Не металлические материалы
ЛЕКЦИЯ 15
Не металлические материалы
Древесина – один из древнейших конструкционных материалов, широко применяемых в судостроении. Натуральная древесина представляет собой анизотропный материал природного происхождения, обладающий относительно высокой механической прочностью, малой объемной массой, хорошей обрабатываемостью, легкодоступностью и низкой стоимостью.
С течением времени масштабы применения древесины как строительного материала постепенно сокращаются, но и в настоящее время она еще используется достаточно широко для изготовления корпусов судов, катеров, яхт и шлюпок; оборудования и отделки помещений; судовой мебели; зашивки изоляции; настилов палуб и др. В составе современного металлического судна удельное значение древесины и древесных материалов составляет около 10 % массы корпуса. Древесина используется также для вспомогательных нужд судостроительного производства: изготовления настила спусковых дорожек, кильблоков, клеток, упоров, строительных лесов, ограждений,. Присущие древесине недостатки – горючесть, низкая биостойкость, влажность– существенно ограничивают ее применение в судостроении.
Древесина изготовляется из лиственных и хвойных пород деревьев. К лиственным относятся береза, бук, дуб, клен, орех, ясень. К хвойным – ель, лиственница, пихта, сосна, кедр. Самой распространенной в судостроении породой древесины является сосна. Она отличается достаточной биостойкостью и прочностью. Сосна применяется для корпусов деревянных судов; настилов наружных палуб; зашивки изоляции и для вспомогательных нужд. По прочности, биостойкости и негорючести лиственница превосходит все хвойные породы древесины. В связи с удаленностью мест произрастания лиственницы от судостроительных предприятий в судостроении она применяется весьма ограниченно. Ель по сравнению с сосной имеет более низкие механические свойства, меньшую стойкость к гниению, при высыхании склонна к образованию трещин. Она ограниченно используется для настилов внутренних палуб, обрешетников, зашивки изоляции и для вспомогательных нужд. Кедр хорошо сопротивляется влаге, его древесина сохраняется в воде. Этот материал применяется для корпусов деревянных судов, настилов, палуб, мебели.
Лиственные породы древесины имеют красивую текстуру и широко применяются для отделочных работ на судах. Текстура древесины во многом определяет ее декоративную ценность. Древесина березы тяжелая, твердая и упругая. Во влажной атмосфере быстро загнивает и разрушается. Используется для отделки кают, мебели, изготовления фанеры. Бук имеет красивую текстуру, хорошо обрабатывается и применяется для отделочных работ. Из дуба вырабатывают тяжелую, прочную, биостойкую древесину с красивой текстурой, используемую для корпусов деревянных судов, мебели и отделки помещений. Ясень по прочности и пластичности превосходит дуб, обладает высокой упругостью и гибкостью. Древесина ясеня применяется для изготовления весел, гнутых деталей корпуса, мебели и столярных изделий. Для изготовления мебели, отделки жилых, служебных, парадных и общественных помещений на судах используют красное дерево, клен, орех, грушу, карельскую березу, карагач и другие породы древесины.
К основным физико-механическим свойствам древесины относятся влажность, объемная масса, прочность, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, Влажность является важнейшей характеристикой древесины, оказывающей существенное влияние на ее физические и механические характеристики. Повышенная влажность способствует увеличению объемной массы и теплопроводности, снижению прочности, загниванию древесины. Древесина, применяемая на судах, должна иметь влажность не более 18%.
Самыми существенными недостатками древесины являются горючесть и подверженность загниванию. Для защиты от загнивания древесину в ваннах или под давлением пропитывают специальными химическими веществами – антисептиками. Для этой цели применяют водорастворимые фтористый и кремний-фтористый натрий, медный купорос, убивающие грибки или замедляющие их рост. Замедление воспламенения древесины или ограничение распространения пламени достигается пропиткой антипиренами. Предохраняющее действие антипиренов определяется их низкой температурой плавления с образованием плотной пленки, преграждающей доступ кислорода к защищаемому материалу. Наиболее распространенными антипиренами являются соли фосфорной, серной и других кислот. Антипирены вводят в древесину глубокой пропиткой водными растворами с последующей сушкой. На судостроительных заводах наибольшее распространение получил способ комбинированной пропитки древесины антисептиками и антипиренами под давлением. Предварительно высушенную до 18–20 % влажности древесину помещают в автоклав, в котором создается вакуум. Вакуумирование позволяет отсосать из древесины воздух, после чего в автоклав подают пропиточный состав. Под давлением 1,5–1,8 МПа древесину выдерживают в течение 12–20 ч. Пропитка антисептиками и антипиренами не снижает механических свойств древесины.
Фанера – листовой древесный материал, получаемый склеиванием трех или более (обычно нечетного числа) слоев шпона с перекрестным расположением волокон в смежных слоях. В судостроении применяют несколько разновидностей фанеры: клееную, облицованную строганым шпоном, декоративную, , бакелизированную.
Рекомендуемые материалы
Клееную фанеру получают из березы, ольхи, ясеня, дуба, бука, липы, осины, сосны, ели, кедра и пихты. Она предназначена для изготовления мебели, зашивки изоляции, настила полов, вспомогательных целей. Для судостроения поставляют фанеру следующих марок: повышенной водостойкости, склеенную фенолоформальдегидными клеями (ФФ); склеенную карбамидными клеями (ФК); склеенную альбуминоказеиновыми клеями (ФБА). Бакелизированную фанеру (ГОСТ 11539–83) выделывают из лущеного березового шпона. Ее рубашку пропитывают искусственными смолами. В зависимости от пропитки различают марки фанеры ФБС и ФБСВ. Фанеру толщиной от 5 до 18 мм применяют для изготовления мелких судов, шлюпок и катеров.
Древесноволокнистые плиты (ГОСТ 4598–86) и древесностружечные плиты (ГОСТ 10632–77) получают горячим прессованием измельченной или расщепленной древесины со связующим. Их применяют для изготовления мебели и отделки помещений.
Пластмассами называют материалы на основе органических соединений с большой молекулярной массой (так называемые высокомолекулярные вещества). Эти органические вещества называют полимерами или смолами. Большинство типов пластмасс является композиционными материалами, которые состоят из нескольких компонентов, взятых в определенном соотношении. Кроме смол в состав пластмасс входят наполнители или армирующие материалы, пластификаторы, отвердители, стабилизаторы, пигменты, ингибиторы и другие компоненты, придающие определенные физико-механические и теплофизические свойства материалу, а иногда в значительной степени влияющие на технологию изготовления или применения материала.
Полимеры являются непременной составной частью – основой пластической массы. Они связывают в единое целое все входящие в состав пластмассы компоненты. Поэтому полимеры называют связующим веществом. В большинстве случаев полимер входит в состав пластмассы (20–40%). Иногда пластмасса состоит целиком только из одного полимера (полиэтилена, полистирола, полиамида, полиметилметакрилата – оргстекла). Высокомолекулярные вещества с заданными свойствами образуются в результате реакции сополимеризации. Она состоит в совместном осуществлении процесса полимеризации (или поликонденсации) нескольких исходных веществ, идущих на образование необходимых полимеров. Появляется новое высокомолекулярное соединение, которому присущи основные свойства входящих в его состав полимеров. Методом сополимеризации можно изменять свойства полимеров в широких пределах. Например, полистирол – жесткий, прочный, но хрупкий полимер, а каучук – мягкое, эластичное высокомолекулярное соединение. В результате сополимеризации этих соединений получают ударопрочный полистирол, из которого изготовляют детали санитарно-технических изделий.
Наполнители – материалы и вещества, вводимые в пластическую массу для придания ей определенных физико-механических, теплофизических, технологических или других свойств, а также с целью уменьшения расхода дорогостоящего связующего. Наполнители и в особенности армирующие материалы образуют в массе смолы своеобразный каркас, значительно повышающий прочность пластмассы. По своей природе различают наполнители минерального и органического происхождения. Минеральные наполнители повышают прочность и теплостойкость пластмассы, улучшают ее диэлектрические свойства, но некоторые из них повышают плотность и хрупкость материала. Органические наполнители (чаще всего содержащие целлюлозу) повышают прочность пластмассы, сохраняют низкую плотность, но снижают теплостойкость и сопротивляемость воздействию влаги. Независимо от природы наполнители не вступают в химическую реакцию со смолой.
Пластификаторы – вещества, вводимые в состав пластмассы для придания ей эластичности и гибкости, снижения хрупкости, улучшения технологических и эксплуатационных качеств. В основном роль пластификаторов выполняют низкомолекулярные вещества, которые совмещают со смолой (дибутил-фталат, камфора, олеиновая кислота, глицерин).
Отвердители – вещества, обеспечивающие переход полимера из жидкого в твердое неплавкое и нерастворимое состояние. К таким же веществам относятся ускорители и инициаторы, добавляемые к полиэфирным смолам для отверждения их при комнатной температуре.
Стабилизаторы – вещества, способствующие сохранению свойств пластмассы при переработке ее в изделие и в процессе эксплуатации этого изделия. Стабилизаторы, в частности, предохраняют пластмассу от старения под воздействием тепла и света.
Пигменты (красители) придают пластмассе определенную окраску. Чаще всего применяют синтетические красители, не растворимые в воде, или окислы металлов. Красители должны быть ярких тонов, не реагировать на изменение температуры, хорошо окрашивать материалы и не вступать с ними в химические реакции.
Термопласты – полимерные соединения, которые под действием тепла и давления без существенных химических изменений становятся мягкими или жидкими веществами и при охлаждении вновь отверждаются. Они способны многократно изменять свое состояние при нагревании и охлаждении. Поэтому термопластичные материалы применяют для изготовления изделий, работающих при низких температурах. В изделия их целесообразно перерабатывать литьем под давлением, экструзией (продавливанием через профилирующие отверстия.
Реактопласты – полимерные соединения, которые при длительном нагревании превращаются в необратимо твердеющую массу. Изделия, в состав которых входит термореактивный полимер, нельзя подвергнуть вторичному формованию. Термореактивные смолы используют для приготовления клеев, лакокрасочных и пропиточных материалов, различных пластмасс, в качестве связующего при изготовлении слоистых пластиков и стеклопластиков. Для этих целей широко применяются смолы: фенолоформальдегидные, аминоформальдегидные, эпоксидные и термореактивные полиэфиры.
В зависимости от назначения или основной области применения пластмассы образуют несколько больших групп. Конструкционные пластмассы предназначены для изготовления корпусных конструкций, корпусов судов, деталей машин и механизмов, работающих под нагрузками. Поделочные пластмассы применяют для изготовления конструкций и деталей неответственного назначения, не работающих под нагрузкой, а также изделий судового оборудования и мебели. К декоративно-отделочным пластмассам относятся материалы, применяемые для отделки и облицовки судовых помещений, мебели. Антифрикционные пластмассы имеют низкий коэффициент трения, что позволяет использовать их в качестве заменителей дефицитных антифрикционных металлических сплавов (оловянистой бронзы, баббита) и для изготовления деталей, стойких к истиранию. Фрикционные пластмассы имеют высокий коэффициент трения и поэтому пригодны для изготовления деталей, работающих в тормозных устройствах (например, тормозные колодки). К звуко- и теплоизоляционным пластмассам относятся вспененные пластмассы (пено- и поропласты) и сотопласты, являющиеся хорошими звуко- и теплоизоляторами. К электроизоляционным пластмассам относятся материалы с хорошими диэлектрическими свойствами. Их используют в качестве электроизоляционных материалов. Противокоррозионные пластмассы применяются для защиты металла корпуса судна, отдельных конструкций, судовых устройств и систем от коррозии. Из пластмасс изготовляют покрытия палуб (например, линолеум). Они входят в состав палубных мастичных покрытий и выравнивающих мастик.
Лакокрасочные материалы покрывают корпус судна как с внешней, так и с внутренней стороны. Окраска – наиболее простой, доступный и относительно дешевый способ защиты корпуса от коррозии, от воздействия агрессивных сред, от обрастания, а для деревянных конструкций – от гниения. Негорючие лакокрасочные покрытия повышают пожарную безопасность конструкций. Окрашенные поверхности имеют хороший внешний вид и декоративность. Окраска выполняется лакокрасочными материалами (ЛКМ). Высыхая, лакокрасочный материал образует на окрашиваемой поверхности – подложке – сцепленную с ней плотную и твердую пленку лакокрасочного покрытия.
Рекомендуем посмотреть лекцию "11 Измерение ионизирующего излучения".
По составу ЛКМ представляет собой композицию пленкообразующего вещества и пигмента в совокупности с различными добавками. Пленкообразующее – высокомолекулярное природное или искусственное вещество, основное назначение которого заключается в образовании целостной пленки покрытия. Пигменты – это чаще всего красящие порошки, рассеивающиеся в пленкообразующем и обеспечивающие закрывание окрашиваемой поверхности. Назначение добавок – усилить, а иногда и обеспечить заданные эксплуатационные (служебные) и технологические свойства и характеристики ЛКМ и покрытий.
В соответствии с требованиями к лакокрасочным материалам и покрытиям вырабатываются их свойства. Требования и свойства ЛКМ следует разделять на эксплуатационные общего назначения, т. е. предъявляемые ко всем материалам и покрытиям; специальные, предъявляемые к некоторым ЛКМ; технологические, направленные на упрощение и удешевление процессов подготовки и нанесения ЛКМ, на обеспечение механизированных способов окраски и т. п. Технологические требования предъявляются, в первую очередь, к ЛКМ, находящимся в жидком состоянии (до высыхания). Сложность создания и применения ЛКМ состоит в том, что некоторые требования являются противоречивыми. Например, сцепление пленки покрытия с подложкой должно быть как можно выше и одновременно необходимо максимально ослаблять сцепление с намерзающим на корпусные конструкции льдом.
К числу основных эксплуатационных характеристик покрытия относят гибкость (прочность при изгибе), ударостойкость (прочность при ударе), прочность при растяжении свободной (без подложки) пленки, эластичность, адгезию, влаго, паронепроницаемость, светопроницаемость и радиационную стойкость, теплостойкость и др.
Особое значение среди специальных свойств имеет токсичность ряда покрытий или способность противостоять обрастаниям и убивать микроорганизмы, мелких морских животных, водные растения, оседающие на подводной части корпуса судна. Разрушение представителями водной флоры и фауны слоев покрытия ведет к развитию коррозии, а обрастание – к потере судном скорости, управляемости, маневренности. Нарастание биомассы на корпусе судна составляет в тропических водах 40–100 кг/м2. Толщина обрастания может достигать 100–150 мм. В зависимости от количества в 1 кг ЛКМ ядовитого вещества их разделяют по степени вредности для людей и для окружающей среды.
Бетон представляет собой композицию, составленную из затвердевшей смеси цемента, заполнителя, воды. Он является искусственным каменным материалом. Основное достоинство, как конструкционного материала – его дешевизна. Бетоны бывают разными, в зависимости от типов компонентов: малопористые, крупнопористые, ячеистые (по структуре заполнителя), крупнозернистые и мелкозернистые, естественные и автоклавные и т.д. Марка бетона обычно называется по прочности на осевое сжатие, например М400 означает прочность на сжатие 400 кГ/см2 (40 МПа). На растяжение прочность бетона обычно в 10-20 раз меньше. На изгиб тоже малая прочность, примерно в 5-10 раз меньше чем прочность на сжатие. Армированный бетон –в арматуре которого предварительно создают натяжение при затвердевании. Такая бетонная конструкция способна выдерживать растягивающие напряжения, поскольку бетон здесь оказывается сжатым и при растягивающих нагрузках в нем лишь уменьшается давление.
Преимуществом железобетона в качестве судостроительного материала является большая экономия в стали, так как на одну тонну грузоподъемности расход стали при постройке железобетонного судна сокращается в 3–4 раза по сравнению со стальными. Для постройки железобетонных судов требуется чрезвычайно несложное оборудование, стоимость которого мала по сравнению со стоимостью оборудования верфей для стального судостроения. Наличие большей части материалов (песок, гравий) на месте сокращает потребность в транспорте. Сравнительная простота работ по постройке железобетонных судов и дешевизна идущих в дело материалов делают в итоге стоимость их дешевле стальных судов. К числу преимуществ железобетонных судов следует отнести легкость ремонта, быстроту постройки, огнестойкость. Основным недостатком железобетонного судна является относительно большой вес корпуса по сравнению со стальным при одинаковой грузоподъемности: его корпус в 1,5–2,0 раза тяжелее стального. Это ограничивает применение и развитие железобетонного судостроения областью специальных плавучих сооружений: доков, паромов, дебаркадеров.
