Файл: Вульф Б.К. Авиационные неметаллические материалы (пластмассы и резина).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 59
Скачиваний: 0
Б. К- ВУЛЬФ
АВИАЦИОННЫЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
(ПЛАСТМАССЫ И РЕЗИНА)
1961
4U u
f t |
т |
/ I
По содержанию и объему книга соответствует разделу «Авиационные неметаллические материалы» курса авиацион ного материаловедения для ВТУЗов. Она является дополне нием к ранее изданному учебнику «Авиационное металловеде ние» и предназначена для слушателей военно-воздушных инже нерных академий и высших авиационных инженерных училищ.
В книге содержится описание методов получения, составов, свойств и применения в технике летательных аппаратов ос новных неметаллических материалов — пластмасс и резины.
Книга может быть также использована инженерно-техни ческими работниками Военно-Воздушных Сил и авиационной промышленности.
ВВЕДЕНИЕ
В современных конструкциях летательных аппаратов наря ду с металлами и сплавами все большее применение находят различные н е м е т а л л и ч е с к и е м а т е р и а л ы .
К их числу относятся пластические массы (пластмассы), резина, текстильные и специальные теплозвукоизоляционные материалы, дерево и продукты его обработки, лакокрасочные материалы, клей, герметики и другие.
Ниже рассматриваются некоторые важнейшие неметалличе ские материалы, наиболее широко применяемые в авиационной технике, а именно п л а с т м а с с ы и р е з и н о в ы е м а т е р и а- л ы. Их основой служат преимущественно синтетические продук ты, представляющие сложные высокомолекулярные органиче ские соединения — по л име р ы.
Большое значение синтетических материалов в развитии на шего народного хозяйства не раз отмечалось в постановлениях партии и правительства.
Семилетним планом |
предусматривается увеличение |
произ |
|
водства |
пластических |
масс и синтетических смол |
более |
чем в 7 |
раз. |
|
|
В своем докладе на майском пленуме ЦК КПСС (1958 г.) тов. Н. С. Хрущев подчеркнул, что синтетические материалы играют исключительную роль в самолетостроении. Ярким при мером этого может служить факт изготовления десятков тысяч различных деталей самолетов из конструкционных пластических масс, органического стекла, резины.
Разработанные в последнее время новые марки стеклопла-. стиков на основе эпоксидных, кремнийорганических, полиэфир ных смол и их модификаций отличаются повышенной теплостой костью, а по удельной прочности превышают многие высокопроч ные авиационные стали и легкие сплавы.
Пластмассы все шире используются как заменители тяже лых и дефицитных сплавов — бронз, латуней, качественных ста лей. Однако в настоящее время пластмассы, благодаря ряду присущих им особых свойств, являются во многих случаях не за менителями, но вполне самостоятельными высокоценными ма териалами.
3
Применение пластмасс в авиастроении позволяет снизить вес конструкций и улучшить их качественные эксплуатационные показатели, например вибрационную и коррозионную стойкость; вместе с тем замена пластмассами дорогих металлов, особенно цветных, дает также существенный экономический эффект.
Ниже изложены основные сведения, касающиеся химиче ской природы пластмасс и резиновых материалов, их получения, свойств в различных эксплуатационных условиях и возмож ностей применения в конструкциях летательных аппаратов.
ПЛАСТМАССЫ
I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Пластмассами называют синтетические вещества органиче ской природы, способные при определенных условиях, под влия нием нагревания и давления переходить в пластическое состоя ние и принимать желаемую внешнюю форму.
Основой пластмасс являются с и н т е т и ч е с к и е с мо л ы (связующее вещество); кроме того, в их композицию могут вхо дить н а п о л н и т е л и (ткани, волокнистые вещества, мине
ральные порошки), п л а с т и ф и к а т о р ы |
(смягчители), краси |
тели и другие вещества. |
высокомолекулярные |
Синтетические смолы представляют |
продукты химического взаимодействия (конденсации) или сов местного объединения (полимеризации) молекул различных сложных органических веществ.
Основы учения о высокомолекулярных п о л и м е р а х были заложены, трудами славной плеяды русских и советских хими ков— Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова, Н. Д. Зелинского, А- Е. Фаворского, С. В. Лебедева, а также зарубежных уче ных— Марка, Штаудингера, Карозерса и других.
Дальнейшее развитие сложной области синтетических смол связано с именами советских ученых — А. М. Настюкова, С. Н. Ушакова, К- А. Андрианова, И. П. Лосева, Г. С. Петрова
иряда других.
Кчислу важнейших преимуществ пластмасс необходимо отнести следующие, типичные для большинства из них:
1.Малый удельный вес (1,4—2,0, а в некоторых случаях — значительно меньше, порядка 0,02—0,05).
2.Легкость обработки давлением, что дает возможность
серийного производства совершенно одинаковых деталей. Отпа-
. дает необходимость обработки резанием, внешней отделки, окраски и других трудоемких операций.
3.Хорошие технологические качества — обрабатываемость резанием, склеиваемость, свариваемость.
4.Высокая коррозионная устойчивость и стойкость против загнивания.
5
5. Малая теплопроводность; многие пластики являются хо рошими теплоизоляционными материалами и успешно исполь зуются для защиты от солнца и действия высоких температур, развивающихся в условиях эксплуатации.
6. Высокие механические качества; по значению удельной прочности многие пластмассы стоят выше высокопрочных авиа ционных сплавов. Используя принцип направленности волокон наполнителя, удалось, например, получить пластмассы, по зна чениям прочности ( ай~ 90 кг/мм2), не уступающие сталям, но
в4 раза более легкие.
7.Большая, по сравнению с металлами, стабильность
свойств при нагревании.
8. Наличие специальных свойств — свето- и радиопрозрач ности, эластичности, электроизоляционных, фрикционных, анти фрикционных и других.
К числу недостатков пластмасс как конструкционных ма териалов следует отнести их низкую динамическую сопротив ляемость и сравнительно малый модуль упругости.
|
II. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАСТМАСС |
|
|
|
||
|
Пластмассы можно классифицировать по различным при |
|||||
знакам. |
|
|
|
|
|
|
го |
1. По отношению к нагреванию, в зависимости от выбранно |
|||||
связующего, их делят |
на |
термореактивные |
и |
термопла |
||
стичные. |
|
|
|
|
|
|
|
Т е р м о р е а к т и в н ы е * пластики теряют |
свою |
пластич |
|||
ность после соответствующей тепловой обработки; |
в этом случае |
|||||
они |
переходят в т е р м о с т а б и л ь н о е состояние, становятся |
|||||
неплавкими и нерастворимыми |
в органических |
растворителях. |
||||
|
Такими свойствами |
обладают, например, |
|
ф е н о л ь н о - |
ф о р м а л ь д е г и д н ы е с мо л ы , составляющие основу многих высокопрочных авиационных пластмасс.
Т е р м о п л а с т и ч н ы е пластики размягчаются при "каж дом повторном нагреве. Термопластичными свойствами обла дает, например, м е т и л - м е т а к р и л а т , из которого изготов ляется прозрачное органическое стекло (плексиглас).
2. По типу связующей смолы; в настоящее время иззестно
большое количество разнообразных |
синтетических |
смол с раз |
личными свойствами. |
|
|
К числу важнейших термореактивных смол, |
помимо ф е- |
|
н о л ь н о - ф о р м а л ь д е г и д н ы х , |
относятся |
м о ч е в и н о - |
ф о р м а л ь д е г и д н ы е и м е л а м и н о - ф о р м а л ь д е г и д -
* По проекту ГОСТ термореактивные пластмассы называются р е а к то- п л а с т а м и .
6
н ы е, а также разработанные в последнее время э п о к с ид н ы е,
п о л и с и л о к с а н о в ы е и п о л и э ф и р н ы е |
смолы. |
К ним |
|
Число термопластичных смол значительно |
больше. |
||
относятся |
п о л и а к р и л о в ы е , п о л и в и н и л х л о р и д н ы е , |
||
п о л и с т и р о л о в ы е , п о л и э т и л е н о в ы е |
и тому подобные |
||
смолы. Термопластичными свойствами обладают также |
эфиры |
||
целлюлозы |
( н и т р о ц е л л ю л о з а , а ц е т и л ц е л л ю л о з а ) , |
производные фторэтилена (фторопласты) и п о л и а м и д н ы е смол ы.
Получение синтетических смол основано на реакциях' поли конденсации и полимеризации.
П о л и к о н д е н с а ц и о н н ы е с м о л ы представляют про дукты реакции к о н д е н с а ц и и ; последняя состоит в образова нии больших молекул из молекул различных веществ с меньшим молекулярным весом, причем между углеродными атомами воз никают новые связи. Как правило, в таких реакциях выделяется побочный продукт, например вода. Примером реакции поликон денсации может служить образование фенольно-формальдегид- ной смолы в результате взаимодействия фенола и формальдеги да. В определенных условиях сначала образуется промежуточ ное вещество по реакции:
2 С6 Н5 ОН + СН2 О -> С6 Н4 (ОН) - СН2 - С6 Н4 (ОН) + Н2 О
фенол |
формальдегид |
промежуточное вещество |
вода |
||||||
|
|
|
(диоксидифенилметан) |
|
|||||
В этой реакции атом кислорода, входящий в функциональ- |
|||||||||
ную альдегидную группу |
|
// ^ |
, взаимодействует |
с двумя |
|||||
-Су |
|||||||||
|
|
|
\ н |
|
|
|
|
|
|
атомами водорода бензольных колец фенола. |
|
|
|
|
|||||
Дальнейшая конденсация образовавшегося продукта при |
|||||||||
водит к получению н о в о л а ч н о й |
фенольно-формальдегидной |
||||||||
смолы, причем образуются гигантские линейные |
молекулы сле |
||||||||
дующего строения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СНа — |/ ч , - СН,-“ 1 |
I |
^п2 |
/ \ |
1 |
- СН2 - . . . |
||||
\ |
/ |
1 |
1 |
|
1 |
/ |
|
|
|
\ |
/ |
|
\ |
|
|
|
|||
|
он |
он |
|
он |
|
|
|
||
Таким образом, общими характерными условиями |
реакции |
конденсации является о т щ е п л е н и е |
п о б о ч н ых |
п р о д у к |
тов и наличие в исходных веществах |
ф у н к ц и о н а л ь н ы х |
|
г р у пп , способных реагировать друг с другом. |
получают |
|
П о л и м е р и з а ц и о н н ы е . с м о л ы |
(полимеры) |
ся в результате объединения нескольких ненасыщенных |
молекул, |
обычно о д н о г о и т о г о ж е вещества (мономера), |
в более |
крупные; реакция в этом случае идет за счет частичного разры-
7
ва двойных связей без выделения побочных продуктов. Напри мер, образование полиэтилена протекает по схеме:
п (С Н , = С Н 2) - > --------СН 2- с н 2 |
СН2 - СН2 -С Н 2 - СН2 - • • |
этилен |
полиэтилен |
(мономер) |
(полимер) |
Реакция полимеризации требует перехода молекул мономе ра в а к т и в н о е сост оя ние . Это может быть достигнуто ли бо воздействием энергетических влияний (световые лучи, элект
рический разряд, а-частицы), |
либо применением и н и ц и а т о |
|
ров, участвующих в реакции. |
К числу инициаторов |
относятся |
различные перекиси (например, перекись бензоила), |
диазоами- |
добензол и т. п. вещества.
В случае р а з л и ч н ы х веществ, участвующих в полимери зации, получаются так называемые с о п о л и ме р ы . В последнее время успешно используется принцип получения «привитых» по лимеров. «Привитые» полимеры образуются в результате при соединения к молекуле основного полимера боковых отростков молекул другого вещества. Таким методом можно получать ма териалы, обладающие новыми, заранее заданными свойствами, сообщаемыми «привитым» веществом. Например, если к поли стиролу «привить» каучук, то, сохраняя высокие диэлектриче ские свойства полистирола, новый продукт становится в не сколько раз более прочным по отношению к ударным нагрузкам.
3. По типу наполнителя различают пластмассы с наполни
телями: |
с л о и с т ы м (стеклоткань, хлопчатобумажная |
ткань, |
|
бумага, |
асбестовая ткань), |
в о л о к н и с т ы м (древесная мука, |
|
хлопковые очесы — линтер, |
стеклянная пряжа, асбестовое во |
||
локно) |
и п о р о ш к о б р а з н ы м , обычно минеральным |
(гипс, |
|
слюда, |
кварц, каолин). Существуют пластмассы и без |
напол |
нителя. ’ 4. По применению можно различать следующие группы
пластмасс: |
|
лета |
1. К о н с т р у к ц и о н н ы е — для силовых деталей |
||
тельных аппаратов |
(обшивка и силовой набор фюзеляжа, |
кры |
ла, стабилизатора; |
элероны, закрылки, триммеры, обтекатели; |
контейнеры баков для горючего; лопатки и диски компрессора). К этой группе относятся различные марки стеклотекстолита и отчасти текстолит. В силовых конструкциях применяются также пенопласты, в качестве легкого заполнителя пустотелых деталей с целью повышения их жесткости и вибростойкости.
2. К о мп о з и ц и о н н ые , в том |
числе волокнистые, и |
пластмассы на основе пресспорошков |
для несиловых деталей |
(детали электрооборудования, штурвалы, рукоятки, педали,.кноп ки). Сюда относятся прессматериалы на основе бакелитовых смол, аминопласты и другие.
8