Взаимодействие пластика и металла, гибридные продукты

Сейчас многие продукты производятся из комбинации металлических и пластиковых деталей. Но так было не всегда. Когда пластмассы только появились, они имели мало применений в конструкциях, где требуется высокая нагрузка. Однако, как новый класс материалов, пластмассы быстро и значительно развивались, улучшая свои прочность, износостойкость и другие промышленные характеристики.

В результате, пластмассы теперь работают вместе с металлическими компонентами в областях, которые ранее считались невозможными.

С другой стороны, большинство металлов и металлических сплавов — это относительно зрелые материалы. Недавние улучшения в основном связаны с развитием процессов, которые оптимизируют их свойства. Однако появляются и новые сплавы, а гибридные материалы, такие как металлические матричные композиты, начали появляться в производственных потоках.

Использование пластика в комбинации с металлом сложный процесс, и главным здесь является — выявление и анализ отказов и их предотвращение.

Однако, определение механизма не объясняет, почему произошел отказ. Хрупкое разрушение, точечная коррозия или адгезионный износ — это конечные результаты, а не причины.

Для определения причины необходимы сбор данных, химический состав, физические свойства, оценка микроструктуры, история производства и эксплуатации.

Хотя многие механизмы отказов, которые влияют на металлы и полимеры, схожи, существуют важные различия, и их характеристики разрушения сильно различаются. Разрушения в обоих материалах обычно изображаются и оцениваются как оптически, так и с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ). Физические свойства также сильно различаются.

Внутренняя структура пластмасс состоит из органических макромолекул, которые более «подвижны», чем относительно «жесткая» атомная решетка металлов. В результате большинство промышленных металлов демонстрируют физические свойства большей величины, чем пластмассы, такие как твердость, прочность на растяжение и износостойкость. Металлы также сохраняют свои физические свойства в более широком диапазоне температур.

Как и некоторые пластмассы, металлы также имеют кристаллическую структуру, хотя в металлургической номенклатуре эти кристаллы называются зернами, а их взаимосвязанное расположение именуется зеренной структурой или микроструктурой. Металлические зерна имеют определенную границу с прилегающими зернами по сравнению с более переплетенной природой пластиковых макромолекул. Эта граница, или граница зерна, критически важна для различных проблем, уникальных для металлов. Суровые условия эксплуатации и дефекты производственных процессов могут ослабить связь на границах зерен, что приводит к разрушению. Это может происходить по разным механизмам, которым пластмассы не подвержены, таким как карбидное выделение, жидкометаллическое охрупчивание и водородное охрупчивание.

Оценка микроструктуры является важной областью анализа металлов, которая менее распространена в пластмассе. Физические свойства металлов могут изменяться с помощью процессов, которые модифицируют размер, форму и химический состав зерен. Эти изменения в зеренной структуре или микроструктуре изменяют физические свойства металлов и являются основой многих производственных процессов. Оценка микроструктуры проводится путем полировки и кислотного травления выбранных областей интереса. Травленый образец затем исследуют с помощью оптической микроскопии. Это выявляет характерные особенности, соответствующие использованным в производстве компонентов процессам, а также дефекты, включения и другие аспекты микроструктуры, соответствующие свойствам металла.

Термическая обработка представляет собой значительную область обработки и анализа металлов, которая не применяется к пластмассам. Повышенные температуры обычно ухудшают физические свойства пластмасс. Однако физические свойства металлов могут быть выгодно изменены и улучшены с помощью контролируемого нагрева и охлаждения. В отличие от пластмасс, которые обычно демонстрируют однородные свойства по всему объему, термическая обработка может избирательно изменять физические свойства металлов в определенных поверхностных участках, оставляя свойства субстрата неизменными. Это основа таких процессов, как поверхностное упрочнение и аналогичные полезные процессы термической обработки, которые создают твердую, износостойкую поверхность на более мягком и гибком ядре. Процессы термической обработки имеют свои собственные потенциальные проблемы. Трещины при закалке являются наиболее известными и распространенными из них, но это не единственный результат неправильных процедур термической обработки, который может привести к отказу компонента.

Металлы также соединяются и формуются процессами, которые недоступны для пластмасс. Хотя пластиковые детали можно соединять различными способами, обычно это методы склеивания, которые соединяют две или более неповрежденные пластиковые поверхности. Металлические детали соединяются с помощью множества различных методов сварки, при которых детали нагреваются локально выше точки плавления и полностью сплавляются. Ковка — еще один процесс, применяемый к металлам и не имеющий эквивалента в производстве пластмасс. С помощью этой техники металлические детали могут быть сформированы в окончательные или почти окончательные формы путем прессования или проковки, используя способность металлов пластически деформироваться и затем возвращаться в исходное или даже улучшенное состояние с помощью термообработки.

Металлы и пластмассы предлагают уникальные, иногда дополняющие друг друга и даже частично пересекающиеся эксплуатационные и производственные свойства. Отказы в этих материалах также варьируются от уникальных для материала механизмов до схожих или аналогичных режимов.

Увеличение использования и взаимодействия пластиковых и металлических деталей в продуктах требует специализированной экспертизы из обеих областей материаловедения для оптимизации их характеристик и экономичности, и является весьма востребованным направлением.

Гибридные продукты, сочетающие пластик и металл, широко используются, к примеру:

Многие современные автомобили оснащены деталями, выполненными из комбинации пластика и металла, например, бамперы, дверные панели и приборные панели. Это позволяет снизить вес автомобиля, улучшая его топливную экономичность.
В смартфонах, ноутбуках и других устройствах часто используются гибридные компоненты, такие как корпуса из алюминия и пластика, которые обеспечивают легкость и прочность.
Гибридные материалы используются в медицинских приборах, включая хирургические инструменты и имплантаты, чтобы сочетать прочность металла с биосовместимостью пластика.
Композитные материалы, такие как армированный пластик, используются для создания легких и прочных строительных элементов, таких как окна и двери.
В холодильниках, стиральных машинах и другой бытовой технике часто используются гибридные материалы для повышения долговечности и уменьшения веса.