Композиционные материалы

/

/

1. Историческая справка с профессии. Социальное индустриальное значение профессии

2. Характеристика и анализ деятельности хозяйства, в котором ученик проходил производственную практику

2.1 Санитарно-гигиенические нормы. Техника безопасной работы

2.2 Новейшие технологии

3. Технология монтажа санитарно-технических систем и оборудований

3.1 Заготовительные работы согласно производственного задания

3.2 Организация заготовительных работ

3.3 Изготовление монтажных узлов и деталей из стальных труб

3.4 Изготовление монтажных узлов из чугунных труб

3.5 Изготовление монтажных узлов из термопластов

3.6 Собирание монтажных узлов, блоков

3.7 Подготовка к монтажу отопительных котлов, котельно-вспомогающего оборудования

4. Монтажно-собирательные работы согласно производственного задания

4.1 Подготовка к производству в монтажной организации

4.2 Состав, строение и свойства композиционных материалов

4.3 Классификация композиционных материалов

4.4 Структура композиционных материалов

4.5 Монтаж отопительных котельных установок

4.6 Монтаж отопительных систем

4.7 Изоляционные работы

4.8 Монтаж систем центрального отопления

4.9 Прокладка внутри квартальной и дворовой системы

4.10 Монтаж внутреннего водопровода

5. Подготовительные работы согласно производственному заданию

5.1 Подготовительные работы согласно производственному заданию

5.2 Преимущества композиционных материалов

5.3 Установление санитарных приборов

5.4 Монтаж внутренних водостоков

5.5 Монтаж внутриквартальной и дворовой сети газопотребления и оборудования

5.6 Преимущества и недостатки

5.7 Сетевое планирование и управление при проведении монтажных работ

5.8 Области применения

6. Эксплуатация и ремонт санитарно-технических систем строений

6.1 Организация эксплуатации санитарно-технических систем. Возможные дефекты

6.2 Ремонт оборудования санитарно-технических систем

6.3 Испытания

6.4 Охрана труда согласно заданию

1. Историческая справка с профессии. Социальное индустриальное значение профессии

санитарный труба монтаж водосток

Наверное, самое важное для нас — это жилье, место, где мы отдыхаем, проводим самое приятно время, забываем о заботах, чинах, должностях. Ванная — это, наверное, единственное место, к котором мы не применяем модные тренды, а делаем ее, такой как она, выглядит в наших мечтах. Но мало кто из нас задумывался о истоках возникновения ванн, ванных комнат и сантехники в целом.

В целом от куда взялась сантехника и кто первый внес моду пользоваться ванной, умывальником или унитазом, не известно. Известно лишь то, что это развитие велось с разных направлений и разных культур. Само понятие ванны пришло к нам с 5−6 веков от древних греков. Принятие ванны могли позволить себе не все. Это был не аспект гигиены, для этого хватало кадушки с теплой водой которой, к слову, и пользовались простолюд. Это была целая церемония, подготовка ванны порой начиналась с самого утра… Нет, начнем с производства самой ванны. По правде говоря, формы ванн не очень то и изменились с тех времен, но делали их мастера, делали в индивидуальном порядке, под каждого клиента отдельно. Как правило, из мрамора, чуть позже начали применять медь и серебро. Во время принятия ванн использовались эфирные масла, пены, был и гидромассаж. В то время подарок в виде нового эфирного масла для ванны считался подарком, достойный королей. Но, как видите, с тех пор особо ничего не изменилось. Как и прежде принятия ванны — это целый ритуал. По-прежнему у нас лежат различные масла и соли, и мы любим принимать ванну с пеной. Единственное, что изменилось это доступность ванн. И спасибо мы должны сказать Французам, а точнее мадам Помпадур и Людовику XV, именно они ввели моду на принятие ванн и ее доступность. А до того времени мыться вообще было не модно, и многие обходились без этого. С изобретением унитазов дела обстоят намного сложнее. Сама идея унитаза пришла к нам от древних шумеров. И первой обладательницей ноу-хау того времени была царица Шубат в 2600 г. до н.э. Предметы напоминающие унитаз были найдены в Китае 100 годах до н.э. Ну и, конечно, не обошлось без Греков они дошли до этого 20 годах до н.э. Наверное если бы древние шумеры дожили до наших времен, все Китайские заводы были бы шумерскими. Европейцы, как водится, особо не задумывались о необходимости такого предмета, они были заняты мировым господством и инквизицией. А все остальные, мало важные действия можно было производить в лучшем случаи в кустах, ну в крайнем случаи на улице. Но предмет, который мы привыкли видеть, приобрел формы в начале 20 века благодаря Томасу Крепперу. А уже с 1910 г. началось массового производства изделия. Форма и принцип работы до наших дней не изменился. Двухвентельный смеситель был придуман знаменитым физиком Кельвином в конце 19 века, а чуть позже, а в нашей стране и совсем уже позже, появился однорычажный смеситель, которыми сейчас пользуется добрая половина населения Земли. И все это благодаря Алексу Манукяну. Вот так долго и с препятствиями мы шли к тому, что сейчас есть в каждой квартире или доме. И, казалось бы, что все уже придумано и ничего нового не будет, но когда-то шумеры тоже думали, что стульчак это подарок для королевы.

2. Характеристика и анализ деятельности хозяйства, в котором ученик проходил производственную практику

2.1 Санитарно-гигиенические нормы. Техника безопасной работы На должность монтажника санитарно-технических систем и оборудования назначается лицо, имеющее среднее профессиональное образование и стаж работы по специальности.

Монтажник санитарно-технических систем и оборудования должен знать: правила по охране труда, и противопожарной безопасности; правила внутреннего трудового распорядка; правила пользования средствами индивидуальной защиты; правила испытания санитарно-технических систем и сантехнического оборудования; требования, предъявляемые к готовности объекта под монтаж; правила сдачи выполненных работ; правила разметки мест прокладки трубопроводов, производства замеров с натуры по размещению оборудования и трубопроводов, вычерчивания черновых и замерных эскизов с натуры и по строительным чертежам; правила опробования и испытания оборудования при вводе его в эксплуатацию;

Монтажник санитарно-технических систем и оборудования несет ответственность:

— за ненадлежащее исполнение или неисполнение своих должностных обязанностей, предусмотренных настоящей должностной инструкцией — в пределах, определенных трудовым законодательством;

— за нарушение правил и положений, регламентирующих деятельность предприятия;

— за правонарушения, совершенные в процессе осуществления своей деятельности, — в пределах, определенных действующим административным, уголовным и гражданским законодательством;

— за причинение материального ущерба — в пределах, определенных действующим трудовым и гражданским законодательством;

— за выполнение правил внутреннего распорядка, правил противопожарной безопасности;

2.2 Новейшие технологии Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др. Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения. Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения. Необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15−20%. Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала. Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, борида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10−500 нм при среднем расстоянии между ними 100−500нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5−10 об. %. Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9−0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок).

3. Технология монтажа санитарно-технических систем и оборудований

3.1 Заготовительные работы согласно производственного задания Композиционный материал — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Преимущества композиционных материалов:

— высокая удельная прочность;

— высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 ГПа);

— высокая износостойкость;

— высокая усталостная прочность;

Из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами.

Наиболее частые недостатки композиционных материалов:

— высокая стоимость;

— анизотропия свойств;

— повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

3.2 Организация заготовительных работ Композиты — многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огнеи хим. стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

Композиционные материалы с металлической матрицей представляют собой металлический материал (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненный высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру относительно невелико, и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50−10%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость.

3.3 Изготовление монтажных узлов и деталей из стальных труб Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

3.4 Изготовление монтажных узлов из чугунных труб Если конструкцию монтируют из чугунных труб, то крепление горизонтальных участков, которые обычно располагаются ниже уровня пола, должно устанавливаться через каждые 2 м. Кронштейны могут опираться на стену (но это наименее предпочтительный вариант) или на кирпичные столбы-подпорки. В цехи по обработке чугунных конструкций и фасонные части завозят и укладывают в стеллажи. Отсюда трубы поступают на разметочные верстаки для разметки по эскизу, а затем к станкам для перерезки и перерубки. После этого заготовленные детали труб и фасонные части на сборочных верстаках по эскизам собирают в узлы и заделывают раструбы.

После необходимой выдержки узлы укладывают на стеллажи, откуда направляют на склад готовой продукции. Такой же технологический процесс заготовки трубопровода применяют в случае отсутствия конвейера, но при этом детали передают от операции к операции специальными тележками, передвигаемыми вручную, или посредством подвесных корзин, перемещаемых электрической талью по монорельсу.

Собранные детали и узлы или линии трубопровода, чтобы определить неплотность в соединениях, испытывают воздухом в ванне, наполненной водой. Для этой цели концы заготовки закрывают заглушками, из которых одна глухая, а вторая сквозная с отверстием для подачи воздуха от компрессора. Заглушённую деталь опускают в ванну с водой, после чего открывают кран на воздушном шланге, соединенном с компрессором. Появившиеся воздушные пузырьки указывают места неплотного соединения деталей. Закрытие концов деталей заглушками с резьбой отнимает много времени. Более удобными являются быстросменные эксцентриковые заглушки. Их свободно надевают на конец трубы и закрывают, просто нажимая на эксцентриковую ручку.

Приступая впервые к выполнению работы на монтажном заводе, молодой рабочий должен получить от мастера подробные указания о правилах и приемах безопасного ее выполнения. Работать можно только на исправных станках и механизмах. Все вращающиеся части станка и механизма — зубчатые колеса, шкивы, ременные передачи — должны иметь прочно укрепленное ограждение. Нельзя надевать и переводить на ходу приводные ремни и касаться вращающихся частей, так как при этом можно получить ранение.

3.5 Изготовление монтажных узлов из термопластов Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60−80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) — 20−30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

3.6 Собирание монтажных узлов, блоков При монтаже конструкций необходимо обеспечить:

а) устойчивость и неизменяемость смонтированной части конструкций сооружения на всех стадиях монтажа;

б) устойчивость монтируемых конструкций и их прочность при монтажных нагрузках;

в) безопасность ведения монтажных, строительных и специальных работ на объекте.

Монтаж каждого участка следует начинать со связевой панели или с другой пространственно устойчивой части здания или сооружения.

Сборка и монтаж конструкций, возводимых в районах с расчетной температурой ниже минус 40 °C и до минус 65 °C включительно, должны выполняться без ударных воздействий на конструкции при отрицательных температурах.

Устойчивость конструкций в процессе монтажа должна обеспечиваться соблюдением определенной последовательности монтажа вертикальных и горизонтальных элементов конструкций, установкой постоянных или временных связей, предусмотренных в чертежах КМ или в проекте производства работ.

Элементы конструкций перед подъемом должны быть очищены от грязи, снега, льда; окраска их в поврежденных местах должна быть восстановлена.

Подъем гибких конструкций следует производить с применением усилений или приспособлений, препятствующих возникновению в элементах остаточных деформаций.

Устанавливаемые элементы конструкций до их освобождения от крюка монтажного крана должны быть надежно закреплены болтами, пробками, прихватками, с установкой постоянных или временных связей, распорок, расчалок и т. и., предусмотренных проектом производства работ.

Отверстия в монтажных соединениях, выполняемых на заклепках или болтах повышенной точности, при установке конструкций должны быть заполнены временными болтами и пробками. Диаметр пробок должен соответствовать диаметру отверстий.

Число пробок устанавливается расчетом, при этом усилие на пробку допускается принимать такое же, как на заклепку.

Отверстия в соединениях на болтах грубой и нормальной точности при установке конструкций заполняются постоянными болтами и пробками в таких же количествах.

Количество, размеры и длина прихваток в монтажных сварных соединениях, воспринимающих монтажные нагрузки, определяются расчетом. В монтажных сварных соединениях, не воспринимающих монтажные нагрузки, длина прихваток должна быть не менее 10% длины проектных монтажных швов этого соединения, но не короче 50 мм.

Инструментальная проверка правильности установки конструкций, а также их окончательная выверка и закрепление должны производиться по ходу монтажа каждой пространственно-жесткой секции сооружения.

3.7 Подготовка к монтажу отопительных котлов, котельно-вспомогающего оборудования Для отопления частных жилых домов, допускается установка котлов с отводом продуктов сгорания через наружную стену и герметичной камерой сгорания. Для отопления жилых домов высотой до 10 этажей, допускается установка котлов с отводом продуктов сгорания в дымоход согласно ДСТУ Б В. Б 2.5−33:2007.

В одном помещении должно располагаться не более двух теплогенераторов.

Выбор наиболее оптимального дымохода должен осуществляться специалистом. Вам только необходимо знать, что внутренний диаметр дымохода должен быть не меньше, чем диаметр горловины котла; на пути дымовых газов различных изгибов и колен должно быть минимальное количество; при устройстве дымохода необходимо в обязательном порядке принять меры по предотвращению образования конденсата. Важным условием для бесперебойной работы отопительного газового оборудования являются дымоходы для котлов с естественной вентиляцией.

Для отводов продуктов сгорания от теплогенераторов могут использоваться дымоходы внутри стен зданий и сооружений, пристроенные наружные и внутренние, специальные горизонтальные каналы в наружных стенах для отвода продуктов сгорания от теплогенераторов с герметической топкой. Поперечное сечение дымоходов и величина тяги должны обеспечивать нормальную работу теплогенераторов на всех режимах их работы.

4. Монтажно-собирательные работы согласно производственного задания

4.1 Подготовка к производству в монтажной организации Композиционные материалы — материалы будущего.

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал — конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

4.2 Состав, строение и свойства композиционных материалов Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60−80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20−30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, амидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50−70%, созданы композиции с удельной прочностью и модулем упругости в 2−5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250−300 до 450−500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300−1350 °С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагреве до температуры плавления материала матрицы.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов — выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60−80 ^oС. Композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °C в инертной среде. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием, шликерное литье. Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр. применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычной переработкой слитков в изделия.

Введение

напр., ТhO₂ или ZrO₂ в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100−1200 °С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях 1000−1050 °С). Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио — и электротехнических и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.

4.3 Классификация композиционных материалов

1. Волокнистые композиционные материалы.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру l/d"10ё10і, и с непрерывным волокном, в которых l/d"?. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10−500 нм при среднем расстоянии между ними 100−500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5−10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9−0,95 Т /

/

. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

3. Стекловолокниты.

Стекловолокниты — это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5−20 мкм с /

/

= 600ч3800 МПа и е = 2ч3,5%.

Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

4. Карбоволокниты.

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности.

4.4 Структура композиционных материалов

По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20−25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10−100 нм.

Некоторые распространенные композиты

Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных (эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т. д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

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. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стеклои углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины — биополимеры, биопластики и соответственно — биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

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.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. 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. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так 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.

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 °C.

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. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Пресспорошки (прессмассы). Известно более 10 000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить др. Бакеланд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бакеланд 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. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются в самых разных областях техники. Для наполнения термореактивных и термопластичных полимеров применяются разнообразные наполнители — древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др.

Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920;х г. г. на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда 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.

4.5 Монтаж отопительных котельных установок

До монтажа котла с нижней топкой на затвердевшем фундаменте должны быть возведены стены топки и газоходов до уровня нижних головок секций стены топки, в них закладывают подколосниковые балки. Правильность закладки балок проверяют положением уложенных на них колосников.

Секции чугунного котла собирают, опирая их на боковые стенки тонки. Под неловки секций укладывают асбестовый картон. Секции соединяют на конических ниппелях. Вначале устанавливают крайнюю заднюю секцию, а к ней последовательно присоединяют все средине, а потом переднюю лобовую. Чтобы собираемые секции не упали, их раскрепляют боковыми упорами.

Перед сборкой секции очищают от формовочной земли, а внутренние поверхности ниппельных гнезд и наружные поверхности ниппелей — от ржавчины. Ниппельные гнезда смазывают графитной пастой. На середину ниппеля навертывают кольцо из асбестового шнура, пропитанного также графитной пастой. Ниппели вставляют в верхнее и нижнее ниппельные гнезда секции.

Секции стягивают двумя стяжными болтами, вставляемыми в верхнее и нижнее ниппельные отверстия. Под гайки стяжного болта подкладывают шайбы большого диаметра, которые перекрывают ниппельные гнезда. Секции стягивают, постепенно подвинчивая гайки одновременно на обоих болтах, чтобы секция не имела перекоса. Зазор между ниппельными головками не должен быть более 2 мм. Чтобы секции при сборке не были разорваны, их нужно стягивать плавно и равномерно, без рывков.

По окончании сборки пакета секций монтажные болты заменяют постоянными стяжными. К собранным пакетам присоединяют отводы и тройники, связывающие оба пакета между собой.

Монтаж котлов можно вести с использованием пакетов, собранных и испытанных в ЦЗМ. Такие пакеты, состоящие из комплекта секций одной половины котла, доставляют на объект и устанавливают на место автокраном.

Для удобства сборки секционных чугунных котлов и в целях безопасности производства работ применяют приспособление, приведенное на 160.

После сборки котлы подвергают гидравлическому испытанию. Для этого на всех открытых патрубках ставят заглушки, оставив лишь отверстия для наполнения котла водой и для выпуска воздуха. Наполнив котел водой, давление поднимают до заданного с помощью присоединенного к котлу гидравлического пресса. Водогрейные котлы испытывают давлением, превышающим рабочее давление на 20%, но не менее 3 кгс/см², а паровые котлы давлением на 2 кгс/см² выше рабочего давления. Сборка котлов считается правильной, если в течение 5 мин нахождения под заданным давлением оно не будет падать.

При гидравлическом испытании не должно быть течи или потения на стенках и соединениях котла. При выявлении течи или потения места дефектов нужно обвести мелом, постепенно снизить давление, спустить воду из котла, устранить неисправности и вторично подвергнуть испытанию.

Закончив гидравлическое испытание, приступают к монтажу топки, обмуровке котла кирпичной кладкой или крупными блоками из жароупорного бетона или установке металлического кожуха; устанавливают колосники, навешивают фронтовую плиту, загрузочную и зольниковую дверцы, присоединяют зольник к дутьевому каналу с помощью дутьевой коробки, устанавливают шиберные блоки, укрепляют тросы и контргрузы.

На смонтированный котел устанавливают арматуру. До установки арматуры на котел ее нужно разобрать, чтобы проверить, прочистить и притереть, затем вновь собрать и проверить на герметичность и прочность гидравлическим испытанием.

Затем, положив деревянные клинья, устанавливают на болты центробежный насос с электродвигателем. Клинья постепенно раздвигают для того, чтобы анкерные болты полностью прошли в отверстия плиты насоса и электродвигателя. После этого навинчивают гайки, выверяют центробежный насос по отвесу и уровню, подливают под плиту цементный раствор, завинчивают гайки, устанавливают ограждение соединительной муфты.

Трубопровод прокладывают по заданному уклону. Уклоны трубопровода должны быть направлены в сторону водоспускных устройств, а подъем — в сторону воздухоудаляющих устройств. Уклоны принимают не менее 0,002.

Трубопроводы собирают на сварке, за исключением участка, который присоединяется к котлу и насосу. Задвижки устанавливают и присоединяют к трубопроводу на фланцах, приваренных к нему.

Участки трубопроводов, собираемые на сварке, должны быть тщательно подогнаны один к другому.

На водогрейных котлах для предупреждения повышения давления выше допустимого устанавливают два рычажных предохранительных клапана. Выкидную трубу от клапана выводят к раковине в котельной с таким расчетом, чтобы горячая вода не могла обжечь находящихся в котельной людей.

4.6 Монтаж отопительных систем

До монтажа трубопроводов в здании должны быть установлены нагревательные приборы и расширительный сосуд. Во многих случаях трубопровод монтируют одновременно с установкой нагревательных приборов. Размечать оси трубопроводов всей системы желательно сразу. Тогда одновременно можно вести монтаж магистральных трубопроводов и стояков. Оси стояков на стенах размечают с помощью отвеса и шнура, натертого мелом, после пробивки отверстий в стенах и перекрытиях. При разметке на стенах в каждом этаже около отбитой по шнуру линии надписывают номер стояка и диаметр трубопровода. При двухтрубной системе отопления размечают только оси горячих стояков. Подающий стояк всегда прокладывают с правой стороны, а обратный — с левой.