Основные методы получения

Синтетические полимеры получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации (смотри Рисунок 2). Полимеризация — это процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счет кратных связей (С = С, С = О и др.) или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (О, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав, Поликонденсация — зто процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и да более функциональные группы (ОН, СО, СОС, NHS и др.) способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по элементному составу не соответствуют исходным мономерам.

Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реакций в результате разрыва непредельных связей. Макромолекула при цепной полимеризации образуется очень быстро и сразу же приобретает конечные размеры, т. е не возрастает при увеличении длительности процесса. Полимеризация мономеров циклического строения происходит за счет раскрытия цикла и в ряде случаев пропекает не по цепному, а по ступенчатому механизму. Макромолекула при ступенчатой полимеризации образуется постепенно, т. е. сначала образуется димер затем тример и т. д., поэтому молекулярная масса полимера растет со временем. Принципиальное отличие ценной полимеризации от ступенчатой и от поликонденсации состоит в том, что на разных стадиях процесса реакционная смесь всегда состоит из мономера и полимера и не содержит ди-, три-, тетрамеров. С увеличением продолжительности реакции растет лишь число макромолекул полимера, а мономер расходуется постепенно. Молекулярная масса полимера не зависит от степени завершенности реакции или, что-то же, от конверсии мономера, которая определяет только выход полимера.

Многие полимеры нельзя получить ни полимеризацией, ни поликонденсацией, поскольку или неизвестны исходные мономеры, или мономеры не образуют высокомолекулярных соединения, синтез таких полимеров осуществляют, исходя из высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых содержат реакционноспособные функциональные группы. По этим группам полимеры вступают и те же реакции, что и содержащие такие группы низкомолекулярные соединения. Реакции в цепях полимера могут происходить без существенного изменения молекулярной массы полимера (таи называемые полимер-аналогичные превращения), с увеличением молекулярной массы полимера (синтез привитых и блок сополимеров) или с уменьшением молекулярной массы (деструкция макромолекул).

Все способы получения композитов подразделяются на твердые, жидкофазные и осаждения.

Твердофазные способы заключаются в предварительном совмещении (объединении) армированных элементов и матрицы и их последующего компактирования в изделие с помощью горячего прессования, ковки, прокатки, диффузионной сварки, экструзии и др. методов.

Для изготовления композитов, армированных высокопрочными частицами, непрерывными и короткими волокнами, матами, сетками, наибольшее применение находят твердофазные методы порошковой металлургии. Эти методы позволяют получать композиты с заданной пористостью, но к недостаткам методов следует отнести трудности равномерного распределения армируемой фазы в объеме матрицы на этапе подготовки шихты, а также возможность повреждения волокон при компактировании.

Наиболее производительным процессом слоистых композитов методом твердофазного совмещения является технология непрерывного компактирования с использованием прокатки или диффузионной сварки. По этой технологии между валками прокатного стана уплотняют до компактного состояния либо матричные ленты и арматуру в виде непрерывных волокон (сеток, матов), либо ленты с расположенными между ними дискретными волокнами.

Наибольшее применение получает сварка взрывом? основной способ получения слоистых композитов, при котором соединение образуется в твердой фазе. Метод не требует нагрева перед деформацией, что сохраняет хорошую прочность армируемых волокон. Таким способом получают многослойные листы, полосы, цилиндрические заготовки и т. д. В результате детонации взрывчатого вещества происходит соударение метаемой пластины и заготовки. При этом имеет место значительная пластическая деформация поверхностных слоев и их местный адиабатический нагрев, приводящие к образованию прочного сварного соединения отдельных пластин.

Методы осаждения получают развитие в последние годы. Они заключаются в синтезе композитов (создании) нанесением на подложку чередующихся слоев матрицы и арматуры. Существует несколько способов получения композитов нанесением покрытий: плазменным напылением, электролитическим осаждением, осаждением из газовой фазы, вакуумным, эмиссионным и др. методами.

Жидкофазные методы обладают рядом существенных преимуществ, главные из которых: возможность получения изделий сложной конфигурацией с минимальной последующей обработкой или без нее; ограниченное силовое воздействие на хрупкие компоненты; широкая номенклатура компонентов; упрощенное аппаратурное обеспечение; высокая производительность и возможность механизации; реализация непрерывных технологических процессов.

Жидкофазные методы предполагают использование ряда технологий.

1. Литейные технологии.

С их помощью композиты получают двумя способами: соединением твердых и жидких фаз и соединением различных компонентов, находящихся в жидком состоянии.

Процесс соединения твердых и жидких фаз осуществляется в следующем порядке (смотри Рисунок 3):

• · Укладка, установка армированных элементов в полость литейной формы перед заливкой матричным расплавом;
• · Заливка в литейную форму гетерогенного матричного расплава, содержащего армированные элементы, приготовленного в ковше;
• · Введение армированных элементов в матричный расплав в процессе заливки его в кристаллизатор или литейную форму;
• · Сборка (намотка армированных элементов в присутствии жидкого матричного сплава):
  • 1) Методом вакуумного всасывания получают, например, композиционные отливки из жаропрочного сплава, армированные W-волокнами.
  • 2) Метод литья с комплексным электромагнитным и вакуумным воздействием позволяет устранить нежелательное эрозионное разрушение поверхности армированных волокон, при вакуумном всасывании? электромагнитное поле регулирует скорость движения расплава при заливке и пропитке.

Одним из наиболее распространенных методов получения многослойного металла является так называемое литое плакирование? жидких металлов твердых армированных элементов, предварительно размещенных в литейной форме или изложнице. Например, для получения биметаллического плакированного листа, сляб из легированной коррозионностойкой стали с предварительно простроганной и обезжиренной поверхностью устанавливается на некотором расстоянии от стенки. Затем производится сифонная заливка в изложницу жидкой, углеродистой стали.

2. Электрошлаковый обогрев.

Патоном Б.Е. и др. разработан способ получения слоистых композитов с использованием электрошлакового обогрева (ЭШО), который позволяет получить биметалл с надежным соединением независимо от толщины прокатываемого металла.

Применение метода плакирования с использованием ЭШО позволяет расширить возможности композиций различных элементов для получения заданного сочетания свойств, экономить легированные стали, повышать качества изделий из биметалла.

3. Центробежное литьё.

Широкое развитие получило литейное плакирование втулок, цилиндров, трубных заготовок с помощью центробежного литья, технологические схемы которого различны.

4. Электрошлаковый переплав.

Для получения композитных заготовок является технология электрошлакового переплава (ЭШП): общая металлическая ванна разделяется металлической, охлаждаемой перегородкой на два сообщающиеся между собой отделения, над которыми переплавляются электроды соответствующего состава. При стационарном закреплении кристаллизатора по мере наплавления слитка, перегородка поднимается.

5. Метод наплавки.

Плакирование деталей и заготовок с участием жидкой фазы осуществляется и методом наплавки. Процесс наплавки может осуществляться проволочными или ленточными электродами. Метод характеризуется высокой производительностью, обеспечивает небольшую глубину проплавления основного металла.

Недостатки: трудоёмкость; дополнительная механическая обработка;

Используется и способ ЭШ-наплавки главным образом для ремонта крупногабаритных изделий (прокатных валков, штампов и других).

6. Пайка.

Для получения ряда многослойных композиций из металлов с резко различными свойствами применяется эффективный метод жидкофазного совмещения? пайка (между соединёнными слоями помещается припай в виде фольги, порошка; собранный пакет нагревается до температуры расплавления припая и охлаждается).

7. Метод направленной кристаллизации.

Получение микрогетерогенных композитов осуществляется методом направленной кристаллизации эвтектических расплавов: из расплава, кристаллизирующегося в условиях интенсивного направленного отвода тепла, выпадают параллельные направлению теплоотвода игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределенные в матрице. Эти кристаллы (армирующая фаза) имеют механические свойства, близкие к свойству усов, хорошо связаны с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик достаточно высока.

С помощью направленной кристаллизации получены композиты на основе Al, Mg, Cu, Ni, Co, Nb, Ti и другие. Эти новые материалы, состоящие из направленно расположенных взаимопроникающих друг в друга фаз, получили название естественных композиционных материалов. В отличие от обычных жаропрочных сплавов они являются анизотропными, характеризуются более высокими показателями прочности и жаропрочности. Использование литых эвтектических жаропрочных материалов перспективно в первую очередь в энергетическом машиностроении и космической технике, где требуется высокая жаропрочность (стойкость) изделия.

Методы получения изделий из полимерных композиций с волокнистыми наполнителями очень разнообразны и зависят как от вида связующего, так и от вида наполнителя. Принципиально отличаются эти методы для полимеров, содержащих короткие и непрерывные волокна.

В качестве коротких волокон в полимерных композициях могут применяться как природные волокна (волластонит, асбест), так и рубленные или разрезанные до заданной длины (обычно 8 мм) волокна. Материалы с короткими волокнами получают или смешением волокна с полимером или пропиткой волокон полимерным связующим. Пропитка возможна при использовании жидких олигомерных связующих, которые после пропитки волокна и формования изделия отверждают. Термопласты и высокомолекулярные поликонденсационные смолы смешивают с волокнами на роторных, валковых или шнековых смесителях. При этом полимеры находятся в вязкотекучем состоянии. Под действием высоких напряжений сдвига при смешении происходит дополнительная ломка и укорачивание волокна, что соответствующим образом сказывается на его прочностных свойствах.

Для переработки композиций с короткими волокнами в изделия применяют обычные методы переработки полимеров, характерные для термопластов и реактопластов соответственно: литье под давлением, экструзия, прессование и другие.