Композиционные материалы

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.

Композиционные  материалы с металлической матрицей.

При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы  применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или  высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле  частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны  –одинаковы во всех направлениях. Добавление 5–10% армирующих наполнителей (тугоплавких  оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности  композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный  хромоникелевый сплав тонкодисперсных  порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого  сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в  расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать  при температурах до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические  наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей  хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создает  значительные технологические трудности  при изготовлении изделий, тогда  как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет  переформование. Получают такие композиты  пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением  с порошком металла и последующим  спеканием и т.д.

 

Композиционные материалы на основе керамики.

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными  частицами позволяет получать высокопрочные  композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного  материала. Часто используют металлические  волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам –  материал меньше растрескивается при  нагревании, но возможны случаи, когда  прочность материала падает. Это  зависит от соотношения коэффициентов  термического расширения матрицы и  наполнителя.

Армирование керамики дисперсными  металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с  повышенной стойкостью, устойчивостью  относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных  керметов делают детали для газовых  турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы  используют для изготовления режущих  инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных  областях техники – это тепловыделяющие  элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы  для тормозных устройств и  т.д.

Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим  спеканием под давлением) или  методом шликерного литья (волокна  заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также  подвергается спеканию).

 

 

 

Экономическая эффективность применения композиционных материалов.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в  авиации для высоконагруженных  деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей  (лопаток компрессора и турбины  и т. д.), в космической технике  для узлов силовых конструкций  аппаратов, подвергающихся нагреву, для  элементов жесткости, панелей, в  автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов  и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных  конструкций высотных сооружений и  т. д.) и в других областях народного  хозяйства.

Применение  композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОБЩИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

В зависимости от характера  коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа  определяется его эффективностью в  данном конкретном случае, а также  экономической целесообразностью.

 

Легирование

Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое называется легирование.

В настоящее время создано  большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет  место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании  легирующих добавок коррозионная стойкость  меняется скачкообразно. Установлено  правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение  устойчивости к коррозии железа наблюдается  при введении легирующей добавки  в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки  приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении  атомов происходит их упорядоченное  расположение в кристаллической  решетке твердого раствора, что и  затрудняет коррозию.

 

Защитные  пленки

Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами, поэтому они препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит процесс коррозии. Именно поэтому важное значение имеет качество покрытия – толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.

Для снижения смачиваемости  водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми  составами или кремнийорганическими соединениями. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной  коррозии. В большинстве случаев  они непригодны для защиты подземных  сооружений и конструкций, так как  трудно предупредить механические повреждения  защитных слоев при контакте с  грунтом. Опыт показывает, что срок службы лакокрасочных покрытий в  этих условиях невелик. Намного практичнее оказалось применять толстослойные  покрытия из каменноугольной смолы (битума).

В некоторых случаях пигменты красок выполняют также роль ингибиторов  коррозии (об ингибиторах будет сказано  далее). К числу таких пигментов  относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO₄,  PbCrO₄,  ZnCrO₄).

Грунтовки и фосфатирование

Часто под лакокрасочный  слой наносят грунтовки. Пигменты, входящие в ее состав, также должны обладать ингибиторными свойствами. Проходя  через слой грунтовки, вода растворяет некоторое количество пигмента и  становится менее коррозионноактивной. Среди пигментов, рекомендуемых  для грунтов, наиболее эффективным  признан свинцовый сурик Pb₃O₄.

Вместо грунтовки иногда проводят фосфатирование поверхности  металла. Для этого на чистую поверхность  кистью или распылителем наносят  растворы ортофосфатов железа (III), марганца (II) или цинка (II), содержащих и саму ортофосфорную кислоту H₃PO₄.

Для фосфатирования поверхности  стальных изделий разработано несколько  различных препаратов. Большинство  из них состоят из смеси фосфатов марганца и железа. Возможно, наиболее распространенным препаратом является “мажеф” – смесь дигидрофосфатов  марганца Mn(H₂PO₄)₂, железа Fe(H₂PO₄)₂ и свободной фосфорной кислоты.

 

Электрохимическая защита

В производственных условиях используют также электрохимический  способ – обработку изделий переменным током в растворе фосфата цинка при плотности тока 4 А/дм² и напряжении 20 В и при температуре 60-70^°С. Фосфатные покрытия представляют собой сетку плотносцепленных с поверхностью фосфатов металлов. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают надежной коррозионной защиты. Преимущественно их используют как основу под окраску, обеспечивающую хорошее сцепление краски с металлом. Кроме того, фосфатный слой уменьшает коррозионные разрушения при образовании царапин или других дефектов.

 

 

 

 

Силикатные  покрытия

Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность  изделий водной суспензии или  сухим напудриванием. Вначале на очищенную поверхность наносят  грунтовочный слой и обжигают его  в печи. Далее наносят слой покровной  эмали и обжиг повторяют. Наиболее распространены стекловидные эмали  – прозрачные или загашенные. Их компонентами являются SiO₂ (основная масса), B₂O₃, Na₂O, PbO. Кроме того, вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей, оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью, глушители, красители. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6-10% глины. Эмалевые покрытия в основном наносят на сталь, а также на чугун, медь, латунь и алюминий.

Эмали обладают высокими защитными  свойствами, которые обусловлены  их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая  стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим  ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может  появиться сетка трещин, которая  обеспечивает доступ влаги и воздуха  к металлу, вследствие чего и начинается коррозия.

 

Цементные покрытия

Для защиты чугунных и стальных водяных труб от коррозии используют цементные покрытия. Поскольку коэффициенты теплового расширения портландцемента  и стали близки, то он довольно широко применяется для этих целей. Недостаток портландцементных покрытий тот  же, что и эмалевых, – высокая  чувствительность к механическим ударам.

Покрытие  металлами

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной  оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами: горячее покрытие – кратковременное погружение в ванну с расплавленным металлом; гальваническое покрытие – электроосаждение из водных растворов электролитов; металлизация – напыление; диффузионное покрытие – обработка порошками при повышенной температуре в специальном барабане; с помощью газофазной реакции, например:

3CrCl₂ + 2Fe 1000°C, 2FeCl₃ + 3Cr (в расплаве с железом).

Имеются и другие методы нанесения металлических покрытий. Например, разновидностью диффузионного  способа является погружение изделий  в расплав хлорида кальция, в  котором растворены наносимые металлы.

В производстве широко используется химическое нанесение металлических  покрытий на изделия. Процесс химического  металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором  является поверхность изделия. Используемый раствор содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку  катализатором является поверхность  изделия, выделение металла и  происходит именно на ней, а не в  объеме раствора. В настоящее время  разработаны методы химического  покрытия металлических изделий  никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих металлов. В качестве восстановителей  используют гипофосфит и боргидрид  натрия, формальдегид, гидразин. Естественно, что химическим никелированием можно  наносить защитное покрытие не на любой  металл.