Pereosnastka.ru

Физические свойства покрытий могут быть представлены в виде трех подгрупп, объединяющих соответственно их теплотехнические, электротехнические и светотехнические характеристики.

Теплотехнические свойства покровных пленок характеризуются их теплопроводностью, теплостойкостью и жароустойчивостью. Эти характеристики покрытий наряду с рассмотренными выше физико-механическими свойствами непосредственно влияют на долговечность и надежность конструктивных элементов в различных условиях эксплуатации.

Покрывая конструкционные материалы пленками, обладающими различной теплопроводностью, можно в значительной степени влиять на условия и режим теплообмена между изделием и окружающей средой, осуществлять преимущественный отвод тепла в заданном направлении, замедлять или ускорять теплоотдачу и т. п. Особенно велики эти возможности в случае нанесения неметаллических, в частности, полимерных пленок на металл или наоборот—металлов на полимерные и силикатные материалы. Поскольку процесс теплообмена между твердым телом и окружающей средой, наряду с молекулярным механизмом передачи тепла, обусловлен и теплоизлучением, его кинетика связана с цветом и макрорельефом поверхности. Учет теплопроводности и специфики теплоизлучения различных покровных пленок приобретает особую актуальность при конструировании электронагревательных и холодильных приборов или установок. Очевидно, например, что тыльную сторону электрорефлектора, при стремлении получить направленный теплопоток с минимальными потерями, лучше покрывать не металлической, а черной стеклоэмалевой пленкой, в то время как на его отражающую поверхность должна быть нанесена металлическая пленка с высоким и постоянным коэффициентом отражения.

Эффективность применения покровных пленок, весьма существенно влияющих на условия теплообмена, наглядно иллюстрируется на примере обыкновенного бытового термоса, в котором внутренние поверхности стеклянного сосуда Дюара подвергаются химической металлизации. Такое покрытие в несколько раз замедляет скорость теплообмена. В качестве другого примера можно привести применение металлических рукояток для управления различными механизмами, работающими в условиях низких температур. Во избежание примерзания кожи рук рукоятки покрывают полимерными пленками, устраняя таким образом неприятное свойство охлажденного металла. Здесь благоприятно сказываются теплоизоляционные свойства полимерных пленок совместно с их гидрофобностью.

Другим не менее важным свойством покровных пленок является их теплостойкость, т. е. способность к более или менее длительной эксплуатации в условиях повышенных температур. Многие приборы, аппараты и машины или отдельные их узлы работают при температурах, на десятки, а иногда и на сотни градусов превышающих комнатную. В этих условиях свойства покрытий, определяющие сопротивление их тепловому износу, являются наиболее важными. Высокой теплостойкостью обладает большинство неорганических покрытий, полученных на основе силикатов, различных металлов и их окислов. Все они длительное время способны выдерживать температуру до 300 °С, не подвергаясь при этом существенным изменениям. Однако их применение по различным соображениям не всегда может оказаться возможным и целесообразным.

Что касается многих полимерных пленок, то в таких условиях они склонны к интенсивной окислительной деструкции, приводящей к снижению их физико-механических и антикоррозионных свойств. Тем не менее современная химия полимеров дала возможность разработать ряд пленкообразователей, которые как в сочетании с теплостойкими пигментами, так и без них способны выдерживать длительные тепловые нагрузки без существенных изменений их первоначальных свойств. Среди пластмассовых покровных пленок наибольшей теплостойкостью обладают некоторые виды фторопластовых покрытий. К лакокрасочным покрытиям с повышенной теплостойкостью относятся некоторые битумно-масляно-смоляные и эпоксидные пленкообразователи, устойчивые до 250 °С, и особенно материалы на основе модифицированных кремнийорганических смол, устойчивые до 350 °С. Введение в указанные пленкообразо-ватели термостойких пигментов позволяет повысить предельную температуру эксплуатации примерно на 100 °С.

Следует иметь ввиду, что во всех случаях, когда покрытия (особенно органические) используются в условиях повешенных температур и тем более в условиях резких температурных колебаний, большое внимание уделяется надежности сцепления покровных пленок с основой и оптимальному регламентированию толщины покрытий. Это особенно важно, когда температурные коэффициенты расширения основы значительно отличаются от таковых для покрытий, так как усилия, которые возникают при нагреве на границе раздела между основой и покрытием, стремятся нарушить адгезионную связь. При этом, чем толще слой покрытия, тем больше при прочих равных условиях вероятность нарушения сцепления. Характеризуя теплостойкость полимерных покрытий, отметим некоторые особенности, касающиеся их морозоустойчивости вплоть до температуры —60 °С.

При низких температурах эластичность многих полимерных пленок уменьшается, что приводит к появлению хрупкости и непрочности покрытий. Для любых лакокрасочных материалов сохранение эластичности в условиях минусовых температур в большей или меньшей мере достигается введением в пленкообразующую основу морозостойких пластификаторов. Наиболее морозостойкими считаются покровные пленки на основе стопроцентных фенольных, полиуретановых и эфироцеллюлозных пленкообразующих материалов. Тепло- и морозостойкость покровных пленок имеет большое значение при эксплуатации изделий в условиях тропического климата и дальнего севера.

Попутно с рассмотрением теплостойкости покрытий, уместно отметить, возможность использования некоторых покровных пленок в качестве термоиндикаторов. Применение термочувствительных покрытий основано на изменении цвета ряда химических соединений при воздействии на них тепла. Эти соединения, подобно обычным пигментам, связываются на подходящем органическом пленкообразователе и полученный лакокрасочный материал наносится на поверхность, температура которой изменяется в процессе эксплуатации изделия. Применение термочувствительных покрытий оправдывается там, где невозможна или сложна установка пирометрических контрольных приборов, например, внутри тепловых аппаратов и двигателей, для контроля за нагревом подшипников и т. п.

Существует два вида термочувствительных красок: обратимые и необратимые. У обратимых, применяющихся для индикатирования температур, не превышающих 100 °С цвет после охлаждения восстанавливается до первоначального. Изменение цвета при нагревании может быть обусловлено образованием новой структурной модификации пигментов или потерей ими кристаллизационной воды. Во время охлаждения эти процессы протекают в обратном направлении. Чувствительность обратимых цветосигнальных красок не превышает 5—10 °С.

У необратимых красок (температура может достигать 950 °С) после охлаждения первоначальный цвет не восстанавливается. Здесь изменение цвета происходит в результате необратимых химических процессов, приводящих к образованию новых соединений, окрашенных в другие цвета. Например, светлозеленая углекислая медь при 400 °С превращается в окислы меди темнокоричневого цвета и т. п.

В rex случаях, когда металлические детали конструкции подвергаются воздействию высоких температур вплоть до 1000 °С и более, одним из основных условий их долговечности является жароустойчивость. Наиболее интенсивное разрушение конструкционных металлов в первую очередь происходит на поверхности нагретых изделий, находящихся в непосредственном контакте с коррозионной средой.

С целью экономии дорогих и дефицитных жаростойких сплавов в ряде случаев для изготовления деталей оказывается целесообразным использование обычных конструкционных металлов с последующей защитой их специальными жароустойчивыми покрытиями. Такие покрытия, естественно, относятся исключительно к классу неорганических и могут иметь как металлическую так и неметаллическую природу.

К металлическим покрытиям, значительно повышающим жаростойкость конструкционных сталей, относятся хромовые и алюминиевые, которые чаще всего наносятся на детали термодиффузионным способом.

Для защиты от газовой коррозии при относительно невысоких температурах порядка 600—700°С иногда применяют сравнительно тонкие покровные пленки хрома и никеля, наносимые путем электролиза из водных растворов.

Неметаллические жароустойчивые покрытия могут быть получены на основе некоторых стеклоэмалей с повышенным содержанием тугоплавких окислов таких металлов, как хром, алюминий, титан и др. Эти покрытия наносятся напылением с последующим оплавлением стеклоэмали и способны выдерживать температуры порядка 1100—1200 °С.

Наиболее высокую жаростойкость обеспечивают покрытия на основе тугоплавких карбидов, нитридов, бо-ридов и силицидов металлов, выдерживающие температуру до 2000 °С. Они получаются при высоких температурах как из твердой, так и из газообразной фазы, содержащей реакционноспособные соединения углерода, бора и других элементов, в условиях непосредственного контакта этих соединений с покрываемыми деталями.

В последнее время весьма перспективными для повышения жароустойчивости поверхности металлов становятся так называемые металлокерамические покрытия (керметы). Они образуются при введении в окислы или другие тугоплавкие соединения мелкодисперсных металлических порошков. Керметы дают возможность в широких пределах варьировать свойства покрытий, в частности улучшать их теплопроводность, пластичность и ряд других свойств. Получение металлокерамических покрытий осуществляется методом газопламенного и плазменного напыления.

Электротехнические свойства покрытий находят особенно разнообразное применение в области электротехники, автоматики и радиоэлектроники. С их помощью поверхность самых различных материалов приобретает повышенную электропроводность или, напротив, высокую электроизоляционность, различные полупроводниковые и магнитные характеристики.

Покрытия, обладающие хорошей электропроводностью, широко применяются в местах стыка токоведущих систем, для улучшения работы электроконтактов и волноводов, с целью придания диэлектрикам сплошной или избирательной поверхностной проводимости, в частности для производства печатных радиосхем и пр.

Наиболее широкое применение из числа электропроводных покрытий находят медные и серебряные; наряду с ними используются золотые, родиевые и палладиевые покрытия. В большинстве случаев нанесение этих металлопокрытий осуществляется химическим и электрохимическим способами или же их последовательной комбинацией.

С целью достижения равномерного нагрева поверхности диэлектриков применяются покрытия из электролитических сплавов, обладающих высоким электросопротивлением, такими, например, как железо-хром, хром-никель и т. д. Эти покрытия-сплавы на непроводящей основе могут выполнять роль электронагревательных элементов.

В ряде случаев может возникнуть необходимость в создании электропроводящих свойств в полимерных , пленках и, в частности, в лакокрасочных покрытиях (например, для соединения путем контактной свар, ки предварительно окрашенных деталей). Окраска деталей перед сваркой применяется с целью повышения антикоррозионных свойств металлов (особенно черных) в зоне сварных швов.

Полимерные пленки становятся электропроводными при высоком наполнении их токопроводящими пигментами, которые в покровной пленке должны контактировать друг с другом и с металлом основы. Наиболее распространенным пигментом, применяемым для этой цели, является цинковая пыль, которая одновременно с электропроводностью обеспечивает высокую антикоррозион-ность покрытия.

Наряду с необходимостью придания поверхностям деталей токопроводящих свойств с различным коэффициентом электропроводности часто возникает потребность решать обратную задачу — обеспечивать более или менее высокими диэлектрическими свойствами поверхности различных проводников первого рода. Последнее достигается нанесением на металлы полимерных или стеклоэмалевых покровных пленок, диэлектрические свойства которых определяются природой пленкообразователя и пигментов.

Наилучшими электроизоляционными свойствами обладают полимерные покрытия на основе фенолформаль-дегидных, эпоксидных и кремнийорганических смол. При прочих равных условиях надежность электроизоляционной функции различных покрытий зависит от их толщины.

В современной радиоэлектронике и фототехнике широкое применение находят наряду с электропроводными и изоляционными покрытиями пленки, обладающие полупроводниковыми свойствами. Как известно, эти свойства основаны на способности некоторых кристаллических материалов пропускать электрический ток только в одном направлении и образовывать для тока обратного направления запорный (вентильный) слой.

Покровные пленки с полупроводниковыми свойствами применяются для преобразователей переменного электрического тока в постоянный, в системах, имеющих различные фотоэлектрические датчики типа фотоэкспонометров.

Полупроводниковым эффектом обладают многие твердые вещества и получаемые из них покрытия — окись алюминия, закись меди, селен, германий, кремний и др- Покрытия на проводниках, имеющих типично электронную проводимость, получают различными способами. Например, закисномедные и окисноалюминиевые — электрохимически, селеновые, германиевые и кремниевые — напылением в вакууме.

Важную роль в технике играют покровные пленки, обладающие ферромагнитными свойствами. Такие пленки находят широкое применение для изготовления магнитофонных лент, в различных запоминающих устройствах электронно-вычислительных машин, для экранов, защищающих различные радио-электронные системы от влияния магнитных полей и т. д. В большинстве случаев ферромагнитные покрытия получаются на основе металлов восьмой группы периодической системы элементов — железа, никеля и кобальта и являются сплавами этих металлов, в ряде случаев легированными фосфором, молибденом, кремнием и другими элементами. Иногда ценные ферромагнитные свойства покрытий возникают за счет образования бинарных сплавов металлов, из которых каждый в отдельности не является ферромагнетиком. К таким сплавам, например, относятся сплавы марганца с висмутом или сурьмой. Все ферромагнитные покрытия в зависимости от состава сплава делятся на магнитомягкие и магнитожесткие, значительно отличающиеся коэрцетивной силой.

Типичным представителем магнитомягких покрытий с коэрцетивной силой, не превышающей несколько эрстед, является покровная пленка электролитического сплава железо-никель, которая находит применение в приборах для оперативной памяти, а также используется с целью экранирования магнитных полей.

К магнитожестким покрытиям с коэрцетивной силой, превышающей сто эрстед, относятся покрытия-сплавы типа кобальт-никель-фосфор, кобальт-фосфор, кобальт-вольфрам и некоторые другие. Они применяются в Устройствах долговременной памяти, для производства малогабаритных магнитов постоянного тока и т. д.

Получение ферромагнитных покрытий, в частности на эластичных полимерных лентах для магнитофонной записи и других целей, может осуществляться двумя принципиально различными методами. Перзым из них является химическое или электрохимическое получение сплошной пленки из ферромагнитного сплава. Второй осуществляется путем нанесения мелкодисперсного порошка соответствующего ферромагнетика, связываемого на поверхности покрываемого объекта полимерным пленкообразователем.

Светотехнические свойства покровных пленок проявляются в их отражательной или свето-поглощающей способности, светостойкости и люмине-сцентности при воздействии на них лучистой энергии. Способность отражать или поглощать падающий на поверхность световой поток является существенной характеристикой деталей и узлов нагревательных и электроосветительных устройств, а также различных оптических систем и приборов.

Типичными деталями многих бытовых изделий и приборов специального назначения, которые должны обладать высоким и постоянным коэффициентом отражения, являются плоские зеркала и рефлекторы различной криволинейной формы.

Широкое техническое применение в качестве покрытий, обеспечивающих необходимую отражательную способность поверхностей различных конструкционных материалов, нашли серебряные, хромовые и алюминиевые пленки. Из них наибольшим коэффициентом отражения обладают серебряные покрытия. Однако склонность последних к потускнению в условиях длительной эксплуатации и сравнительно высокая их стоимость обусловили постепенное вытеснение серебра алюминием и хромом.

В случае прозрачных конструкционных материалов типа стекла, полистирола и других покровная пленка чаще всего наносится на тыльную поверхность рефлектора. В случае же непрозрачных материалов—металлов, керамики и большинства пластических масс — эта пленка, естественно, наносится на лицевую поверхность отражателя.

Металлы, применяемые для зеркальных покрытий, могут быть нанесены на поверхность отражателя химическим и электрохимическим методом, а также испарением в вакууме. Последний способ обладает рядом технико-экономических преимуществ, а для алюминиевых покрытий является единственно возможным. Нет нужды говорить о том, что поверхность основы, на которую наносится рефлексное металлическое покрытие, Должна быть предельно гладкой.

В ряде случаев для повышения отражательной способности поверхности применяются белые стеклоэмалевые покрытия и наиболее свето- и теплоустойчивые лакокрасочные материалы. Использование последних ограничивается невысоким (не более 70—80 С) температурным пределом эксплуатации.

Поверхность многих деталей главным образом оптических приборов должна обладать способностью максимального светопоглощения. Для этой цели применяются глубокоматовые черные покровные пленки. На металлах их можно получить нанесением оксидных лакокрасочных и некоторых специальных черных металлопокрытий, например, черного хрома и никеля. Для остальных конструкционных материалов применяются только лакокрасочные покровные пленки.

Все черные покрытия, применяющиеся для светопоглощения, должны обладать микрофактурой, обеспечивающей диффузное отражение непоглощенной части падающего света, что исключает возможность образования бликов. С этой целью поверхностям основы, особенно перед нанесением оксидных и металлических черных пленок, путем специальной обработки придается микрошероховатость.

Важной светотехнической характеристикой покрытий является их светостойкость, которая приобретает особое значение для поверхностей различных элементов конструкций, подверженных в процессе эксплуатации интенсивному облучению. Светостойкость покровных пленок особенно существенна для устройств, систематически работающих в условиях активной солнечной радиации. Это, в первую очередь, средства транспорта и различные полевые приборы.

Большинство неорганических покрытий являются Достаточно устойчивыми при длительном зоздействии на них естественных и искусственных источников лучистой энергии, в то время как в покровных пленках, полученных на основе органических полимерных материалов, протекают сложные фотохимические процессы, при-водящие к более или менее быстрому разрушению покрытий.

Влияние солнечной или искусственной радиации на органические покрытия может проявляться как в ухудшении физико-механических свойств пленки, так и в изменении ее цвета. В случае пигментированых покрытий протекание этих процессов в значительной степени зависит от соотношения свойств пленкообразователей и пигментов, образующих данную покровную пленку. Так, например, фотоокислительная деструкция одной и той же пленкообразующей основы при одинаковых условиях облучения может быть усилена в присутствии цинкосодержащих пигментов и замедлена под влиянием алюминиевого пигмента. Это объясняется тем, что цинк является сравнительно интенсивным сенсибилизатором фотохимической деструкции полимеров, в то время как алюминиевый пигмент, имеющий плоскочешуйчатую структуру, хорошо отражает наиболее активную ультрафиолетовую часть излучений.

Между рассмотренной ранее теплостойкостью пленкообразующих веществ и их светостойкостью наблюдается определенная корреляция: наиболее теплостойкие полимеры, как правило, лучше сопротивляются воздействию лучистой энергии.

Что касается пигментной части, то наибольшей активностью, связанной с изменением и потерей цвета под действием облучения, обладают органические пигменты, хотя некоторые из минеральных также могут изменять цвет. Например, белый пигмент литопоп, под действием света быстро желтеет.

Ценным свойством некоторых специальных полимерных покрытий является их люминисцентность, т. е. способность к холодному свечению. Такие покрытия, в зависимости от специфических свойств люминофоров, широко используются в технике сигнализации, при изготовлении светящихся шкал и циферблатов в приборостроении, а также в рекламно-декоративных целях.

Наилучшими связующими для различных пигментов с люминофорными свойствами являются лаки на основе акриловых смол, обладающие высокой прозрачностью и устойчивостью в эксплуатации. Различают два вида люминофоров— флуоресцирующие и фосфоресцирующие. Первые содержат специальные органические красители, обладающие большой яркостью свечения при облучении их ультрафиолетовыми лучами. Они применяются, например, для повышения видимости в условиях тумана или слабой освещенности, сигнальных огней воздушного и наземного транспорта, различных реклам и сигнальных знаков.

Фосфоресцирующие светящиеся пленки бывают двух видов: постоянного действия, содержащие радиоактивные вещества и не требующие для своего свечения внешнего источника световой энергии, и временного действия, содержащие сульфиды цинка, кадмия и других металлов с небольшими добавками активаторов в виде солей меди и серебра. Последние для самосвечения должны предварительно облучаться дневным светом. Фосфоресцирующие люминофоры постоянного действия широко применяются в часовой промышленности и военной технике для изготовления светящихся шкал и циферблатов. Люминофоры с временной фосфоресценцией, аналогично флуоресцирующим составам, используются в декоративных красках.

Читать далее:

Физико-химические свойства покрытий

• Оценка покрытий некоторых изделии
• Методика выбора покрытий
• Текстурированные металлолаковые покрытия
• Граничащие покрытия
• Многослойные покрытия