Теоретические сведения о механических свойствах неметаллов

Механическими свойствами пластмасс называется совокупность свойств, определяющих отношение пластиков к воздействию приложенных внешних сил. К этим свойствам относятся: прочность, твердость, упругость, ударная вязкость, пластичность и истираемость.

В отличие от металлов и сплавов у полимерных материалов существуют особенности механических свойств, связанные с их химическим составом и строением.

Механические свойства пластиков зависят от типа связующего наполнителя, их количественного соотношения, вида и структуры наполнителя (элементарные волокна, ткани, различного переплетения, маты и др.), адгезии связующего к наполнителю, метода и режима изготовления пластика и др.

Механическая прочность термопластов (полиэтилен, полиамиды, органические стекла и др.) также зависит от ориентации молекулярной структуры: например, предел прочности при растяжении σ_в неориентированных термопластов составляет от 1.2 до 8.4 кг/мм², для ориентированных σ_в возрастает в 5-10 раз. Термореактивное связующее в отвержденном состоянии – фенольно-формальдегидная смола в стадии резит, обладает невысокой прочностью и низкой ударной вязкостью.

Определяющим фактором повышения механических свойств пластмасс является введение наполнителей, их количество и ориентация ( приложение А, таблица А.1).

Прессовочные порошки по прочностным характеристикам практически не отличаются от чистых полимеров и детали из таких пластмасс являются несиловыми, свойства материалов изотропны.

Волокнистые наполнители играют заметную роль, а часто специфическую в деталях, работающих под нагрузкой в сложных условиях.

Коротковолокнистые наполнители (очесы хлопка, маты, ровница) в образцах с линейным размером больше размеров волокна непосредственно не воспринимают нагрузку, которая воспринимается связующим и силами вязкости и адгезии передается волокнам наполнителя . Разрушение образца под нагрузкой происходит, в конечном результате, по связующему. Расчет волокнитов ведется по уравнениям прочности чистых полимеров.

Наполнитель в виде бумаги (гетинакс) является войлокобразным и сам по себе обладает высокой прочностью. При пропитке связующим повышается жесткость материала и, при увеличении последнего, в композиции будет возрастать хрупкость материала. Наполнитель несет основную нагрузку, и прочность пластика зависит от сорта бумаги.

Слоистые наполнители в виде шпона, волокон, льна, конопли, синтетических стеклянных непрерывных волокон при растяжении пластика вдоль слоев обеспечивают максимальную механическую прочность, которая практически определяется свойствами чистых волокон, причем свойства материала получаются анизотропными.

Существенное влияние на прочность волокнистых, слоистых пластмасс оказывает угол наклона волокна к направлению растягивающей силы, что указывает на важность правильного конструирования наполнителя пластика с учетом работы детали в конкретных условиях. Для получения материала с высокими значениями прочности и модуля упругости важно, чтобы при одинаковом напряжении деформация наполнителя и связующего были близкими по величине. В производстве текстолитов в качестве наполнителей применяются ткани различных переплетений; необходимо, чтобы удлинения ткани были близкими к удлинению связующего и их соотношение по основе и утку ткани ( в текстолите) составляло 1:1. Самыми высокопрочными конструкционными пластиками являются стеклопластики. Механическая прочность анизотропных стеклопластиков для новейших опытных образцов достигает σ_в = 220-280 кг/мм².

На прочность влияет состав и диаметр волокна. Чем больше количество наполнителя, тем выше прочность пластика. Необходимо учитывать, что связующее не пропитывает наполнитель, а склеивает отдельные волокна, поэтому необходима хорошая адгезия смолы к наполнителю. Механические свойства стеклопластика не являются суммой прочности наполнителя и связующего: приблизительно 90% прочности берет на себя наполнитель, а также существенное влияние на прочность оказывают силы адгезии, действующие между наполнителем и связующим. Для получения стеклопластиков с высокой механической прочностью особенно важно учитывать, чтобы разрывное удлинение связующего было больше, чем у стекловолокна, так как только при этом выполняются условие одновременной работы компонентов.

Связующие стеклопластиков обладают различной прочностью (приложение А, таблица А.2).

При выборе связующего необходимо учитывать рабочие условия детали, например, наиболее теплостойкими являются кремнийорганические стеклопластики, хотя из-за низкой адгезии их механические свойства не высоки.

При изготовлении крупногабаритных изделий необходимо выбирать связующие, отверждаемые процессом полимеризации (полиэфирные и эпоксидные).

Повышение физико-механических свойств стеклопластиков достигается применением новых видов наполнителей (кварцевое, керамическое волокна); обработкой стеклонаполнителя специальными составами (аппретами), повышающими адгезию связующего; применением нетканых ориентированных наполнителей; предварительным натяжением наполнителя.

При растяжении пластмасс основными характеристиками являются предел прочности σ_в при данных условиях испытаний, также упругие постоянные. Сама по себе величина σ_в ещё не дает представления о том, насколько выгодно применение того или иного материала. Важно создание прочных и надёжных конструкций при минимальном весе. Поэтому в авиационной технике принято сравнивать материалы по их удельной прочности.

Удельной прочностью (К) материала называется отношение предела прочности σ к его плотности, т.е.

(1)

Если выразить σ_в в кг/мм², а ρ в г/см³, то их отношение представляет собой так называемую разрывную длину, т.е. длину образца данного материала, который разорвется от собственного веса. Чем больше эта длина, тем выгоднее материалы. Аналогичная характеристика дается для сравнительной оценки упругих свойств: отношение модуля упругости к плотности материала называется удельной жесткостью.

В таблице А.3 (приложение А) приведены сравнительные данные некоторых конструкционных материалов (для анизотропных материалов взяты направления вдоль волокон).

Предел прочности при изгибе для большинства материалов на 30-50% больше, чем при разрыве. Для пластмасс – от 4 до 78 кг/мм². При сжатии жестких пластмасс предел прочности в 1.25- 5 раз больше чем при растяжении и составляет от 1 до 33 кг/мм².