторому уменьшению прочности.

По-видимому, это связано с нарушением адгезионной связи в системе из-за роста внутренних напряжений, обусловленных неодинаковым изменением коэффициентов линейного расширения стекловолокна и связующего. [3]

Стеклопластики широко применяют в ракетной и космической технике. Благодаря тому, что основные компоненты высокопрочных стеклопластиков - эпоксидная смола и стекло - не реагируют с жидким водородом, их применяют для изготовления топливных баков.

Ряс. 3. Влияние низких температур на прочность волокнистого стеклопластика на основе эпоксидной смолы: а - кривые растяжения при температурах, К: 1-20; 2-77; 3-293; 4-393; 5-493; 6-593; б - изменение у_в (-293 К)

В криогенной технике доля теплопритоков по мостам, подвескам и опорам может доходить до 30-50 %.

Стеклопластики имеют высокий показатель эффективности теплоизоляции k, определяемый отношением величины рабочего напряжения у к коэффициенту теплопроводности л, т. е. k = у/л.

Если для стали 12Х18Н10Т этот показатель составляет 130-180 условных единиц, то для стеклопластиков 11000-20000, т. е. на два порядка выше. Тепловые опоры из стеклопластиков применяют в криогенных трубопроводах. Стеклопластиковые трубопроводы незаменимы в случаях, когда необходима хорошая теплоизоляция, а ткаже в помещениях, содержащих коррозионно-активные пары и газы. Конструктивно такие трубопроводы представляют собой два коаксиальных цилиндра с центрирующими опорами, имеющими минимальный тепловой контакт с внутренним и наружным трубопроводами (рис. 4).[2]

Рис. 4. Опора криогенного трубопровода:

1 - трубопровод; 2 - хомут; 3 - стеклопластиковый палец; 4 - опора; 5 - кожух

Углепластики (углеволокниты) - пластики, армированные углеродными волокнами, - характеризуются высоким уровнем прочности и жесткости. В качестве связующих для углепластиков конструкционного назначения применяют эпоксидные смолы.

Важной качественной характеристикой материала является его стойкость при ударном воздействии, которая оценивается ударной вязкостью. В процессе изготовления, транспортировки, сборки, эксплуатации изделия могут подвергаться воздействию случайных ударов. При этом у волокнистых композитных материалов может произойти расслоение, разрыв волокон, сдвиговое микрорастрескивание. Наиболее ударостойким является углепластик квазиизотропной структуры армирования. [2]

Клеящие материалы

Клеями называют композиции на основе полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам. Клеи позволяют соединять разнородные материалы в различных сочетаниях. Клеевые швы атмосферостойки, не подвержены коррозии, позволяют обеспечивать герметичность соединений.

Клеевые соединения используют как при низких климатических температурах, так и в условиях глубокого холода. Их применяют в строительных конструкциях в судостроении, в автомобильной и авиационной промышленности, ракетно-космической технике и др.

Эпоксидные клеи используют для получения сборного железобетона в гидротехническом строительстве, мостостроении, промышленном и гражданском строительстве. При монтаже пролетов мостов клеи наносят на стыкуемые поверхности, элементы соединяются и дается натяжение сквозной металлической арматуры. После отверждения клея производится монтаж очередного элемента. Хотя несущая способность моста обеспечивается в основном за счет предварительно напряженной арматуры, использование клея вместо так называемого сухого стыка или стыка на цементном растворе дает существенные преимущества. Темпы монтажа возрастают на 30-40 %, трудоемкость снижается в 1,8-2 раза, значительно повышается качество стыков. С применением клеевой технологии изготовлены мосты через такие крупные реки, как Днепр, Ока, Москва и др.

Эпоксидные клеи вводят в трещины железобетонных конструкций, что позволяет отказаться от их полной замены, например при восстановительных работах в районах землетрясений. Сочетание клеев и традиционных видов крепления - болтов, винтов и сварки - перспективно для металлических ферм и вантовых конструкций. При этом улучшается работа соединения на неравномерный отрыв и повышается надежность в случае пожара. [3]

К числу наиболее распространенных герметиков для металлических изделий относится тиоколовый каучук (тиокол).

Авиационная техника широко использует различные клеи для склеивания элементов конструкций из стеклотекстолитов, органических и силикатных стекол, для крепления к металлу теплоизоляционных материалов, резины, пластмасс и других материалов.

Для герметизации отсеков ракет, самолетов и другой техники, не соприкасающейся с маслами и топливом, применяют полисилоксаны с отвердителями, обеспечивающими их отверждение при комнатной температуре. Для отсеков, соприкасающихся с маслом и топливом, применяются фторорганические герметики.

Полисилоксановые и фторорганические герметизирующие пленки не разрушаются при длительном воздействии на них кислорода и озона; они сохраняют эластичность при низких температурах (до -60°С); имеют высокую водостойкость.

В самолетостроении применяют композиционные материалы -преимущественно угле- и боропластики с эпоксидным связующим в клееных конструкциях, повышающих прочность и снижающих массу изделий.

В качестве конструкционных клеев в авиационной технике обычно используют пленочные, а также жидкие клеи на основе модифицированных эпоксидных и фенолкаучуковых полимеров.

Большое применение находят клеи в ракетной технике. В настоящее время нет ни одной ракеты, ни одного космического летательного аппарата, где бы не использовались клеевые соединения. Клеи выдерживают очень высокие температуры и глубокое охлаждение, сохраняя при этом достаточную прочность. Их применяют для крепления теплоизоляции резервуаров криогенных жидкостей, топливных баков ракет и космических летательных аппаратов. Клеевые составы используют для крепления слоя теплоизолирующего пенопласта к цистернам для хранения и транспортировки природного газа.[2]

В криогенном машиностроении широко используют модифицированные эпоксидные и полиуретановые клеи, а также клеи на основе ароматических полимеров. Клеи на эпоксидной основе могут работать в широком температурном интервале от -269 до +1000 °С. Эти клеи имеют наиболее высокие физико-механические свойства в криогенных условиях, что позволяет осуществлять соединения таких разнородных материалов, как медь-аустенитная сталь, алюминий-стеклопластик, работающих при температурах до 4,2 К. Прочность и вакуумная плотность таких клеевых соединений сохраняется после воздействия десятков циклов перепада температур от 77 до 433 К (Табл. 1).

При криогенных температурах применяют также эпоксидные армированные пленочные клеи, позволяющие получать клеевые соединения с высокими прочностными показателями. В качестве армирующих материалов обычно используют различные синтетические ткани - полиамидные, стеклянные и др. Армирующие материалы позволяют уменьшить усадку клея при охлаждении и выровнять напряжения в соединении.

Таблица 1. Прочность клеевых соединений на основе эпоксидных смол

В табл. 2 приведены некоторые физико-механические характеристики эпоксидного связующего и конструкционных материалов, наиболее широко применяемых в криогенной технике.

Прочность и модуль упругости эпоксидного клея значительно ниже, а коэффициент термического расширения на порядок выше соответствующих показателей конструкционных материалов.

Из-за различия физико-механических характеристик клея и склеиваемых материалов в клеевой прослойке при колебании температуры могут возникать опасные термические напряжения, способные привести к ее разрушению. Напряженное состояние можно уменьшить подбором наполнителей, от которых зависят коэффициент термического напряжения и модуль упругости клея.

Таблица 2. Физико-механические свойства материалов

Влияние наполнителей на величину термической усадки клеевых композиций при охлаждении иллюстрирует рис. 5. Наибольшую степень снижения коэффициента термического расширения имеет клеевая композиция, наполненная мелкодисперсным нитридом бора. Введение наполнителей одновременно способствует повышению прочности и жесткости клеевых композиций.

На рис. 6 показано изменение прочности клеевых соединений алюминий-алюминий и алюминий-стеклопластик в зависимости от содержания нитрида бора в эпоксидном связующем. Варьируя содержание нитрида бора в клее и тем самым изменяя его коэффициент термического расширения, можно подобрать оптимальный состав клеевой композиции для склеивания различных материалов.

Рис. 5. Зависимость коэффициента термического расширения клеевых композиций на основе эпоксидной смолы от объема наполнителя:

1 - нитрид бора; 2 - алюминий; 3 - кварц

Рис. 6. Влияние содержания нитрида бора на прочность клеевых соединений алюминия при 77 К (а) и 293 К (б):1 - соединение алюминий-стеклопластик; 2 - соединение алюминий-алюминий

Клеевые составы используют для крепления слоя теплоизолирующего пенопласта к цистернам для хранения и транспортировки природного газа. Их эффективно применяют в клеевых теплообменниках с перфорированными пластинами.

Фирма “Linde AG” (Германия) применяет клеи в конструкциях воздухоразделительных установок. С использованием модифицированной эпоксидной смолы изготовлено резьбовое неразъемное соединение корпуса вентиля из алюминиевого сплава и трубки из нержавеющей стали. [3]

Фирма “Narmco Materials Div. Of Whitaker Corp” (США) разработала три эпоксиполиаминных клея для применения при температуре до 33 К. Клеи предназначены для склеивания деталей баков криогенного топлива и окислителей.

Для соединения различных материалов в радиоэлектронной аппаратуре применяют галлиевые клеи, которые называются также клеями-припоями.

Соединения, получаемые на основе этих клеев, имеют высокие теплопроводность и электропроводность, достаточно высокую механическую прочность, повышенную стабильность размеров в процессе эксплуатации, выдерживают воздействие температур от -196 до 800 °С. Эти клеи отверждаются при комнатной температуре.

При электромонтажной пайке радиоэлектронной аппаратуры возможно нарушение режима работы термочувствительных элементов. Для монтажа термочувствительных полупроводниковых приборов применяют токопроводящие клеи - контактолы.

С их помощью выполняются внутренние соединения в труднодоступных для пайки местах, крепление активных элементов на микроплатах, восстановление проводящих участков печатных плат и др. Свойства токопроводящих клеев приведены в табл. 3. [2]

Таблица 3. Свойства токопроводящих клеев

Резины

Резинотехнические изделия получают при специальной термической обработке (вулканизация) прессованных деталей из сырой резины, являющейся смесью каучука с серой и другими добавками.

Сущность вулканизации состоит в «сшивании» нитевидных молекул каучука с образованием пространственной трехмерной макромолекулы сетчатого строения.

Применение резин в технике обусловлено их уникальной способностью обратимо деформироваться на сотни процентов под действием небольших механических нагрузок, поглощать и рассеивать механическую энергию, длительно выдерживать динамические нагрузки при высоких значениях деформации.

С понижением температуры все резины охрупчиваются. Резины общего назначения можно эксплуатировать в интервале рабочих температур от -50 до +150 °С. Нижней границей рабочих температур резин специального назначения является температура -80 °С (табл. 4). [3]

Ряд групп резин успешно применяется в области пониженных температур. К ним относятся резины общего назначения, предназначенные для производства шин, работающих в обычных условиях окружающей среды.

Таблица 4. Свойства хладостойких изделий резинного назначения Бутадиенметил-стирольный (СКМС) и бутадиен-стирольный (СКС) 0,94 31 800 16 -80 +130

Морозостойкие резины применяются для изготовления хладостойкой техники. С понижением температуры эти материалы переходят в твердое (некристаллическое) стеклообразное состояние. К морозостойким резинам относят эластомеры, сохраняющие способность к реализации высокоэластических деформаций при температуре ниже -50°С. Еще одним из распрстраненных изделий из резины являются резино-тканевые ремни и ленты. Конвейерные ленты применяют для перемещения грузов по горизонтали или при небольшом уклоне. Такие ленты выпускают общего и специального (теплостойкие, морозостойкие, малостойкие и “пищевые”) назначения.

Важнейшей группой изделий из резины являются рукава. Широкое распространение получили монтажные резиновые материалы и резиновые детали машин. К монтажным материалам относятся резиновые кольца, амортизационные резиновые шнуры, резина техническая листовая. [2]

Лакокрасочные материалы

Лакокрасочные материалы и композиции предназначены для образования лакокрасочных покрытий, служащих для защиты машин и механизмов от воздействия среды (защитные покрытия), придания им внешнего вида, отвечающего требованиям технической эстетики (декоративные покрытия), а при объединении этих свойств подобные покрытия носят название «защитно-декоративные покрытия».

Такие покрытия представляют собой наиболее распространенную группу материалов. Отдельную категорию составляют лакокрасочные покрытия с особыми свойствами (антиадгезионные, электроизоляционные, токопроводящие, светящиеся и др.).

Основные компоненты лакокрасочных материалов - пленкообразователи, растворители и пигменты. Для удешевления лакокрасочных материалов в них добавляют наполнители. Применение в качестве наполнителей слюды и асбеста способствует повышению термостойкости покрытий. К лакам и эмалям, устойчивым при пониженных температурах, принято относить перхлорвиниловые лаки и эмали, эпоксидные лаки и эмали и т.д. Эти лакокрасочные покрытия обладают хорошей стойкостью к химическим реагентам, бензину, маслам и воде, и сохраняют эти свойства при температурах до -60 °С.

Еще одним видом лакокрасочных покрытий являются порошовые краски. Порошковые краски выпускаются в виде твердых порошкообразных композиций, образующих пленки после нанесения на металлические, стеклянные, бетонные и другие термостойкие поверхности.

Эпоксидные порошковые краски предназначаются для защиты изделий низкотемпературной техники, магистральных трубопроводов, химического оборудования и др. [2].

Заключение

криогенный лакокрасочный полимер

Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5-6 раз ниже, и они в 4-5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно растет использование неметаллических материалов.

Низкотемпературные технологии все шире используются в различных отраслях промышленности. Это оборонные технологии, ракетно-космическая техника, физика высоких энергий; переработка, очистка и сжижение различных газов, пищевая и медицинская промышленность. В последние годы наметилась тенденция перевода добывающих и перерабатывающих предприятий в зоны суровых климатических условий - за Северный полярный круг. Приемы и методы эксплуатации оборудования, а также используемые материалы в этих зонах принципиально отличаются от применяемых в регионах с умеренным климатом.

Разработка, выбор и производство материалов для изготовления хладостойких изделий ответственного назначения является одной из центральных проблем в современном материаловедении.

Библиографический список

1. Polymer properties at room and cryogenic temperature / Gьnter Hartwig. - N-Y: Plenum Press, 1994 - 273p.

2. Материалы для низких и криогенных температур: Энциклопедический справочник / Солнцев Ю.П. и др. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2008 - 768 с.

3. Материаловедение: Учебник для вузов / Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007 - 784 с.

4. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б. Н. Арзамасов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. -- 384 с.

Размещено на Allbest.ru