Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 6
Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части продолжаем разбирать диэлектрики полностью синтетические по происхождению. Тоесть всем известные пластики. В этой части: карболит, гетинакс, текстолит. 
Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)
Доступные природные материалы использовались широко, но, с развитием техники становилось всё более очевидным, что природные материалы порой полное дерьмо. Большой разброс свойств, подверженность гниению, трудности в добыче — поэтому поиски искусственных заменителей велись и ведутся всё время. Появление синтетических материалов — это революция не только техническая, но и экономическая, политическая. Вам больше не нужны колонии чтобы покрыть свои потребности в резине. Экипировка вашего солдата стала легче в несколько раз. В этом разделе — материалы, полученные «с нуля», а не попытка улучшить природные, как в предыдущем разделе.
Многие из приведенных материалов являются полимерами — материалами с длинными молекулами, состоящими из простых однотипных кирпичиков — мономеров. Полимеры можно разделить на две большие группы по их поведению при нагреве, это термопласты и реактопласты. Термопласты при нагревании плавятся, реактопласты при нагревании разлагаются.
Соответственно гору старых пластиковых игрушек из термопластов можно переплавить в новое изделие, а гору старых изделий из реактопластов так переработать не выйдет.
Полимер может состоять из чистого мономера, а может также содержать со-полимер, который встраивается в структуру молекулы. Например есть два мономера: А и Б. Молекула полимера из чистого А будет выглядеть так:
Молекула полимера из сополимеров А и Б может выглядеть так:
Введение сополимера позволяет изменить свойства пластмассы. Пример — полистирол и АБС пластик. Полистирол прозрачный хрупкий пластик, введение сополимера акрилонитрила и введение добавки из полибутадиена дает на выходе ударопрочный пластик.
Иногда, может дополнительно указываться стереорегулярность полимера. Допустим у нас есть мономер -Г-, который может вставать в цепочку полимера «вверх ногами» -L-. Полимер, в цепочке которого мономеры стоят как попало называется атактическим:
Если в полимере все несимментричные звенья смотрят в одну сторону, такой полимер называется изотактическим:
Если в полимере они чередуются, то такой полимер называется синдиотактическим:
Обычно, стереорегулярность влияет на важные для электроники свойства материала незначительно, поэтому не указывается.
Общие свойства полимеров
Полимеры, благодаря своей структуре из длинных молекул, обладают некоторыми общими
свойствами, которые стоит рассмотреть внимательнее.
1. Полимеры не имеют четкой температуры фазового перехода, как например металлы. Они словно карамель, с ростом температуры размягчаются, превращаясь в вязкую жидкость. Поэтому для полимеров «температура плавления» — это температура, при которой вязкость полимера уже позволяет ему течь, но это не означает, что до этой температуры он твёрдый.
Температура стеклования — это температура, ниже которой полимер из высокоэластичного состояния переходит в стеклообразное состояние, с ростом твердости и хрупкости. Представьте себе жевательный мармелад — при комнатной температуре он находится в высокоэластичном состоянии. Если его охладить ниже температуры стеклования в морозильной камере, то мармелад можно будет разбить, и осколки будут как от стекла.
Максимальная рабочая температура — температура при которой полимер может работать длительное время, без существенных изменений своих свойств. Часто с ростом температуры растет ползучесть полимера, поэтому при максимальной рабочей температуре прочностные свойства снижаются.
Указанные температуры могут отличаться при определении даже для одного и того же образца, при различии методик определения.
2. Полимеры подвежены старению и разрушению. Факторами, ускоряющими процесс старения полимера являются радиация, ультрафиолетовое излучение, высокая температура, агрессивная среда. Разные полимеры в разной степени подвержены старению, кроме того, различными добавками можно снизить скорость разрушения полимера. Так, нейлоновая стяжка на силиконовом шланге с горячей водой за пару лет потеряет эластичность и станет хрупкой, в то время как силиконовый шланг по прежнему будет мягким и гибким.
Лишь очень малое количество пластиков терпят длительный нагрев свыше 100°С — фторопласт-4, каптон, peek, силиконы. Во всех остальных случаях чем выше температура эксплуатации — тем быстрее протекают процессы старения и деструкции в полимере.
3. Полимеры проницаемы для газов и некоторых растворителей. Молекулы газа очень маленькие (чем меньше атомная масса, тем меньше размер атома, самый мерзкий в этом плане водород, он даже сквозь металлы протискивается.) поэтому могут постепенно проникать сквозь разветвленную молекулярную сеть пластика. Для предотвращения этого процесса поверхность полимера покрывают слоем металла. Обратите на это внимание при вскрытии упаковки продуктов питания. Металлизация в упаковке служит этой цели — не пропустить к продукту кислород. Металлопластиковые трубы содержат слой алюминия с той же целью — не допустить проникновение кислорода в теплоноситель, это вызывает коррозию.
Материалы на базе фенолформальдегидных смол
Фенол-формальдегидные смолы, как нетрудно понять из названия — продукт поликонденсации фенола и формальдегида. Молекулы полимера образуют разветвленную трехмерную структуру, что обуславливает механические свойства — твёрдость.
Ниже рассмотрим только фенол-формальдегидные пластмассы — фенопласты. Карбамид-формальдегидные, меламин-формальдегидные пластмассы — аминопласты, рассматривать не будем, их базовые свойства идентичны, методы обработки одинаковые, разница лишь в прочности, цвете.
Химическая структура бакелита (кусочек для примера) Полимеры с такой разветвленной беспорядочной структурой обычно твёрдые и хрупкие. Автор рисунка — Dirk Hünniger, взято из Википедии
Открыл процесс поликонденсации Лео Бакеланд — американский химик бельгийского
происхождения. Он и назвал новый материал, полученный при отверждении смолы — бакелитом.
В СССР аналогичный материал назывался «карболит» — от карболовой кислоты,
старого названия фенола.
Примеры использования фенолформальдегидных смол:
- Как самостоятельный материал в чистом виде в качестве клеев, лаков.
- С порошковыми наполнителями (придающими прочность или разбавляющими материал
- просто для экономии) и без — карболит/бакелит
- С наполнением из стекловолокна в хаотичном порядке — волокниты, например прессматериал АГ-4В
- С наполнением из слоев хлопчатобумажной ткани — Текстолиты
- С наполнением из стеклоткани — Стеклотекстолиты
- С наполнением из слоев проклееной бумаги — Гетинакс
Карболит (бакелит)
Представляет собой твёрдый термостойкий пластик. Если вы возьмете какое-либо устройство,
собранное до 1950 года, то практически все пластиковые детали в нем — это карболит.
Различные изделия из карболита — коробочка, розетка. Вилка, корпус вольтметра, гнезда, ручки регулировки.
Изделия получают как заливкой в формы, так и (чаще) прессованием порошка смолы с наполнителем в металлические формы с нагревом. При нагревании процесс полимеризации, уже частично начавшейся при производстве порошка, заканчивается, но, так как порошок в этот момент зажат под давлением в форме — то и вид конечного изделия повторяет форму. Серьезный недостаток такого метода в том, что нужно время, которое должно провести изделие в форме, чтобы набрать прочность, достаточную для раскрытия формы без разрушения, поэтому во многих задачах бакелит вытеснен термопластичными материалами, термопластавтомат может производить изделия заданной формы значительно быстрее.
Немного о процессе расскажет это американское рекламное видео прошлого века, оцените энтузиазм, с которым говорят о новом материале.
Корпус электросчетчика сделан из карболита.
На сегодняшний день изделия из карболита производятся массово, но он уже не так популярен как раньше, хотя есть задачи, где его заменить чем-либо трудно.
Плюшки
Термостойкий пластик. Может длительное время работать при температуре до +150°С Является реактопластом — не плавится, а разрушается от нагрева. Так карболитовый патрон для лампы накаливания при перегреве рассыпется, а не стечет к вам на голову.
Стойкий к растворителям, ГСМ (Горюче-смазочным материалам). Карболитовые детали без труда работают вблизи двигателя автомобиля, в условиях нагрева, контакта с маслом, бензином.
Твёрдый. Обычно карболитовые детали можно распознать по блестящей поверхности и по твёрдости, ноготь такой пластик не царапает и даже не цепляется. Большие плоские детали почти не гнутся, а при превышении усилия со звуком «хрум» ломаются.
Хорошо обрабатывается. В отличии от многих других пластиков хорошо шлифуется. Если попробовать шлифовать, например, полипропилен, то быстро от нагрева начнет образовываться «борода» из пластика. Карболит же отлично шлифуется и часто можно видеть следы шлифовки по периметру детали — удаление облоя.
Отличный внешний вид. Способность образовывать твёрдую глянцевую поверхность особенно заметна на внешнем виде ретроаппаратуры. Даже в магазине на полке ручки для резисторов из карболита смотрятся солиднее таких же, но из термопластиков.
Недостатки
Дороговизна. Особенность производства в виде прессовки из порошка определяет довольно высокую себестоимость изделий из-за низкой скорости процесса и наличия ручного труда. Изготовление деталей из термопластиков порой в разы дешевле.
Хрупкость. Оборотная сторона твёрдости, при ударах трескается, из него не сделать
гибкий шланг, сильфон и т.д.
Практически не подлежит вторичной переработке. Есть способы, но они не получили
широкого распространения.
Ограниченная цветовая гамма. Фенолформальдегидная смола сама по себе коричневого цвета, что затрудняет получение изделий светлых цветов. Этого недостатка лишены, например, меламинформальдегидные смолы из которых делают изделия белого цвета. Замечательный фильм 40х годов, в котором видно производство фенолформальдегидной смолы, формовка деталей прессованием, получение гетинакса, текстолита, галалита и многое другое.
Гетинакс
Гетинакс — это слоистый пластик, получаемый путем прессования бумаги, пропитанной
фенольной или эпоксидной смолой. В англоязычной литературе имеет название FR-2. (от FR — Flame Resistant — огнестойкий) (FR-1, FR-2, FR-3 это всё гетинаксы, разница только в материале связующего) У нас есть ГОСТ 2718-74 на гетинакс. Имеет низкую прочность, но при этом достаточно низкую цену. Является электроизоляционным материалом, изделия из гетинакса можно получать штамповкой, поэтому панели с ламелями, вставки, изоляционные шайбы, держатели контактов иногда изготавливают из гетинакса.
Примеры применения
Материал дешевых односторонних печатных плат. В задачах, где не требуется высокая надежность и есть возможность обойтись одним проводящим слоем, печатные платы изготавливают из гетинакса. В дешевых электронных китайских игрушках чаще всего гетинаксовые платы. Гетинакс недостаточно прочен для создания надежных переходных отверстий, поэтому двухсторонние и многослойные печатные платы из гетинакса не изготавливаются.
Различные изделия из гетинакса. Пластина специально была сломана, чтобы показать характерный рисунок на изломе. Гетинаксовый брусок слегка распух справа — результат расщепления слоев при резке.
Ламинированный гетинакс (слопласт, слоистый пластик) — гетинакс с наклеенной декоративной пленкой — материал внутренней отделки автобусов, вагонов поезда, столешниц. Прочный износостойкий трудногорючий материал.
Ламели подключения обмоток трансформатора сделаны из гетинакса, изолирующая ламели от сердечника подкладка, боковины оправки обмотки — гетинакс.
Примечание
Материал непрочный и склонен давать трещины при обработке, требуется особая осторожность при обработке резанием пилами с большим зубом. В силу низкой прочности мало пригоден в качестве конструкционного материала.
Источники
Продается многими компаниями, специализирующимися на электротехнических материалов.
Гуглить по «Гетинакс ГОСТ2718-74».
Текстолит
Текстолиты — это целый класс композиционных материалов, состоят из прессованной ткани со связующим. Например, хлопчатобумажная ткань пропитанная фенолформальдегидной смолой. Имеет характерный вид — на плоскостях и срезах видно плетение ткани. Обычно коричневого и темно-коричневого цвета. Зарубежом известны под торговыми марками Novotext, Turbax, Resitex, Cerolon, Textolit, Micarta. Материал известен с 30х годов 20 века.
Текстолит различных форм — пластины, прутки. Расположение ткани в материале различается — у прутков ткань намотана, а не уложена слоями.
Примеры применения
Как конструкционный материал. Текстолит прочен и не проводит ток, поэтому используется как материал прокладок, шайб, перегородок, вставок, шестерен и т.д. При нагревании он не ползет, это выгодно отличает его от термопластичных материалов.
Поделочный материал. Из текстолита часто изготавливают рукоятки ножей, приспособления и оснастку в условиях небольших мастерских. Текстолит хорошо обрабатывается, при этом не впитывает воду, стоек к воздействию горюче-смазочных материалов.
В зависимости от использованной в производстве ткани, наблюдаемая текстура может различаться.
Текстолит из тканей с разным шагом плетения. Текстолит всегда можно узнать по характерной текстуре и виду.
Материал доступен в продаже в России, но постепенно вытесняется другими материалами.
Корпус пластиковый или корпус металлический: что выбрать?
- корпус приборный
- корпус металлический
- производство корпусов
- инженеру на заметку
- разработчикам
Платы в пластиковом корпусе
При разработке того или иного прибора у конструктора рано или поздно возникает вопрос: в каком корпусе должен использоваться прибор по своему прямому назначению? Из какого материала должен быть сделан корпус, какую степень защиты иметь? Внешний вид также играет не последнюю роль.
Чаще всего разработчики стоят перед выбором между пластиковым корпусом и металлическим. Поэтому, мы и сравним именно эти два вида корпусов.
Итак, каковы же на наш взгляд достоинства и недостатки пластиковых и металлических приборных корпусов друг перед другом?
Табл. 1 — Сравнение корпусов из пластика и металла по некоторым основным эксплуатационным параметрам.
Срок службы и того и другого корпуса сильно зависит от условий эксплуатации.
Пластик не подвержен коррозии, однако теряет свои свойства на солнечном свете и при перепаде температур.
Сталь ржавеет без дополнительной обработки, однако просто сталь как таковая для изготовления корпусов никогда не используется. Всегда имеется покрытие (полимерная краска) или корпус делается из оцинкованной или нержавеющей стали.
Пластиковые корпуса жестко ограничены в конструктивах (габариты, посадочные и монтажные размеры) в силу своего массового производства. Это значит, что прибор нужно подгонять под уже существующий корпус, что не всегда возможно. Изготовить же корпус из пластика под конкретную разработку будет обходиться неоправданно дорого в силу технологии изготовления методом литья пластмасс.
С металлическими корпусами все намного проще. Изготовление даже одного-двух опытных образцов будет стоить в десятки раз дешевле по сравнению с литьем корпуса, так как технология изготовления корпуса из стали более универсальна.
Внешний вид корпусов из пластика кажется более привлекательным для пользователя. Пластиковые корпуса более подходят для установки в них приборов домашнего и офисного использования.
Корпуса из стали обычно более угловатые и «брутальные». В такие корпуса устанавливаются приборы промышленного и специального назначения, где внешний вид не имеет первостепенного значения.
Итоги и рекомендации по применению
Итак в силу разных свойств материалов и технологий изготовления оба вида корпусов имеют право на использование в приборостроении. Однако необходимо учитывать следующие рекомендации по их применению.
Пластиковый корпус рекомендуется использовать в случаях, когда:
- прибор планируется выпускать большими партиями (1000- 10 000) тысячами штук.
- к прибору не предъявляются требования по вандалоустойчивости;
- прибор используется внутри помещений;
- внешний вид прибора играет важную роль при его реализации.
Корпус из стали лучше применить в случаях, если:
- партии выпуска приборов не превышают 1000 шт./мес., либо выпускается пробная, опытная ограниченная партия;
- к прибору предъявляются требования по антивандальности, прибор устанавливается в местах с неконтролируемым доступом;
- планируется использование прибора в жестких климатических условиях (перепады температур, длительное воздействие солнечного света, неблагоприятные погодные условия);
- прибор имеет узкое промышленное или специальное назначение, где внешний вид прибора не важен по сравнению с его эксплуатационными характеристиками.
Также в нашей практике имеет место применение симбиоза корпусных элементов. На пример, корпус прибора может быть пластиковым, но с включением металлических элементов конструкции, как показано на фото.
Из какого пластика делают электроинструмент
В производстве бытовой техники пластики эффективно заменяют «традиционные» материалы». Этому способствуют более выигрышные, чем у других материалов, свойства.
Производители бытовых устройств раньше других приняли пластмассовые материалы, и они проложили дорогу к быстрому увеличению числа новых и традиционных пластмассовых бытовых приборов. В наши дни пластики могут технически и экономически заменить традиционные материалы, которые ранее использовались для производства бытовых приборов, т. е. металлы, дерево, стекло и т. д. Возникновению новых применений способствуют: малая масса, эстетические свойства, универсальность применения, свобода проектирования и рентабельность полимеров.
Что представляют собой бытовые приборы
В техническом отношении рынок бытовых приборов очень неоднороден, и включает целый ряд устройств с различными функциями, формами и свойствами. В таблице 1 предложен один из способов классификации, но возможны и многие другие.
Таблица 1. Примеры функциональности и свойств бытовых приборов.
Функция
Многие приборы являются товарами массового потребления и продаются миллионами штук. Цены очень различаются: от нескольких десятков евро до нескольких тысяч евро. Таблица 2 позволяет понять, какое важное место занимают некоторые основные устройства.
Таблица 2. Примеры некоторых экономических параметров, касающихся бытовых приборов.
Устройство
Почему следует использовать полимеры?
Для того чтобы исключить использование традиционных материалов и помочь сектору бытовых приборов удовлетворить свои многочисленные потребности, необходимо использовать все свойства полимеров. Полимеры могут удовлетворять всем требованиям рынка:
— экономическая конкуренция;
— сокращение затрат;
— сокращение границ;
— сокращение времени на цикл разработки для моделей массового производства;
— ужесточение законодательства о загрязнении, утилизации для переработки и затратах энергии.
Пластмассы и композиты обладают несравнимым набором свойств для того, чтобы соответствовать этим требованиям:
1) Технические свойства: пластмасса дает исключительный баланс массы, эксплуатационных характеристик, простоты обработки, эстетических свойств и затрат:
— свобода конструирования обеспечивает более высокий уровень интеграции функций;
— низкая плотность и интересное соотношение эксплуатационных характеристик и массы облегчает разгрузку и погрузку;
— устойчивость к раскалыванию: при раскалывании платмасс не образуется острых осколков, как от разбитого стекла;
— амортизирующие свойства (снижение уровня шума);
— износостойкость и влагостойкость;
— простота эксплуатации;
— возможность окрашивания всей массы, а также декорирования в процессе производства;
— хорошая термоизоляция.
2) Экономические свойства: пластмассы это экономичный ответ на запросы массового производства, и они привлекательны:
— простотой обработки;
— сокращением или исключением операций по окончательной отделке;
— более высокой производительностью благодаря интеграции функций;
— возможностью соединения с помощью простых технологий, таких как приклеивание.
3) Эстетические свойства: пластмассы позволяют:
— иметь значительно большую свободу при конструировании, чем при использовании стали и других традиционных материалов;
— иметь приятную окончательную отделку;
— иметь возможность декорирования.
4) Экологические свойства: использование пластмасс открывает дорогу к:
— энергосбережению на протяжении всего срока эксплуатации за счет высоких теплоизолирующих свойств и герметизирующих свойств эластомеров и термопластичных эластомеров ТПЭ;
— уменьшению массы;
— защитным свойствам;
— простоте очистки и мытья, которая делает пластмассы материалами, не наносящими ущерба экологии.
Таблица 3 поясняет некоторые из этих пунктов.
Таблица 3. Примеры свойств от беспримесных термопластов до однонаправленных композитов.
Пластмассы высокой плотности
Какие полимеры?
Практически все полимеры, в большей или меньшей степени, используются при изготовлении бытовых приборов:
— твердые и вспененные пластмассы, термопласты, термоотверждающиеся пластмассы и композиты;
— сшитые каучуки;
— термопластичные эластомеры.
На рисунке 1 показан удельный вес в обороте рынка товарных и конструкционных пластмасс, используемых в достаточных количествах для того, чтобы быть определяемыми в экономической статистике:
— стирольные полимеры, включая акрилонитрил-бутадиен-стирол АБС, играют важную роль, на их долю приходится примерно 50% общего потребления;
— полипропилен занимает второе место и его присутствие быстро расширяется;
— четыре конструкционные пластмассы, занимающие примерно 10% рынка, используются в специальных технических применениях, оправдывая свою затратность.
Рисунок 1. Удельный вес в обороте рынка основных пластмасс, используемых для производства бытовых приборов (ПП – полипропилен, АБС – акрилонитрил-бутадиен-стирол, ПА – полиамиды, ПК – поликарбонат, ПБТФ – полибутилентерефталат, ПОМ – полиоксиметилен).
В таблицах 4 и 5 представлены примеры применений пластмасс и ТПЭ, но этот перечень на претендует на то, чтобы быть исчерпывающим. Некоторые специальные пластмассы используются для реализации очень специальных функций, такие как полиамиды, полиэфир-эфиркетон и т. д.
Таблица 4. Примеры применения термопластичных и термоотверждающихся материалов.
Таблица 5. Примеры применений термопластичных эластомеров.
К совершенно очевидно несхожим между собой бытовым приборам применяется несколько общих требований, а для их производства используется большая часть одних и тех же полимеров.
Львиную долю видимых деталей изготавливают из стиролов благодаря их окраске, блеску, возможностям получения прозрачных материалов. Тем не менее, им составляют серьезную конкуренцию полипропилены для наиболее дешевых применений и поликарбонаты для высококлассных товаров.
Компромисс был найден с помощью создания сплавов стиролов и поликарбонатов для того, чтобы оптимизировать лучшие свойства и тех и других, и свести к минимуму их недостатки.
Стиролы эффективно конкурируют с помощью диверсификации сополимеров и сплавов, которая делает возможной оптимизацию свойств. Тем не менее, полипропилен и его производные также развиваются и продолжают представлять собой угрозу.
Кроме того, полипропилены используются вместо металлов при производстве стиральных машин, а ТПЭ вместо каучуков в качестве герметизирующих и смягчающих материалов.
Конструкционные и специальные полимеры используются в небольших количествах для выполнения технических функций, оправдывая свою высокую стоимость.