Неметаллические материалы

7. Неметаллические материалы

7.1. Пластические массы

Свойства, состав и классификация пластмасс. Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на ос­нове природных или синтетических полимеров. Пластмассы являют­ся важнейшими современными конструкционными материалами. Они обладают рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/см³), высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, хими­ческой стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, звукоизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают оптической прозрачностью, фрикционными и антифрикционными свойствами, стойкостью к истиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологические свойства: легко формуются, прес­суются, обрабатываются резанием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс являются низкая теплостойкость, низкая ударная вязкость, склонность к старению для ряда пластмасс.

Основой пластмасс являются полимерные связующие вещества. Кроме связующих в состав пластмасс входят: наполнители для повы­шения прочности и придания специальных свойств; пластификаторы для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении из­делий из пластмасс; отвердители, ускоряющие переход пластмасс в неплавкое, твердое и нерастворимое состояние; стабилизаторы, пре­дотвращающие или замедляющие процесс старения; красители.

По поведению при нагреве все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные при неоднократном нагревании и охлаждении каждый раз размягчаются и затвердевают. Термореактивные при нагревании размягчаются, затем еще до ох­лаждения затвердевают (вследствие протекания химических реак­ций) и при повторном нагревании остаются твердыми.

По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волок­нистые, слоистые, газонаполненные и пластмассы без наполнителя.

По способу переработки в изделия пластмассы подразделяются на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатываются в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прессования и являются термореактивными.               

 По назначению пластмассы делятся на конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные и антифрикционные, теплоизоляционные и теплозащитные, электроизоляционные, оптически прозрачные, облицовочно-декоративные и отделочные.           

Рекомендуемые материалы

 Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпускаются в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали.             Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, электроизоляционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя использу­ется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие электроизоляционные свойства. В асботекстолите напол­нителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120-140°С. Стекловолокнистый анизотропный матерная (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготовля­ется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Листы стеклошпона располагаются в материале так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 90°. СВАМ обладает высокой прочностью, хорошими электроизоляци­онными свойствами, теплостоек до 200…400 °С.

Волокнистые пластмассы представляют собой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой. Они делятся на волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты.

В волокнитах в качестве наполнителя применяется хлопковое волокно. Они используются для относительно крупных деталей обще­технического назначения с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Асбоволокниты имеют наполнителем асбест — волокнистый минерал, расщепляющийся на тонкое волокно диаметром 0,5 мкм.

Обладают теплостойкостью до 200 °С, устойчивостью к ударным воздействиям, химической стойкостью, электроизоляционными и фрикционными свойствами. Стекловолокниты имеют в качестве наполнителя короткое стекловолокно или стеклонити. Прочность, электроизоляционные свойства и водостойкость стекловолокнитов выше, чем у волокиитов. Применяются для изготовления деталей, обладающих повышенной прочностью.

Порошковые пластмассы в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюло­за) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит). Эти пластмассы обладают невысокой прочностью, низкой ударной вязкостыо, электроизоляционными свойствами. Пластмассы с органи­ческими наполнителями применяются для ненагруженных деталей общетехнического назначения — корпусов приборов, рукояток, кно­пок. Минеральные наполнители придают порошковым пластмассам химическую стойкость, водостойкость, повышенные электроизоляци­онные свойства.

Рассмотренные выше пластмассы со слоистыми, волокнистыми и порошковыми наполнителями имеют чаше всего термореактивные свя­зующие, хотя имеются пластмассы с термопластичными связующими.

Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термоплас­тичными материалами. Рассмотрим наиболее важные из них.

Полиэтилен (-СН₂—СН₂-)_n — продукт полимеризации бесцветно­го газа — этилена. Один из самых легких материалов (плотность 0,92 г/см³), имеет высокую эластичность, химически стоек, морозостоек. Недостатки — склонность к старению и невысокая теплостойкость (до 60 °С). Используется для изготовления пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Занимает первое место в общем объеме производства пластмасс.

Полипропилен (-СН₂-СНС₆Н₅-)_n — продукт полимеризации газа пропилена. По свойствам и применению аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150 °С) и менее морозостоек (до  10 °С).

Поливинилхлорид (-СН₂-СНС₁-)_n используется для производства винипласта и пластиката.

Винипласт представляет собой твердый листовой материал, полученный из поливинилхлорида без добавки пластификаторов. Обладает высокой прочностью, химической стой­костью, электроизоляционными свойствами. Пластикат получают при добавлении в поливинилхлорид пластификаторов, повышающих его пластичность и морозостойкость.

Полистирол (-СН₂-СНС₆Н₅-)_n — твердый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень хорошие электроизоляционные свойства. Его недостатки — низкая теплостойкость, склонность к старению и рас­трескиванию. Используется в электротехнической промышленности.

Органическое стекло — прозрачный термопластичный матери­ал на основе полиакриловой смолы. Отличается высокой оптичес­кой прозрачностью, в 2 раза легче минеральных стекол, обладает химической стойкостью. Недостатки — низкая твердость и низкая теплостойкость. Используется для остекления в автомобиле- и само­летостроении, для прозрачных деталей в приборостроении.

Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стой­кость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 (-СF₂-СF₂)_n водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, обла­дает электроизоляционными и антифрикционными свойствами.

При­меняется для изготовления изделий, работающих в агрессивных сре­дах при высокой температуре, электроизоляции и др.

Фторопласт-3 (-СF₂-СFС₁-)_n по свойствам и применению аналогичен фторопласту-4, уступая ему по термохимической стойкости и превосходя по проч­ности и твердости.

Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения. В пенопластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с дру­гом и образуют замкнутые объемы. Они отличаются малой плотнос­тью (0,02…0,2 г/см3), высокими тепло-, звуко- и электроизоляцион­ными свойствами, водостойкостью. Недостатки пенопластов — низкая прочность и низкая теплостойкость (до 60°С). Используются для теплоизоляции и звукоизоляции, изготовления непотопляемых пла­вучих средств, в качестве легкого заполнителя различных конструк­ций. Мягкие виды пенопластов используются для изготовления ме­бели, амортизаторов и т. п.

Поропласты — это газонаполненные пластмассы, поры которых сообщаются между собой. Их плотность составляет 0,02…0,5 г/см³. Они представляют собой мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением.

7.2. Резиновые материалы

Резина представляет собой искусственный материал, получае­мый в результате специальной обработки резиновой смеси, основ­ным компонентом которой является каучук. Каучук — это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы име­ют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрям­ление макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из некоторых видов тропических растений в незначительных количествах. Поэтому производство резины основано на применении синтетических каучуков. Сырьем для производства синтетичес­кою каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехи­мическое сырье.

Резину получают из каучука путем вулканизации, т. е. в процессе химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высокой температуре, вулканизатором чаще всею является сера. В процессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образу­ется пространственная сетчатая структура. В зависимости от количества серы получается различная частота сетки. При введении 1…5 % серы образуется редкая сетка и резина получается мягкой. С увеличе­нием содержания серы сетка становится все более частой, а резина более твердой  приблизительно при 30 % серы получается твердый материал, называемый эбонитом.

Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входит ряд дру­гих веществ. Наполнители вводят в состав резины от 15 до 50 % к массе каучука. Активные наполнители (сажа, оксид цинка и др.) слу­жат для повышения механических свойств резин. Неактивные напол­нители (мел, тальк и др.) снижают стоимость резиновых изделий. Пластификаторы (парафин, вазелин, стеариновая кислота, мазут, ка­нифоль и др.) предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышения эластичности и морозостойкости резины. Противостарители служат для замедления процесса старения резины, при­водящего к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Красители слу­жат для придания резине нужного цвета. В резину также добавляются регенераты — продукты переработки старых резиновых изделий и отходы резинового производства. Они снижают стоимость резин.

Основное свойство резины — очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью об­ратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлени­ем разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью.

По назначению резины подразделяются на резины общего и спе­циального назначения. Из резин общего назначения изготовляются автомобильные шины, транспортерные ленты, ремни ременных пе­редач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амор­тизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а также на воздухе при температуре от -10 до +150 °С.

Резины специального назначения подразделяются на теплостой­кие, которые могут работать при температуре до 250…350 °С; моро­зостойкие, выдерживающие температуру до -70 °С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозоностойкие, не разрушающиеся при работе в атмосферных условиях в течении нескольких лет, стойкие к дей­ствию сильных окислителей; электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабелей; электропроводящие, способные про­водить электрический ток.

7.3. Древесные материалы

Древесина — это органический матерная растительного проис­хождения, представляющий собой сложную ткань древесных расте­ний. Она составляет основную массу ствола деревьев. Древесина яв­ляется волокнистым материалом, причем волокна в ней расположены вдоль ствола. Поэтому для нее характерна анизотропия, т.е. ее свой­ства вдоль и поперек волокон различны.

Достоинствами древесины являются относительно высокая проч­ность; малая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность; хорошее сопротивление ударным и вибрационным на­грузкам; малая теплопроводность и, следовательно, хорошие тепло­изоляционные свойства; химическая стойкость; хорошая техноло­гичность (легкость обработки и изготовления изделий). К недостаткам древесины следует отнести гигроскопичность, т.е. способность впи­тывать влагу, и возникающую из-за изменения влажности нестабиль­ность свойств и размеров (усушка и набухание), а также отсутствие огнестойкости, неоднородность строения, склонность к гниению.

Для защиты древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения про­изводят окраску лаками и красками, опрыскивание и пропитку спе­циальными химическими веществами. Материалы из древесины можно разделить на лесоматериалы, сохраняющие природную физическую структуру и химический состав древесины, и древесные материалы, полученные путем специальной обработки исходной древесины. В свою очередь лесоматериалы под­разделяются на необработанные (круглые), пиломатериалы, лущенные (древесный шпон) и колотые.

Круглые лесоматериалы получают из спиленных деревьев после очистки от ветвей, разделения поперек ствола на части требуемой длины и окорки. Они применяются в строительстве, в качестве опор и столбов линий электропередач, в качестве сырья.

Пиломатериалы получают лесопилением. Пиломатериалы с опи­ленными кромками называют обрезными, неопиленными — необ­резными. Подвергающиеся после пиления дальнейшей обработки называют стругаными. Пиломатериалы делятся в зависимости от поперечного сечения на следующие виды: брусья (толщина или ши­рина больше 100 мм), бруски (ширина не более двойной толщины), доски (ширина более двойной толщины), планки (узкие и тонкие доски).

Древесный шпон — это широкая ровная стружка древесины, получаемая путем лущения. Толщина листов шпона 0,5…1,5 мм. Ис­пользуется шпон в качестве полуфабрикатов для изготовления фане­ры, облицовочного материала для изделий из древесины.

К материалам, полученным путем специальной обработки дре­весины можно отнести фанеру, прессованную и модифицированную древесину, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и др.

Фанера — это листовой материал, полученный путем склейки лис­тов шпона. При этом волокна соседних листов находятся под пря­мым углом друг к другу. Толщина фанеры от 1 до 12 мм, более толстые материалы называют плитами. Столярные плиты представ­ляют собой трехслойные щиты, состоящие из реечного заполнителя, оклеенного с обеих сторон древесным шпоном. Прессованная дре­весина — это материал, получаемый при горячем прессовании брус­ков, досок и других заготовок поперек волокон под давлением до 30 МПа. В результате прочность возрастает по сравнению с исходной более чем в два раза.

 Модифицированная древесина представляет собой материал, полученный при обработке древесины каким-либо химическим веществом (смолой, аммиаком и др.) с целью повыше­ния механических свойств и придания водостойкости. Древесно-стружечные плиты изготовляют прессованием древесной стружки со связующим. Плиты могут быть облицованными шпоном, фанерой или бумагой. Древесноволокнистые плиты изготовляют путем прес­сования древесных волокон при высокой температуре, иногда с до­бавлением связующих веществ.

7.4. Неорганические материалы

Стеклом называется твердый аморфный термопластичный мате­риал, получаемый переохлаждением расплава различных оксидов. В состав стекла входит стеклообразующие кислотные оксиды (SiO₂, А₁₂О₃, В₂О₃ и др.), а также основные оксиды (К₂О, СаО, Na₂О и др.), придающие ему специальные свойства и окраску. Оксид кремния SiO₂ является основой практически всех стекол и входит в их состав в количестве 50 … 100 %. По назначению стекла подразделяются на строительные (оконные, витринные и др.), бытовые (стеклотара, посуда, зеркала и др.) и технические (оптические, свето- и элект­ротехнические, химико-лабораторные, приборные и др.).

Важными свойствами стекла являются оптические. Обычное стекло пропускает около 90 %, отражает — 8 % и поглощает — 1 % видимого света. Механические свойства стекла характеризуются высоким со­противлением сжатию и низким — растяжению.

Термостойкость стекла определяется разностью температур которую оно может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства сте­кол термостойкость колеблется от 90 до 170 °С, а для кварцевого стекла, состоящего из чистого SiO₂— 1000 °С. Основной недостаток стекла — высокая хрупкость.

Керамика — это неорганический минеральный материал, полу­чаемый из отформованного минерального сырья путем спекания при высоких температурах (1200…2500 °С). Структура керамики состоит из кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой фазы.

 Криc­таллическая фаза является основой керамики, ее количество соc­тавляет до 100 %. Она представляет собой различные химические соединения и твердые растворы. Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла. Ее количество составляет до 40 %. Она снижает качество керамики. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики.

По назначению керамика может быть разделена на строитель­ную, бытовую и художественно-декоративную, техническую. Строи­тельная ( например, кирпич) и бытовая (например, посуда) чаще всего имеет в структуре газонаполненные поры и изготовляется из глины. Техническая керамика имеет почти однофазную кристалли­ческую структуру и изготовляется из чистых оксидов (реже карбидов, боридов или нитридов). Основные оксиды, используемые для произ­водства керамики — А₁₂О₃, ZnО₂, МgО, СаО, ВеО. Техническая ке­рамика используется в качестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Она обладает высокой прочностью при сжатии и низкой при растяжении. Главный недостаток керами­ки, как и стекла — высокая хрупкость.

Ситаллы представляют собой материалы, полученные путем кристаллизации стекол. Ситаллы изготовляют путем плавления сте­кольного материала с добавкой катализаторов кристаллизации. Да­лее расплав охлаждается до пластического состояния и из него формуются изделия. Кристаллизация обычно происходит при повторном нагревании изделий.

По структуре ситаллы занимают промежуточное место между стеклом и керамикой. Их структура состоит из зерен кристалличес­кой фазы, скрепленных стекловидной прослойкой. Содержание кри­сталлической фазы составляет 30…95 %. Пористость отсутствует. Си­таллы характеризуются исключительной мелкозернистостью. По внешнему виду могут быть прозрачными и непрозрачными.

Структура ситаллов определяет их свойства. Ситаллы имеют высокую твердость, высокую прочность при сжатии и низкую при растяжении, обладают жаропрочностью до 900…1200 °С, жаростой­костью, износостойкостью.

Они характеризуются высокой химичес­кой стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Ситаллы отличаются хрупкостью, однако меньшей, чем стекло. При­меняются ситаллы для деталей, работающих при высоких темпера­турах и в агрессивных средах, деталей радиоэлектроники, инстру­ментов.

7. 5. Композиционные материалы

Люди также интересуются этой лекцией: 2. Физическая и логическая независимость данных.

Композиционными называют сложные материалы в состав которых входят отличающиеся но свойствам нерастворимые друг в друге компо­ненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твердые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной, керамической. По типу упрочнителя компо­зиционные материалы делятся на дисперсноупрочнённые, в которых уп­рочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др., волокнистые, в которых упрочнителем являются волокна различ­ной формы и слоистые, состоящие из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала.

Среди дисперсноупрочненных материалов ведущее место зани­мает САП (спеченная алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Получают САП из окисленной с поверхности алюминиевой пудры путем последовательного брикетирования, спекания и прессования. Структура САП состоит из алюминиевой основы с равномерно распределенными частицами А1₂О₃.  С увеличением содержания А1₂О₃ повышается прочность, твердость, жаропрочность САП, но снижается его пластичность. Марки САП-1, САП-2, САП-3, САП-4 содержат, соответственно, 6…8, 9…12, 13…17, 18…22 % А1₂О₃. Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью упрочнителя и малым  расстоянием между его частицами. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы.               

В волокнистых композиционных материалах упрочнителем служат углеродные, борные, синтетические, стеклянные и др. волокна,  нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (карбиды кремния, оксиды алюминия и др.) или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.). Свойства материала зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Повышение адгезии волокон к матрице достигается их поверхностной обработкой. Производится осаждение нитевидных кристаллов на поверхность волокон. При этом получаются «мохнатые» волокна с улучшенной адгезией, благодаря чему улучшаются механические свойства композиционного материала.

  Среди неметаллических волокнистых композиционных материалов наибольшее распространение получили материалы с полимер-  ной матрицей. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя уг­леродные волокна, называются карбоволокнитами. Они обладают  низкими теплопроводностью и электропроводностью, хорошей из­носостойкостью. Недостаток кабоволокнитов — низкая прочность при сжатии и сдвиге. Материалы с упрочнителем в виде волокон бора называют бороволокнитами. Они характеризуются высокой прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, высокими твердостью и модулем упругости, тепло- и электропроводностью. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя синтетические волокна (кап­рон, лавсан и др.), называются органоволокнитами. Они обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами.

Волокнистые композиционные материалы на металлической основе имеют более высокие характеристики, зависящие от свойств матрицы. В качестве матрицы используются металлы, имеющие не­большую плотность (алюминий, магний, титан), их сплавы, а также никель для создания жаропрочных материалов. В качестве упрочнителя используют стальную проволоку (наиболее дешевый материал), борные и углеродные волокна. При создании жаропрочных компо­зиционных материалов на основе никеля используется вольфрамо­вая проволока.