第十一講:真空材料
張以忱(東北大學(xué),遼寧沈陽(yáng)110006)
中圖分類號(hào):TB743;TB79
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:E
文章編號(hào):1002-0322(2002)05-0064-03
4.3塑料
4.3.1氟塑料(聚四氟乙烯) 氟塑料(聚四氟乙烯)俗稱塑料王,其商品名稱是Teflon,是四氟乙烯的聚合物,為白色或灰白色的物質(zhì)。它是在高壓下由三氯甲烷與氫氟酸聚合制成四氟乙烯(粉末),在370℃時(shí),將得到的四氟乙烯粉末裝模、燒結(jié),產(chǎn)生一種堅(jiān)韌的、非熱塑性和非多孔性的樹(shù)脂。聚四氟乙烯雖然大多是結(jié)晶體,但卻沒(méi)有熔點(diǎn)。它的塑性隨溫度升高而增加,而機(jī)械性能則急劇變壞。而且在高于327℃時(shí),轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇鲃?dòng)無(wú)定形的膠狀物。在高于400℃時(shí),聚四氟乙烯分解,放出有毒的揮發(fā)性氟化物氣體。它的低溫性能也很好,溫度低于-80℃時(shí)仍能保持其韌性。 表23給出了聚四氟乙烯的某些性質(zhì)。 由于聚四氟乙烯的結(jié)構(gòu)是致密的,因此它有優(yōu)良的真空性能。它的滲透率很低,它在室溫下的蒸氣壓和放氣率都很低,比橡膠和其它塑料都要好。其25℃時(shí)的蒸氣壓為10
-4Pa,350℃時(shí)為4×10
-3Pa。 聚四氟乙烯與其本身或與鋼之間的摩擦系數(shù)很低,對(duì)鋼的摩擦系數(shù)為0.02~0.1,可用作無(wú)油軸承材料,也可用于真空動(dòng)
密封,但必須保證有良好的導(dǎo)熱性(或用改性氟塑料),以避免因摩擦過(guò)熱而損壞。
表23聚四乙烯性質(zhì) 性質(zhì) 溫度(℃)或成形 數(shù)值 單位 結(jié)構(gòu)密度工作溫度比熱熱導(dǎo)率線熱膨脹系數(shù)抗拉硬度楊氏模量電阻率電擊穿強(qiáng)度電介質(zhì)常數(shù)永久變形用環(huán)作試驗(yàn)區(qū) ≤327℃>327℃>400℃90℃60~10
8Hz(55×75×2)20℃100℃ 結(jié)晶體無(wú)定形膠狀物分解2.1~2.2-80~2500.256×10
-41500×10
-7140~3504300~5200>10
19202用1.96×10
7Pa力212 g·cm
-3℃cal·g
-1·℃
-1cal·cm
-1·s
-1·℃
-1℃
-1kg·mm
-2kg·mm
-2Ω·cm持續(xù)24h%% 聚四氟乙烯的彈性和壓縮性不如橡膠,而且在高負(fù)荷時(shí)趨于流動(dòng),甚至破裂。當(dāng)加載高于3 MPa時(shí),產(chǎn)生殘余變形,加載到20 MPa左右時(shí),會(huì)被壓碎。因此聚四氟乙烯一般只用作帶槽法蘭的墊片材料,而且負(fù)荷不超過(guò)3.5 MPa。用于靜密封的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。 聚四氟乙烯具有良好的電絕緣性能。它的電阻率極高,電介質(zhì)損耗很低,由于聚四氟乙烯不吸附和不吸收水蒸氣(不吸水也不被水浸潤(rùn)),因此即使在100%的相對(duì)濕度下,表面電阻率仍很高。這一特性及其抗飛弧性,使得聚四氟乙烯特別適用于各種需要絕緣的場(chǎng)合。 聚四氟乙烯的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定,這一點(diǎn)優(yōu)于任何其它的彈性塑料材料。它與所有已知的酸和堿(包括三大強(qiáng)酸和氫氟酸)都不發(fā)生反應(yīng)。聚四氟乙烯不會(huì)受潮,也不溶解于任何已知的溶劑(但能溶解于熔融的堿金屬)。聚四氟乙烯不可燃、無(wú)毒,只有當(dāng)加熱溫度高于400℃時(shí)能放出有毒氣體。由于聚四氟乙烯的性質(zhì)不活潑,因此只能采用特殊的方法對(duì)它粘接。在粘接時(shí)應(yīng)注意粘接劑的z*高工作溫度。 聚四氟乙烯能用普通的刀具進(jìn)行高速切削加工。在聚四氟乙烯燒結(jié)成形時(shí)加入不同的添料(如石墨、玻璃纖維、銅粉等),可得到改性聚四氟乙烯,主要是改善其機(jī)械性能和熱學(xué)性能。 在真空技術(shù)中,聚四氟乙烯可用作密封墊片、永久或移動(dòng)的引入裝置的密封、絕緣元件和低摩擦的運(yùn)動(dòng)元件等。聚四氟乙烯的應(yīng)用溫度范圍為-50~200℃,其z*高工作溫度可達(dá)到250℃。
4.3.2聚乙烯和聚丙烯 聚乙烯和聚丙烯分別是乙烯和丙烯的熱塑高分子聚合物.它們的特點(diǎn)是:性能穩(wěn)定,在室溫下幾乎不受化學(xué)腐蝕。只是在溫度較高時(shí),才會(huì)受到氣體或酸的氧化。但是在紫外線的照射下會(huì)增加這種氧化效應(yīng)。鹵素或有機(jī)酸能夠擴(kuò)散透過(guò)這些熱塑材料或者被它們吸收,而且一些碳?xì)浠衔?如四氯化碳和三氯乙烯)能夠引起它們鼓脹。所以,盡管聚乙烯和聚丙烯的蒸氣壓在10
-7Pa范圍內(nèi),但是由于它們的強(qiáng)度和工作溫度的限制,使得這些材料在真空技術(shù)中的應(yīng)用受到很大的限制。
4.3.3尼龍 尼龍是一種熱塑性聚合物.尼龍的轉(zhuǎn)化點(diǎn)很明顯(大約230℃)。當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí),尼龍失去剛性,能象油一樣地流動(dòng)。因此尼龍應(yīng)在低于100℃以下使用。在這個(gè)范圍內(nèi),尼龍具有良好的機(jī)械加工性能、良好的強(qiáng)度和韌性、較低的蒸氣壓、很強(qiáng)的耐酸、油、大多數(shù)溶劑以及其它化學(xué)物品的能力。4.3.4酚醛塑料 是一種熱固性塑料。由于其蒸氣壓很高,一般只能在粗真空和低真空范圍內(nèi)使用。4.3.5有機(jī)玻璃 有機(jī)玻璃的成分為丙烯酸。它是一種重量輕、透明、易于機(jī)械加工和模鑄的熱塑性塑料。有機(jī)玻璃吸水少、電介質(zhì)強(qiáng)度高、絕緣、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)適當(dāng)烘烤之后,它的蒸氣壓可達(dá)到5×l0
-5Pa。
4.4碳(石墨)及碳纖維制品
4.4.1碳(石墨) 真空技術(shù)中常用的碳是人工石墨。表24給出了碳的某些性質(zhì)。碳的熔點(diǎn)高、蒸氣壓低、熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好、電子發(fā)射的逸出功高、熱發(fā)射率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、剛度大、吸氣性好和價(jià)格便宜。因而石墨可用作
真空爐的加熱器、鍍膜及熔煉用的坩堝(缺點(diǎn)是熔融物會(huì)產(chǎn)生碳污染)、金屬鍍膜中的熱屏蔽罩以及電弧焊(爐)中的電極。碳還可以用于提高熱發(fā)射率,同時(shí)抑制了二次電子的發(fā)射,如鎳涂覆碳。碳的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、含氣量大,去氣困難、機(jī)械加工性差、焊接困難。
表24碳(石墨)的性質(zhì) 性質(zhì) 溫度(℃)或成形 數(shù)值 單位 原子序數(shù)原子量密度熔點(diǎn)比熱線熱膨脹系數(shù)布氏硬度抗拉強(qiáng)度楊氏模量電阻率電子逸出功 真實(shí)值表面值20~30020~150020~100202000 612.0162.21~2.251.5~1.753700±1000.200.40縱向11~22×10-7橫向22~46×10-7≥30.2~0.6600~80達(dá)1000600~11004.0~4.8 g·cm-3℃cal·g-1·℃-1℃-1kg·mm-2kg·mm-2kg·mm-2µΩ·cmeV
4.4.2碳(石墨)纖維 碳纖維是60年代以來(lái)迅速發(fā)展的一種新材料。在真空技術(shù)中,它主要用于加熱裝置的電熱體、絕熱層和防腐耐熱的環(huán)境中。它有著優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。其纖維是一種比蜘蛛絲還細(xì)、比鋁還輕、比不銹鋼還耐腐蝕(耐大多數(shù)化學(xué)試劑腐蝕,僅對(duì)強(qiáng)氧化劑,例如鉻酸鹽等在高溫下能起反應(yīng))、比耐熱鋼還耐高溫,又能像銅那樣導(dǎo)電的新材料。 碳纖維的工作溫度可達(dá)-180~3300℃。即使從3000℃冷卻到室溫也不炸裂。其織品是真空電爐中頗具優(yōu)勢(shì)的好材料。 若將碳纖維加熱到2000~3000℃,并讓其受張力作用,即可成為含碳量大于99%的石墨纖維。其性能比碳纖維更佳。根據(jù)需要可織成布、帶、管、繩等,與鎢、鉬、碳棒相比,輻射率高,發(fā)射率為鎢的2倍。輻射面積大,熱慣性小,導(dǎo)電率高,密度小(重量輕),在高溫下不變形、熔點(diǎn)極高,易成形。其另一特點(diǎn)是受熱時(shí),在軸向是冷脹熱縮,而且其熱膨脹系數(shù)很低,比普通鋼小幾十倍,實(shí)際上近乎為零。 石墨纖維用于真空加熱材料時(shí),其一些性能與難熔金屬之間的比較見(jiàn)表25。
表25石墨纖維與難熔金屬性能比較 性能 材料 鎢 鉬 鉭 石墨帶 注 熔點(diǎn)(℃)比重(g/cm3)使用溫度(℃)蒸汽壓(Pa)黑度(ε)升溫強(qiáng)度變化承受表面功率(W/cm2) 340019.627501.3×10-30.03~0.3下降4030 260010.221004×10-10.1~0.3 下降3015 300016.620006.6×10-60.2~0.3下降—— 38002.2433004×10-40.95提高4030 2000℃1000℃1400℃
4.4.3碳纖維—樹(shù)脂復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)塑料) 碳纖維—樹(shù)脂基復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)塑料),是以樹(shù)脂為基體,用碳纖維增強(qiáng)的一種新型復(fù)合材料。作為基體材料的樹(shù)脂,目前以環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚四氟乙烯樹(shù)脂應(yīng)用z*廣。作為增強(qiáng)材料,與玻璃纖維等增強(qiáng)材料相比,碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、斷裂伸長(zhǎng)小等特點(diǎn),高強(qiáng)度碳纖維拉伸強(qiáng)度可達(dá)3500 MPa,而斷裂仲長(zhǎng)率為1%,并在2000℃以上高溫,其強(qiáng)度和彈性模量保持不變,這是難得的優(yōu)良性質(zhì)。 碳纖維增強(qiáng)塑料還具有很高的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞、吸振、抗蠕變、線脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大和耐水性好等特點(diǎn)。碳纖維增強(qiáng)塑料在真空工程中可用于制做軸承、密封圈、墊、齒輪等零件,具有耐磨、耐腐蝕、耐熱、無(wú)需潤(rùn)滑等特點(diǎn)。 目前應(yīng)用的碳纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品有以下幾種。
①T300/5208增強(qiáng)復(fù)合塑料:基體為美國(guó)Narmco公司生產(chǎn)的5208樹(shù)脂,增強(qiáng)材料為美國(guó)UCC公司生產(chǎn)的碳纖維。其成品為板材。其于180℃以下使用時(shí),具有較好的綜合性能。
②T300/914增強(qiáng)復(fù)合塑料:這是一種在歐洲各國(guó)廣泛使用的復(fù)合材料。914是一種適中熔融粘度的改性環(huán)氧樹(shù)脂,T300/914是由914樹(shù)脂作基體,碳纖維300增強(qiáng)的復(fù)合材料,具有較高的斷裂強(qiáng)度,但耐熱性較低,適合在-60℃~180℃范圍內(nèi)工作。
③Rigidite5245碳纖維增強(qiáng)材料:這種增強(qiáng)復(fù)合材料是美國(guó)Narmco公司研制的一種高應(yīng)變、抗沖擊的樹(shù)脂系統(tǒng)。這種材料具有極好的抗沖擊韌性,并在130~150℃有良好的濕熱強(qiáng)度保持率,同時(shí)有較好的操作工藝性。
④4211/T30、5221/T30復(fù)合材料:該材料為北京航空材料研究所研制并生產(chǎn)。分別是以4211、5221環(huán)氧樹(shù)脂體系浸漬高強(qiáng)型碳纖維制成的單向預(yù)浸料,具有耐高溫、耐濕熱、力學(xué)性能好等特點(diǎn),分別適用于120℃和130℃下使用。
⑤HD01C碳/環(huán)氧復(fù)合材料:是由西安飛機(jī)制造公司研制并生產(chǎn)。它以HD01樹(shù)脂為基體,以HS-3高強(qiáng)碳纖維為增強(qiáng)體制成。材料的力學(xué)性能、耐熱性能良好,可于120℃下使用。 (未完待續(xù))