IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Надежность - это один из основных показателей качества изделий, проявляющийся во времени и отражающий изменения, происходящие в машине на протяжении всего времени ее эксплуатации. Надежность должна рассчитываться уже на стадии проектированию так же, как это делается для оценки прочности, деформации, тепловых нолей и других характеристик ответственных изделий.

Поэтому не статистические данные, в расчет и прогнозирование возможного поведения машины в предполагаемых условиях эксплуатации, технологическое обеспечение заданных показателей качества, специальные испытания и регламентация условий эксплуатации машин являются основной для управления надежностью и обеспечения ее требуемого уровня.

Одно из направлений, которое возникло в машиностроении, связано с изучением физики отказов (износа, усталостной прочности, коррозии), с разработкой методов расчета на прочность, износ, теплостойкость и др., с применением технологических приемов, обеспечивающих необходимую надежность машины.

Теоретической основой науки о надежности являются результаты исследований естественных наук, изучающих физико-химические процессы разрушения, старения и изменения свойств материалов, из которых изготовлены машины или которые необходимы для их функционирования (топливо, смазка и т. п.).

Сюда относятся науки, изучающие виды механических разрушений материалов (сопротивление материалов, ползучесть), изменения, происходящие в материалах и их поверхностных слоях (физико-химическая механика, триботехника), химические процессы разрушения в материалах (коррозия металлов, старение полимеров) и др.

При этом возникают разнообразные причинно-следственные связи как формы проявления всеобщей универсальной связи явлений в природе. Накопление количества различных воздействий на машину приводит к эволюции ее качественных показателей, в соответствии с законами диалектики к возможности перехода в иное качественное состояние.

Машину нельзя изолировать от влияния среды, в которой, они работает, от влияния процессов, которые протекают в ней самой при осуществлении рабочих функций, от действия остаточных явлений, являющихся следствием технологических процессов, применявшихся при изготовлении машины. Все виды энергии - механическая, тепловая, химическая, электромагнитная - воздействуют на машину и вызывают в ней обратимые и необратимые процессы, снижающие ее начальные характеристики. Поэтому необходимо изучать источники и причины вредных воздействий на машину, исследовать физическую сущность процессов, снижающих работоспособность машины, изучать реакцию машины на различные воздействия и на основании этого созда­вать такие системы, которые могли бы в течение необходимого периода времени выполнять заданные функции, не опасаясь взаимодействий с внешней средой.

Надежность изделия является одним из основных показателей его качества. Под качеством технического устройства понимается обычно совокупность свойств, определяющих степень его пригодности для использования по назначению.

Источники и причины изменения начальных параметров машины. Те изменения, которые происходят с течением времени в любой машине и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на машину действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины в целом. При этом имеется три основных источника воздействий:

действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;

внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

потенциальная энергия, которая накоплена в материалах в деталях машины и процессе их изготовления (внутренние напряжения I) отливке, монтажные напряжения).

Принцип разделения материалов трущейся пары вторичными структурами или специальными прослойками - один из основных при создании износостойких материалов.

Одним из принципов выбора износостойких материалов является также правило положительного градиента механических свойств материала по глубине.

Па трение и износ полимерных материалов сильно влияют такие факторы, как температурные условия на поверхности трении, адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей, специфические виды смазки и др.

Структура полимерных материалов и поведение тонких поверхностных слоев, в которых уже при формировании происходит ограничение подвижности молекулярных цепей и разрыхление упаковки макромолекул, оказывает решающее влияние на фрикционные свойства и износостойкость этих пар трения.

Структура поверхности значительно усложняется при применении наполненных полимеров, когда в тончайших слоях происходит существенное изменение надмолекулярных структур, что приводит обычно к повышению износостойкости. Для полимерных материалов характерно также нахождение на поверхности адсорбционных слоев различных веществ, которые оказывают заметное, пока еще малоизученное влияние на процесс трения и износа.

Выбор износостойких материалов нельзя рассматривать в отрыве от смазки поверхностей. Чем надежнее смазка смачивает поверхность трения, тем большую роль в обеспечении износостойкости играют ее свойства. Поэтому применяются специальные методы нанесения рельефа на поверхность трения и специальные структуры материалов, способные удерживать и «охранять смазку. Один из методов обеспечения этих качеств - применение пористых спеченных материалов методами порошковой металлургии. В узлах трения, выполненных из пористых материалов, обеспечивается самосмазывание за счет капилляров, образовавшихся между спекшимися частицами.

Структурная приспособляемость материалов. При оценке возможностей материала обеспечить необходимые антифрикционные и фрикционные свойства при высокой износостойкости следует в едином комплексе рассматривать все основные процессы, происходящие в зоне контакта поверхностей. С этих позиций интересен методический подход проф. Б. И. Костецкого и его сотрудников, которые рассматривают явление так называемой структурной приспособляемости материалов при трении, считая его универсальным и характерным для всех видов изнашивания. Это явление связано с закономерным изменением структуры и свойств поверхностных слоев в энергетически выгодном для данных условий направлении, что приводит к устойчивому динамическому состоянию износостойкости и антифрикционности (или Фрикционности) материала.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ).Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики– наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза.

Боропластики– композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Органопластики– композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п.

Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Библиографические ссылки

1. Н. В. Вигилянская, инж., Ю. С. Борисов, д-р техн. наук, И. А. Демьянов, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Журнал Автоматическая сварка. Январь 2012.

2. Андреева А. В. Основы физикохимии и технологии композитов: Учебное пособие для вузов по направлению "Материаловедение, технология материалов и покрытий" по специальности "Материаловедение в машиностроении" / А. В. Андреева. – М. : Радиотехника, 2001.– 192 с.

Код для цитирования: Скопировать