Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Технически чистую медь используют в установках разделения газов методом глубокого охлаждения для изгoтовлeния различных трубчатых конструкций: витых и прямотрубных теплообменников, трубчатых конденсаторов и др. Листовую медь используют для изготовления внутренних емкостей и экранов сосудов Дьюара, в которых хранятся и транспортируются жидкие газы, для изготовления обечаек ректификационных колонн жидкого воздуха. Широкое применение находят сплавы меди–латуни и бронзы.

Медь кристаллизуется в решетке ГЦК и не имеет полиморфных превращений. Тип кристаллической решетки обусловил применимость меди и ее сплавов при низких температурах.

Медь и ее сплавы имеют высокое значение температурного коэффициента линейного расширения. С понижением температуры до 120 К этот коэффициент уменьшается, хотя уменьшение выражено значительно слабее, чем в случае коррозионно-стойких сталей и алюминиевых сплавов. Технически чистая медь имеет невысокие прочностные свойства. При снижении температуры от 293 до 20 К прочность и твердость меди повышаются почти в 2 раза, пластичность сохраняется на том же уровне. Ударная вязкость даже увеличивается, сохраняя при 20 К столь высокие значения, что надрезанные образцы не разбиваются копром, а протягиваются между его опорами. Усталостная прочность меди и ее сплавов с понижением температуры растет так же, как и модуль упругости, и модуль сдвига.

Механические свойства меди и ее сплавов приведены в табл. 4.12.

Широкое применение в низкотемпературной технике находят латунь марок Л63, Л68, ЛЖМц59-1-1, ЛЦ59, ЛК80-3 и бронза марок БрАЖМц 10-3-1,5; БрКМцЗ-1; БрБ2.

Таблица 4.12

Механические свойства медных сплавов при низких температурах

166

Окончание табл. 4.12

Латунь марки Л68 применяют для изготовления различных трубопроводов, сеток, прокладок, работающих при температурах 520–20 К. Латунь марки ЛЦ59-1 применяется для изготовления различных крепежных изделий, работающих в интервале температур 520–20 К. Для более ответственных крепежных деталей в этом же температурном диапазоне применяют латунь марки ЛЖМц 59-1-1. Из литейной латуни марки ЛК80-3 изготавливают арматуру, корпуса трубопроводов и другие литые детали, работающие при температурах 520–20 К.

Бронза марки БрАЖМц 10-3-1,5 применяется для изготовления втулок, шестерен, вентилей, деталей клапанной арматуры, эксплуатируемых при температурах 520–77 К.

Наибольшую прочность имеют меднобериллиевые сплавы, временное сопротивление которых в термообработанном виде составляет более 1000 МПа при удовлетворительной вязкости и пластичности при низких значениях температуры.

167

5. ХЛАДОСТОЙКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам и сплавам, в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми. Двигатели внутреннего сгорания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что невозможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов (графита, керамики). Трудно представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное снаряжение, автомобили и другую технику без неметаллических материалов: пластмассы, ламината, керамики, резины, стекла и др.

Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, и они в 4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в машиностроении, автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной, криогенной технике и др.

5.1. Основные сведения о хладостойких полимерных материалах

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных маломолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. Макромолекулы представляют собой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гибкость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. Например, мономеры этилен С2Н4 или винилхлорид С2Н3Cl после разрыва двойных ковалентных связей создают цепь из мономерных звеньев (меров), т. е. полимеры, которые называются соответственно полиэтиленом и поливинилхлоридом (рис. 5.1).

168

Особенностью молекул полимеров является их большая молекулярная масса (М 5 103). Соединения с меньшей молекулярной массой (М = 500...5000) называются олигомерами, у низкомолекулярных соединений М 500. Это разделение по молекулярной массе условно.

Рис. 5.1. Схема полимеризации этилена и винилхлорида

Различают природные и синтетические полимеры. К полимерам, встречающимся в природе, относятся натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и т. д. Однако ведущее место занимают синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

Полимеризация – процесс соединения низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные с образованием длинных цепей. Величиной степени полимеризации является количество меров в молекуле полимера. В большинстве полимеров их количество составляет от 1000 до 10 000 единиц. В результате полимеризации получают такие часто применяемые полимеры, как полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полибутадиен и др.

В зависимости от способа образования высокомолекулярных синтетических соединений различают полимеры, получаемые в процессе поликонденсации либо в результате реакции присоединения.

169

Поликонденсация – ступенчатая реакция, заключающаяся в соединении большого количества одинаковых мономеров или двух различных групп (А и В) мономеров в макромолекулы (поликонденсаты) с одновременным образованием побочных продуктов (вода, аммиак, хлороводород, диоксид углерода, метиловый спирт и др.). В первом случае полимеры образуются по такой схеме:

Во втором случае полимеры образуются по иной схеме:

С помощью реакции поликонденсации получают полиамиды, полиэстеры, фенопласты, аминопласты, поликарбонаты, полисульфоны, силиконы и другие полимеры.

Полиприсоединение – процесс образования полимера в результате реакции множественного присоединения мономеров, содержащих предельные реакционные группы, к мономерам, содержащим непредельные группы (двойные связи или активные циклы). В отличие от поликонденсации полиприсоединение протекает без выделения побочных продуктов.

По составу все полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры, составляющие наиболее обширную группу соединений, состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи, кроме перечисленных, атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, сочетающихся с органическими радикалами. В природе таких соединений нет, это чисто синтетические полимеры. Их характерными представителями являются кремнийорганические соединения, основная цепь которых построена из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест и др.) не содержат атомов углерода. Основой их являются оксиды кремния, алюминия, магния и др.

170