ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / Отраслевое машиностроение

Баянова Д.М.,к.т.н. Мухаметзянова Г.Ф.

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Россия

Сравнительный анализ полимерных композиционных материалов, применяемых для производства корпусных изделий

В настоящее время перспективы развития современного промышленного производства неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), отличающихся малой массой, низкой стоимостью, высокой коррозионной стойкостью, возможностью эксплуатации в широком температурном диапазоне, ремонтопригодностью и высокими эстетическими качествами. Прогнозируется, что в ближайшие десятилетия объём применения ПКМ резко увеличится, особенно в такой материалоёмкой отрасли как машиностроение. Уже сейчас применение ПКМ позволяет создавать материалы и конструкции из них с существенно более высокой прочностью и долговечностью, улучшать их коэффициенты качества, получать хорошие свойства при низкой теплопроводности и высокой коррозионной стойкости.

Корпусные детали автомобилей являются базовыми деталями, на которых устанавливается большая часть агрегатов, точность относительного положения которых должна обеспечиваться как в статике, так и в процессе работы агрегата под нагрузкой. В соответствии с изложенным, корпусные детали должны иметь требуемую точность, обладать необходимой жёсткостью и виброустоуйчивостью, что обеспечивает требуемое относительное положение соединяемых деталей и узлов, правильность работы механизмов и отсутствие вибраций [1].

В данной работе выполнен сравнительный анализ свойств полимерных композиционных материалов, применяемых для производства корпусных изделий автомобилестроения, в частности для изделия, предназначенного для защиты газовых баллонов. Рассмотрены наиболее часто используемые для производства изделий автомобилестроения полимерные материалы и ПКМ: ПДЦПД (полидициклопентадиен), стеклопластик на основе полиэфирной смолы, полистирол, полипропилен, поликарбонат, АБС пластики. Полидициклопентадиен – относительно новый тип материала, обладающий особыми свойствами (низкая плотность и ударопрочность, электрическая непроводимость), активно использующийся сегодня в высококачественных пластиковых изделиях для автомобильной, трубной и строительной отраслей. Благодаря своим потрясающим прочностным характеристикам и жесткости, полидициклопентадиен способен заменить большинство традиционных ударопрочных материалов. Среди основных преимуществ материала его высокая химическая и термическая устойчивость в широком диапазоне рабочих температур, высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред, стойкость к ультрафиолету, воде, а также практически полное отсутствие ограничений по размерам и толщине изделий. Стеклопластик – это полиэфирная (или эпоксидная) смола, которой перед полимеризацией придают определенную форму и армируют стекловолокном или сотканной из него тканью (стеклотканью). Полистирол – полимер, полученный полимеризацией стирола, обладает высокой водостойкостью, прекрасными диэлектрическими свойствами, хорошей химической стойкостью. Основными недостатками полистирола: низкая атмосферостойкость, невысокая термическая стойкость, склонность к растрескиванию, низкие прочностные свойства. Поэтому чистый полистирол не применяется в конструкции автомобиля. Широкое применение находят сополимеры стирола – АБС пластики. AБС пластик – ударопрочный материал, относящийся к инженерным пластикам. Обладает более высокой стойкостью к ударным нагрузкам по сравнению с полистиролом общего назначения, ударопрочным полистиролом и другими сополимерами стирола. Превосходит их по механической прочности и жесткости. AБС пластик износостоек. Выдерживает кратковременный нагрев до 90-100°С. Из него производят основные детали в салоне автомобиля и корпуса. Это облицовка дверей, приборные панели, корпус зеркала, бампера и многое другое. Полипропилен – материал, образующийся в результате полимеризации этилена. Имеет хорошую прочность на разрыв, жёсткость, прочность при растяжении. Он обладает также отличными свойствами электроизоляции. За столь ценные свойства он получил титул "короля пластмасс". Его преимущества: низкая плотность, высокая прочность, твердость, химическая стабильность, повышенная теплостойкость, стойкость в агрессивных средах. Возможность регенерации. Изделия из полипропилена на сегодняшний день приобретают все большую популярность, так как имеют ряд преимуществ перед другими полимерными материалами, такими как ПВХ или полистирол. Поликарбонат – не имеет аналогов по механическим свойствам среди применяемых в настоящее время полимерных материалов. Он сочетает такие свойства, как высокая термостойкость, уникальная ударопрочность и высокая прозрачность. Его свойства мало зависят от изменений температуры, а критические температуры, при которых этот материал становится хрупким, находятся вне диапазона возможных отрицательных температур эксплуатации.

Сравнительный анализ свойств полимерных материалов и ПКМ, применяемых для изделия «защита газовых баллонов» приведен в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительный анализ свойств полимерных материалов и ПКМ [2, 3, 4]

Показатель	Ед. изм.	ПДЦПД	Стеклопластик	Полистирол	Полипропилен	Поликарбонат	АБС-пластики
Плотность	г/см³	1,04	1,73	1,05÷ 1,07	0,90÷ 0,92	1,2-1,25	1,03-1,05
Прочность при растяжении	МПа	40÷70	85	34÷44	25÷44	57-70	45-54
Прочность при изгибе	МПа	65	500	93-98	34,5	60-100	50-87
Твердость	МПа	35	60÷90 По Шору	14	5,8÷6,4	110 (НВ)	100 (НВ)
Ударная прочность по Изоду	КДж/м²	30÷37	9,5	10	32÷78	84-90	8
Модуль при изгибе	МПа	1900	2800	3200	1000	2200	2600
Стойкость к износу	%	2	1,5	-	1,8	1,8	1,5-1,8
Усадка формования	%	0,9	2,0÷6,0	0,4÷ 0,8	1,9÷2,0	0,3-0,7	0,3-0,7
Относительное удлинение	%	31	3	1-2	200	200	30
Коэф. линейного термического расширения	(1/С) ·10^-6	54	13	80	110	6,6	8,2
Теплостойкость	°С	94	100	105	105	120	100
Морозостойкость	°С	-69	-40	-40	-10 и ниже	-30	-50
Диапазон рабочих температур	°С	-60… +130	-50… +130	-40… +70	-40...+70	-	-40...+80
Водопоглощение	%	1,5	2,5	0,02	0,01	-	0,2-0,4
Удельное объемное электрическое сопротивление	Ом·см	2,4·10¹⁶	1·10¹²	1·10¹⁶	10¹⁶÷10¹⁷	1·10¹⁶	5·10¹³
Диэлектрическая проницаемость	При 10⁶Гц	2,5	4÷14	2,5÷ 2,6	2,2	2,8	2,4-5,0

Гистограммы сравнительного анализа основных свойств полимерных материалов и ПКМ приведены на рис. 1, 2.

На основе проведенного анализа основных свойств наиболее часто используемых полимерных материалов и ПКМ для изделий автомобилестроения выявлено, что наиболее подходящими по совокупности свойств для изделия «защита газовых баллонов» являются полидициклопентадиен и стеклопластик. Однако, стоимость ПДЦПД выше по сравнению со стеклопластиком, следовательно, для производства изделий, предназначенных для защиты газовых баллонов, наиболее оптимальными являются стеклопластики на основе полиэфирной смолы.

Рис. 1. – Гистограмма сравнительного анализа плотности и водопоглощения полимерных материалов и ПКМ

Рис. 2. – Гистограмма сравнительного анализа прочности при растяжении и прочности при изгибе полимерных материалов и ПКМ

Литература

1. Ачеркан Н.С. Справочник машиностроителя. Том 3. Изд. 3. 1963г. – с. 656.

2. Малкин А.Я. Полистирол. Физ. хим. основы получения и переработки. – М.: Химия, 1975г. – с. 288.

3. ГОСТ 26996-86. Полипропилен. Технические условия. –М.: Издательство стандартов, 1986г. – с. 18.

4. Алексеев А.А., Пимкин В.И., Кириченко Э.А., Акутин М.С. Влияние условий переработки АБС-пластиков на их свойства // Пласт. массы. 1991г. – с. 30-31.