Неметаллические материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и Науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Кафедра: Технологии конструкционных материалов

Реферат по дисциплине: «Материаловедение»

Неметаллические материалы

Проверил: доцент Аюпов Р.Ш.

Выполнила: студентка гр.1121-62 Лачкова И.В.

Казань 2015

Введение

Понятие неметаллические материал включает большой ассортимент материалов таких, как пластически массы, композиционны материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамик и др.

Неметаллические материал являются не только заменителям металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимы материалы. Отдельны материал обладаю высокой механической прочностью, Легкостью, термической и химической стойкостью, высоким электроизоляционным характеристиками, оптической прозрачностью т. п. Особо следует отметит технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является великий русский химик А. М. Бутлеров. Промышленное производство первых синтетически пластмасс (фенопластов) явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г. С. Петровым (1907--1914 гг.). Блестящие исследования позволили С. В. Лебедеву впервые в мире осуществить промышленный синтез каучука (1932 г.). Н.Н. Семеновым разработана теория цепных реакций (1930--1940 гг.) и распространена на механизм цепной полимеризации.

Успешно развитие химии и физики полимеров связан с именам видны ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Важный вклад внесен К. А. Андриановым в развитие химии кремнийорганических полимеров, широко применяемых в качестве термостойких материалов.

1. Пластические массы

Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. В зависимости от природы связующего переход от формованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем охлаждении.

Состав, классификация и свойство пластмасс.

Обязательным компонентом пластмассы является связующе вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используются синтетические смолы, реже применяются эфиры целлюлозы. Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например полиэтилен, органические стекла и др.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышаю механическую прочность, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства (фрикционные, антифрикционные и т.д.). Для повышения пластичности в полуфабрикат добавляют пластификатор (органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе эластичность, облегчает ее обработку. Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (различны амины) или катализатор (перекисные соединения) процесс отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикат от их само произвольного отверждения, а также красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок, служащих для декоративных целей). пластмасса гетинакс термопан

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты) -- на основе термореактивных смол. Термопласты удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1--3%). Материал отличается большой упругостью, малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без наполнителя. В последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние (пространственная структура) хрупки, часто дают большую усадку (до 10--15%) при и переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнители пластмасс делят на порошковые (пресс-порошки) с наполнителям в виде древесной муки, сульфитной целлюлозы, графита, талька, измельченные стекла, мрамора, асбеста, слюды, пропитанные связующим (часто их называю карболитами); волокнистые с наполнителями в виде очесов хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбест (асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители (лист бумаг в гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите, стеклотекстолит и асботекстолите, древесный шпон в древеснослоистых пластиках); крошкообразные (наполнители в виде кусочков ткани или древесного шпона, пропитанные связующим); газонаполненные (наполнитель -- воздух или нейтральные газы). В зависимости от структуры последние подразделяют на пенопласты и поропласты.

Современные композиционные материалы содержат в качестве наполнителей угольные и графитовые волокна (карбоволокниты); волокна бора (бороволокниты).

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами: например, полиамид применяют качестве антифрикционных и электроизоляционных материалов и т.д.

Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойствам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами для машиностроения.

Особенностями пластмасс являются малая величина плотности (для большинства пластмасс плотность колеблется от 1 до 2 г/см³ , а для пенопластов -- от 0,015 до 0,8 г/см³ ); низкая теплопроводность; низкий температурный коэффициент линейного расширения; хорошие электроизоляционные свойства диэлектрическая проницаемость Е = 1.8 - 8.9, удельное объемное сопротивление, диэлектрические потер; электрическая прочность 10 - 30 кВ/мм); хорошая оптическая прозрачность и радиопрозрачность некоторых видов пластмасс; неподверженность коррозии и высока химическая стойкость; фрикционные и антифрикционные свойства; высокая механическая прочность силовых пластиков, сопоставима с прочностью стали; хорошие технологические свойства (легко формуются, прессуются, и можно склеивать и сваривать, обрабатывать на станках).

Недостаткам пластмасс являются невысока теплостойкость, низкий модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс склонность к старению.

Термопластичные пластмассы. В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60-70 °С начинается резкое снижение физико-механических свойств. Более теплостойкие структуры могут работать до 150-250 °С, а термостойкие с жесткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400-600 °С.

При длительном статическом нагружении появляется вынужденно-эластическая деформация и прочность понижается. С увеличением скорости деформирования не успевает развиваться высокоэластическая деформация и появляется жесткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности.

Термопласты делят на неполярные и полярные.

Неполярные термопластичные пластмассы. К неполярным пластикам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (- CH2 - CH2 -)n - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно применять при температурах до 60 - 100С. Морозостойкость полиэтилена достигает - 70С и ниже. Полиэтилен используют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекленения парников, облицовки водоемов; кроме того, полиэтилен служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока и др.

Полипропилен (- CH2 - CHCH3 -)n - является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые.

Полистирол (- CH2 - CHC6H5 -)n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. По диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образование трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

Фторопласт-4 являются термически и химически стойкими материалами. Фторопласт-4 можно длительно эксплуатировать при температуре до 250С. Разрушение материала происходит при температуре выше 415С. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Фторопласт-4 применяют для изготовления труб для химикатов, деталей (вентили, краны, насосы, мембраны), уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах.

Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт-3 полимер трифторхлорэтилена, имеет формулу (-CF2 - CFCl-)n и является кристаллическим полимером. Интервал рабочих температур фторопласта-3 от -105 до +70єС. При температуре 315єС начинается термическое разрушение. Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металла и др.

Органическое стекло - это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. При температуре 80°С органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105 - 150°С появляется пластичность, что позволяет формировать из него различные детали. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из органического стекла изготовляют светотехнические детали и оптические линзы.

Поливинилхлорид является полярным аморфным полимером с химической формулой (- CH2 - CHCl -)n. Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Из винипласта изготовляют трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки.

Полиамиды - это кристаллизующиеся полимеры. У них низкая плотность. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Они стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, маслобензопроводы, уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров, буксирные канаты и т. д. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.

Полиуретаны содержат уретановую группу - NH - COO -. Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки.

Полиэтилентерефталат является кристаллическим полимером. Является диэлектриком и обладает относительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Поликарбонат - сложный полиэфир угольной кислоты. Химически стоек к растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, топливу, маслам; разрушается крепкими щелочами. Выдерживает светотепловакуумное старение и тепловые удары. Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к ионизирующим излучениям. Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали.

Полиарилаты - сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам присущи высокая термическая стойкость и морозостойкость, хорошие показатели механической прочности и антифрикционные свойства. Полиарилаты применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без смазки, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике.

Пентапласт обладает удовлетворительными электроизоляционными свойствами. Кроме того, он водостоек. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах.

Полиформальдегид имеет температурный интервал применимости от -40 до +130С. Он водостоек, стоек к минеральным маслам и бензину. Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых передач, шестерен, подшипников, клапанов, деталей автомобилей, конвейеров и т. д.

Термостойкие пластики. К термостойким пластикам относятся ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон, полиимиды и полибензимидазолы. Температура эксплуатации до 400°С.

Ароматический полиамид имеет повышенную стойкость к радиации и химическую стойкость. Обладает высокой усталостной прочностью и износостойкостью. Из него изготавливают подшипники, уплотнительные детали запорных устройств, зубчатые колеса, детали электропередач.

Полифениленоксид обладает химической стойкостью, низким водопоглощением, имеет хорошие физико-механические характеристики. Длительно его можно применять до 130 - 150°С. Из него изготовляют детали оборудования, хирургические инструменты, изоляцию на высокочастотных установках.

Полисульфон - это термически стабильный, химически стойкий материал. По прочностным свойствам близок к полифениленоксиду. Полисульфон применяют в виде пленок, литых изделий и покрытий для эксплуатации при температурах от -100 до +175С. Из него изготовляют детали автомобилей, станков, бытовых машин, электротехнических изделий.

Полиимиды - ароматические гетероциклические полимеры. В зависимости от структуры они могут быть термопластичными и термореактивными. Полиимиды отличаются высокими механическими и электроизоляционными свойствами, широким диапазоном рабочих температур (от -200 до +300°С), стойкостью к радиации. Полиимиды стойки к действию растворителей, масел, слабым кислотам и основаниям. Разрушаются при длительном воздействии кипящей воды и водяных паров. Могут длительно работать в вакууме при высоких температурах. Полиимиды применяют в виде пленок для изоляции проводов и кабелей, печатных схем, электронно-вакуумной тепловой изоляции.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Они обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями, высокими диэлектрическими свойствами. Волокна огнестойки и термостойки. Полибензимидазолы применяют в виде пленок, волокон, тканей для специальных костюмов, могут использоваться в качестве связующих для армированных пластиков.

Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц используют различные термопласты. В качестве армирующих наполнителей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волокна и ткани.

В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, наполненные мелкорубленым стекловолокном. Стекловолокниты обладают повышенными прочностью и теплостойкостью, усталостной прочностью и износостойкостью. Интервал рабочих температур от -60 до +150°С.

Термопласты с наполнителями в виде синтетических волокон (капрон, лавсан) являются перспективными. Обладают высокой длительной прочностью.

Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из различных волокон. Из них изготовляют подшипники, зубчатые передачи, трубы вентили, емкости для агрессивных сред и др.

Термореактивные пластмассы. В качестве связующих веществ применяются термореактивные смолы, в которые иногда вводят пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые.

Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителя применяют органические и минеральные порошки. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью.

На основе фенолоформальдегидных смол с органическими наполнителями изготовляют пресс-порошки, из которых прессованием получают несиловые и электроизоляционные детали: рукоятки, детали приборов и др.

Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату.

Пластмассы с порошковыми наполнителями широко применяют в машиностроении для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и др.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.

Волокниты применяют для деталей общего технического назначения с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающим на изгиб и кручение.

Асбоволокниты обладают повышенной теплостойкостью (свыше 200С) и ударопрочностью, устойчивостью к кислым средам и высокими фрикционными свойствами. Асбоволокниты используются в качестве материала тормозных устройств (колодки, накладки, диски подъемных кранов, вагонов, автомобилей и др.); из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

Стекловолокниты получают продавливанием расплавленной стекломассы через фильеры. В качестве наполнителя применяют непрерывное стекловолокно или короткое волокно. Обладают хорошими прочностными характеристиками. Используются для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов).

Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику анизотропность. Материалы выпускаются в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Гетинакс по назначению подразделяют на электротехнический и декоративный, который может иметь различные цвета и текстуру, имитирующую древесные породы. Пластик можно применять при температуре 120 - 140°С. Он устойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов; используется для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве.

Текстолит. Среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию. Текстолит применяют для зубчатых колес. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10 - 15 раз дольше бронзовых. Однако рабочая температура текстолитовых подшипников невысока (80 - 90°С). Они применяются в прокатных станах, центробежных насосах, турбинах и др.

Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло- и крезольно-формальдегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. Древеснослоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют текстолит, а также цветные металлы и сплавы. Недостатком ДСП является чувствительность к влаге. Из ДСП изготавливают шкивы, втулки, ползуны лесопильных рам, корпусы насосов, подшипники, детали автомобилей, железнодорожных вагонов, лодок и детали текстильных машин.

Асботекстолит является конструкционным, фрикционным термоизоляционным материалом. Обладает высокой теплостойкостью (300°С) и механической прочностью. Из асботекстолита делают лопатки ротационных бензонасосов, фрикционные диски и тормозные колодки. Асботекстолит выдерживает кратковременно высокие температуры и поэтому применяется в качестве теплозащитного теплоизоляционного материала.

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Такие пластмассы имеют чрезвычайно малую массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на две группы:

1) Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего.

2) Поропласты - губчатые материалы с открытой пористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей атмосферой.

Пенопласты получили наиболее широкое применение. Замкнуто-ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Механическая плотность пенопластов невысока и зависит от плотности материала. Пенопласты применяют для теплоизоляции кабин, контейнеров, приборов, рефрижераторов, труб и т. д. Широкое применение пенопласты получили в строительстве и при производстве труднозатопляемых изделий. Используются в авиастроении, судостроении, на железнодорожном транспорте и т. д.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов. Материалом для сотопластов служат ткани (стеклянные, кремнеземные, угольные). Сотопласты имеют достаточно высокие теплоизоляционные свойства. Они служат легкими заполнителями многослойных панелей, применяемых в авиа- и судостроении для несущих конструкций; при создании наружной теплозащиты и теплоизоляции космических кораблей; в антенных обтекателях самолетов и др.

2. Композиционные материалы с неметалической матрицей

Композиционными называют искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов. Одним из компонентов является матрица (для полимеров - связующее), другим - упрочнители.

Родоначальником композиционных материалов являются армированные стеклопластики. Их физическая природа, схемы армирования и расчетные особенности переносятся на композиционные полимерные материалы.

В качестве матриц используют полимерные, углеродные, керамические металлические материалы. В качеств упрочнителей применяют волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (окислов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Углеродные волокна на воздухе могут работать до температуры 450°С, в нейтральной и восстановительной среде они сохраняют прочность до 2200°С. Борные и керамические волокна обладают высокой твердостью и мало разупрочняются с повышением температуры. Органические волокна могут работать до температуры 200 -- 300°С.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, и сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие упрочняющие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60--80% об.%, в неориентированных ( дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20 -- 30% об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

Повышение адгезии матрицы к волокнам достигается поверхностной обработкой последних. С этой целью применяют вискеризацию - введение нитевидных кристаллов в межволоконное пространство. Вискеризация осуществляется путем осаждения нитевидных кристаллов на поверхности волокон («мохнатые» волокна с выращенными на них перпендикулярно длине монокристаллами -- «усами»). Этим достигается повышение прочности материала при сдвиге в 1,5 -- 2 раза, модуль упругости при сдвиге и прочность при сжатии на 40 - 50%. По характеру матрицы композиционные материалы подразделяют на полимерные, углеродные и металлические. По упрочнителю их можно классифицировать на карбоволокниты (углепласты), содержащие в качестве упрочняющего материала углеродные волокна; бороволокниты с упрочнителями в виде борных волокон; органоволокниты с синтетическими волокнами; металлы, армированные волокнами.

Преимуществом композиционных материалов являются высокие прочность и жесткость (для карбоволокнитов ?в = 65 - 170 кгс/мм² , Е = 12000 -18000 кгс/мм²; для бороволокнитов ?в = 90 - 175 кгс/мм² , Е = 21400-27000 кгс/мм²), хорошее сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность и термическая стабильность. Плотность композиционных материалов составляет от 1,35 до 4,8 г/см³.

Композиционные материалы являются перспективными конструкционными материалами для различных отраслей машиностроения.

Карбоволокниты. Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей (наполнителей) в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Углеродные волокна получают термообработкой органических волокон. В зависимости от температуры термообработки и содержащегося углерода волокна подразделяют на частично карбонизованные (900°С, 85-90%), карбонизованные (900-1500°С, 95-99%) и графитированные (1500-3000°С, >99%). Два последних типа имеют наибольшее значение.

В зависимости от форм исходного сырья углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгутов, войлока, тканей; волокна можно перерабатывать на обычном текстильном оборудовании.

Практическое применение нашли вискозные кордные волокна (ВК) полиакрилонитрильные (ПАН-волокна).

Свойства волокон зависят от термообработки, с увеличением температуры происходит образование гексаганальных углеродных слоев, их рост и упорядочение. Структура волокон фибриллярная. Каждая фибрилла состоит из лентообразных микрофибрилл, разделенных узкими и длинными продольными порами.

В результате вытяжки достигается ориентация кристаллитов, что позволяет получать высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна. Обычные углеродные волокна имеют ?в = 50 - 100 кгс/мм² и Е = 2000 -- 7000 кгс/мм²; для высокопрочных и высокомодульных волокон ?в >150 кгс/мм² и Е>15000 кгс/мм². По удельным прочности и жесткости последние превосходят все жаростойкие волокнистые материалы.

Высокая энергия связи С -- С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличии от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению, аппретированию, вискеризации.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

В качестве полимерных связующих применяют эпоксидные, фенолоформальдегидные смолы, полиимид и др.

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-3л получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокнит КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высокой статической и динамической выносливостью, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойки. После воздействия на воздух рентгеновского излучения ?н и Ен почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5 -- 2 раза выше, чем у стеклопластиков. Они имеют следующие электрические свойства: р_v = 0,0024 - 0,0034 Ом*см (вдоль волокон); е = 10 и tgд = 0,01 (при частоте 10¹⁰ Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные, волокна, что удешевляет материал.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованный материал получаются и обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800-- 1500°С образуются карбонизованные, при 2500-3000° графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (1100°С и остаточном давлении 20 мм рт.ст.) метан разлагается, образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с эти композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару.

Карбоволокнит на углеродной матрице типа КУП-ВМ по значениям прочностм и ударной вязкости в 5 --10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35 -- 0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузов гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей применяют для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры, заменяя различные типы графитов.

Бороволокниты. Бороволкниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя -- борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, тепло- и электропроводностью.

Борное волокно получается осаждением бора из газовой фазы на поверхность разогретой вольфрамовой проволоки. Вследствие диффузии взаимодействие между бором и вольфрамом последний превращается в бориды вольфрама. Таким образом, наружная оболочка волокна состоит из металлического бора, сердечник -- из кристаллических боридов переменного состава. Борные волокна имею d = 90 - 150 мкм, ?н = 280 - 320 кгс/мм² , е = 0,7 - 0,8%, Е = 39000 - 40 000 кгс/мм² , выпускаются под марками БН и борофил (США). При температуре > 400°С волокна окисляются и требуют нанесения защитных покрытий (карбиды). Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе разделп с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклонити, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологические процессы изготовления бороволокнитов.

В качестве матриц для получения бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокнит КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше100°С; КМБ-2 работоспособен при 300°С.

Бороволокниты обладают высокой усталостной прочностью (до 35-40 кгс/мм² ), их свойства можно изменять за счет различной укладки упрочнителя. Бороволокниты стойки к воздействию проникающей радиации, к воде, органическим растворителям и горюче-смазочным материалам.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной тепло- и электропроводностью: л = 43 ккал/(м*ч*°С), б = 4-10^-6 °С^-1 (вдоль волокон); с_v = 1,94-107 Ом*см; е = 12,6 - 20,5 (при 10⁷ Гц); tgд = 0,02- 0,051 (при 10⁷ Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2 -- 2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, ротор и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

Органоволокниты. Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетически волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смены температуры.

В качестве упрочнителей применяют эластичные волокна -- капрон, лавсан, нитрон, и жесткие -- винол, ароматический полиамид и др.

Упрочнители могут быть в виде нитей, жгутов, нетканых материалов и тканей. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они мало чувствительны к повреждениям.

Связующими служат термореактивные смолы -- эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиимиды и др.

В органоволокнитах значение модуля упругости и температурных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1 -- 3% (в другив материалах 10 -- 20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (до 320 -- 650 кг*см/см² ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая (л=0,12 - 0,15 ккал/ м*ч*°С). Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100--150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон -- при 200 -- 300°С.

Композиции на основе фенолоформальдегидного связующего и эластичных волокон имеют плотность 1,15 - 1,3 г/см³ ; ?в = 10 - 19 кгс/мм², ?с = 7,5 кгс/мм², ?н = 10 - 18 кгс/^мм2 , Е = 250 - 800 кгс/мм² ; е = 10 - 20%, б = 500 - 600 кг*см/см², а с упрочнителями из жестких волокон (ароматические полиамиды) плотность 1,2 - 1,4 г/см³ ; ?в = 65 - 70, ?с = 18 - 20, ?н = 40 - 45 кгс/мм², Е = 3500 кгс/мм², е = 2-5%.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

3. 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.

Резина является материалом, обладающим весьма ценными специфическими свойствами: высокой эластичностью и упругостью, способностью многократно изгибаться, сопротивляться истиранию и поглощать вибрации; она гидро- и газонепроницаема, стойка против воздействия жидкого топлива и масел, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Благодаря этому резина находит широкое применение для изготовления самых разнообразных изделий: шин для автомашин, мотоциклов, самолетов; рукавов для подачи различных жидких и газовых сред (воды, топлив, масел, газов), приводных ремней и транспортерных лент, уплотняющих элементов (сальников, прокладок, ман-жет); амортизаторов, подшипников, электроизоляционных элементов, водопла вательных средств, строительных конструкций и многих других.

Резина является продуктом переработки каучуков. Натуральный каучук получают из растений (гваюлы, кок-сагыза и др.).

Развитие техники, естественно, не могло ограничиться использованием только натурального каучука и привело к созданию синтетического. Исходным сырьем для получения синтетического каучука служат: этиловый спирт, ацетилен, бутан, этилен, бензол, изобутилен и др.

Из синтетических наибольшее применение получили каучуки: бутадиеновый, бутадиен-стирольный, нитрильный, изопреновый, полисилоксановый.

Каучук (натуральный или синтетический) является основой резины. Другими компонентами резиновых смесей являются: вулканизирующие вещества, придающие резине требуемую твердость, прочность, упругость и другие свойства. В качестве вулканизирующих веществ используют серу, перекиси марганца, свинца, бензола; ускорители вулканизации: оксиды магния, цинка и др.; наполнители - вещества, уменьшающие расход каучука и придающие резине необходимые физико-механические свойства. Наполнители бывают порошкообразные (сажи, оксиды кремния или титана, мел, тальк, каолин и др.) и тканевые (корд, бельтинг, рукавные ткани); пластификаторы, повышающие пластичность и морозостойкость резины (стеариновая и олеиновая кислоты и др.); противостарители, препятствующие окислению каучука (вазелин, воск, парафин); красители (охра, ультрамарин).

Производство изделий из резины. Процесс изготовления изделий из резины состоит из приготовления сырой резиновой смеси, получения из нее полуфабрикатов или готовых изделий и их вулканизации.

1. Приготовление сырой резиновой смеси. Для получения смеси каучук разрезают на куски и для повышения пластичности пропускают через нагретые до 40-50° С вальцы. Затем в специальных смесителях или на вальцах смешивают с порошкообразными компонентами (наполнителем, вулканизирующими веществами, ускорителями вулканизации и др.) и получают однородную пластичную и малоупругую массу - сырую резину. Она легко формуется, растворяется в органических растворителях, при нагреве становится клейкой.

2. Производство изделий из резины. Листовые полуфабрикаты и изделия из резины получают каландрированием сырой резины; изделия сложной фор- мы- выдавливанием, прессованием, литьем под давлением.

Каландрированием получают листовую резину и прорезиненную ткань. Для получения резиновых листов или лент заданной толщины сырую резиновую смесь пропускают между верхними валками каландров, аналогичных по конструкции трехвалковой клети листопрокатного стана для металлов. Верхний и средний валки каландра подогревают до 50-90° С, а нижний охлаждают до 15° С. Выходящую из каландра листовую резину наматывают на деревянный барабан.

Прорезинивание ткани производят на каландрах, отличающихся от рассмотренного тем, что на них резиновая смесь провальцовывается и одновременно втирается в непрерывно движущуюся ткань, подаваемую с барабана в зазор между нижними валками.

Листовая резина или прорезиненная ткань поступает на раскрой. Сложные фасонные заготовки вырубают или вырезают из нее по шаблонам. Выдавливание (шприцевание) применяют для получения резиновых профилей: трубок, шнуров, полос. Для этого сырую резиновую массу с помощью червячного винта перемещают в обогреваемом цилиндре и выдавливают через матрицу определенного сечения аналогично экструдированию пластмасс.

Прессование заключается в формовании изделий сложной формы из сырой резины или прорезиненной ткани, иногда с армирующими элементами в подогретой пресс-форме при давлении 2-10 МН/мІ. Схема этого процесса аналогична схеме прессования пластмасс. Прессованием получают из резины клиновидные ремни, муфты, манжеты и т. п.

Литье под давлением применяется для получения сложных по конфигурации и крупногабаритных изделий и осуществляется в нагретых до 80-100 С пресс-формах при давлении до 120 МН/мІ аналогично литью пластмасс.

3. Вулканизация - это процесс обработки отформованного из сырой рези-ны изделия с целью повышения его прочности, твердости и других физико-механических свойств. Обычно вулканизацию проводят в автоклавах, котлах при температуре 130-150єС и давлении 0,1-0,4 МН/мІ. При этом вулканизирующие вещества взаимодействуют с линейными молекулами каучука, происходит их укрупнение и образование сетчатой структуры. В результате этого теряется пластичность каучука, изделие становится прочнее, повышается его стойкость к тепловым и химическим воздействиям.

4. Неоргантческое стекло

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор -- сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания вязкости беспорядочная структура, свойственная жидкому состоянию, как "замораживается"). В связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородным тетраэдрам [SiO 4]. При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например, на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного или боросиликатного стекол. Ион щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ba) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок. Введение Na₂O или других модификаторов разрывает прочные связи Si -- О -- Si и снижает прочность, термо и химическую стойкость стекла, одновременно облегчать технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие окислы кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие окислы натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят окислы алюминия, железа, свинца, титана, бериллия др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могу частично замещать стеклообразующие и эти сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (SiO₂ ), алюмосиликатные (А1₂О₃ - SiO₂), боросиликатные (В₂О₃ -- SiO₂ ), алюмоборосиликатные (А1₂О₃ - В₂О₃ -SiO₂ ), алюмофосфатные (А1₂О₃ -- Р₂О₅) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими окислы Na₂O, К₂О), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркал и т.п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих окислов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или от дельных деталей.

Общие свойства стекла. При нагревании стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит о состава. При температуре стеклования, стекло при обретает хрупкость. Для промышленных силикатных стекол температура стеклования tc = 425-600°С, температура размягчения лежит в пределах 600 -- 800°С. В интервал температур между t0 и tp стекло находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температурах выше температур размягчения tp проводятся все технологические процессы переработки стекломасс в изделия. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность колеблется о 2,2 до 6,5 г/см³ ( окислами свинца, бария - до 8 г/см³ ).

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением на сжатие (50-200 кгс/мм²), низким пределом прочности при растяжении (3--9 кгс/мм² ) и изгибе (5 -- 15 кгс/мм²). Модуль упругости высокий (4500 до 10⁴ кгс/мм²), коэффициент Пуассона 0,184 - 0,26. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапания по минералогической шкале Мооса и равна 5--7 единицам (за 10 едини принята твердость алмаза, за единицу--талька). Ударная вязкость стекла низкая, оно хрупкое ( 1,54-2,5 кгс*см/см²). Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.