Неметаллические конструкционные материалы. Неметаллические материалы

Неметаллические материалы

Студент должен

Иметь представление:

Знать:

К неметаллическим материалам относят пластмассы, древесину, клеи, резиновые, лакокрасочные, прокладочные, уплотнительные и изоляционное материалы

Обеспечивая необходимую механическую прочность и небольшую плотность изготовляемых из них изделий, неметаллические материалы придают им химическую стойкость, устойчивость к воздействию растворителей, водо-, газо- и паронепроницаемость, высокие изоляционные свойства.

Пластические массы (пластмассы неметаллические композиционные материалы на основе полимеров (смол), способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия и устойчиво сохранять в результате охлаждения или отверждения приданную им форму.

Рис. 2.22 Трубы из пластмассы

Рис. 2.23 Бытовые изделия из пластмассы

Рис. 2.24 Отделочные материалы из пластмассы

Для пластмасс характерны малая плотность, высокая устойчивость против коррозии, в большинстве случаев низкий коэффициент трения, высокие электроизоляционные, теплоизоляционные и демпфирующие свойства, декоративность. Их недостатки — низкие теплостойкость и теплопроводность, гигроскопичность, склонность к старению и снижению прочностных свойств под воздействием температуры, времени и различных сред. Основу пластмасс составляют полимеры, от типа и количества которых зависят физические, механические и технологические свойства пластмасс.

Полимеры — это высокомолекулярные соединения, имеющие линейную , разветвленную или пространственную структуру. Молекула полимера — это длинная цепь, состоящая из отдельных звеньев , однотипных по химическому составу и строению (гомополимер) или разнотипных (сополимер).

Полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. При переходе полимера из аморфного в кристаллическое состояние существенно меняются его физико-механические свойства, повышается прочность и теплостойкость. Под действием теплоты аморфные полимеры переходят из твердого (стеклообразного) состояния в высокоэластичное и вязкотекучее состояние .

Для кристаллических полимеров термомеханические кривые имеют иной вид, чем для аморфных полимеров. Некоторые полимеры с увеличением температуры разлагаются, не переходя в вязкотекучее состояние.

Полимеры, способные образовывать пространственные структуры, служат основой термореактивных пластмасс (реактопластов). Пространственные структуры получаются из отдельных линейных цепей полимеров в результате возникновения поперечных связей. При этом полимер становится полностью неплавким и нерастворимым.

Полимеры с течением времени могут значительно изменять свои свойства и стареть. При этом снижается механическая прочность, уменьшается эластичность, повышается хрупкость. Старение полимеров происходит в результате физико-химических процессов, в основном деструкции — разрыва химических связей в основной цепи макромолекул. Деструкцию полимеров вызывает нагрев, воздействие окислительных реагентов, облучение и т. д.

Для замедления процесса старения в пластмассы добавляют различные стабилизаторы — органические вещества, которые уменьшают действие того или иного фактора. Амины предохраняют полимеры от окисления; сажа, поглощая свет, служит светостабилизатором и т. д.

Классификация пластмасс. В зависимости от вида связей между молекулами полимеров и их поведения при повышенных температурах пластмассы разделяют на :

термопластичные (термопласты), которые получают на основе поли-меров, молекулы которых связаны слабыми межмолекулярными силами. Наличие таких межмолекулярных связей позволяет полимеру много раз размягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении, не теряя свои первоначальные свойства (полиэтилен, капрон, полиамиды, поливинилхлорид, винипласты, фторопласты, органическое стекло и др.).
Реактопласты получают на основе полимеров, молекулы которых наряду с межмолекулярными силами могут связываться химически. Возникновение прочных химических связей в полимерах происходит при нагревании или при введении отверждающих добавок — отвердителей.

Отвердителями называют вещества, которые в количестве нескольких процентов вводят в реактопласты для соединения полимерных молекул химическими связями. Примером реактопластов могут служить эпоксидные и полиэфирные смолы, фенопласты и другие полимеры.

Пластмассы разделяют на пластики и эластики. Первые называют жесткими, они имеют незначительное относительное удлинение, вторые — мягкими, они имеют большое относительное удлинение и малую упругость.

По составу пластмассы разделяют на две группы — ненаполненные и наполненные (композиционные).

Ненаполненные пластмассы — это полимеры в чистом виде, например полиэтилен, полиамид, органическое стекло и др.

Наполненные пластмассы — это сложные композиции, содержащие кроме полимера различные добавки. Добавки позволяют изменять свойства полимера в нужном направлении. К добавкам относят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, катализаторы, красители, отвердители и специальные добавки.

Наполнители упрочняют материал, удешевляют его и придают ему специальные свойства, например, повышают теплостойкость, уменьшают усадку к т. д. В качестве наполнителей используют органические (древесная мука, целлюлоза, хлопковые очесы, хлопчатобумажная ткань, древесный шпон, бумага и т. д.) и неорганические (графит, тальк, асбест, кварц, слюда, стекловолокно, стеклоткань и др.) вещества. В пластмассе может содержаться до 70% наполнителей.

Пластификаторы облегчают переработку пластмасс и делают их более эластичными. Кроме того, пластификаторы увеличивают гибкость, уменьшают хрупкость и улучшают формуемость пластмасс. Пластификаторы уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. В качестве пластификаторов используют эфиры, дибутилфталат, касторовое масло и др. Их добавляют в пластмассы в количестве 10—20%.

Стабилизаторы — различные органические вещества, способствуют предотвращению старения пластмасс и сохранению их полезных характеристик.

Отвердители ускоряют процессы отвердения смол и получения пластмасс.

Катализаторы — вещества (известь, магнезия и др.), ускоряющие отвердение пластмасс.

Красители—вещества (сурик, мумия, нигрозин и др.), придающие пластмассам требуемый цвет.

Специальные добавки — вещества, которые служат для изменения или усиления какого-либо свойства. К ним относят смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиций и устраняют прилипание к пресс-формам, вещества для уменьшения статических электрических зарядов, уменьшения горючести, защиты от плесени и т. д.

Полиэтилен - обладает рядом ценных свойств: влаго- и газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлектрическими свойствами.

Полиэтилен ВД имеет температуру плавления 115°С, а полиэтилен НД — 120— 135°С. Полиэтилен низкого давления обладает большей механической прочностью и жесткостью, чем полиэтилен высокого давления, и используется для изготовления труб, шлангов, листов, пленки, деталей высокочастотных установок и радио-, аппаратуры, различных емкостей.

Литьем изготовляют вентили, краны, золотники, зубчатые колеса, работающие с малой нагрузкой. Полиэтилен высокого давления применяют как упаковочный материал в виде пленки или в виде небьющейся химической посуды.

Основной недостаток полиэтилена — его невысокая теплостойкость Полиэтилен хорошо обрабатывается и перерабатывается всеми известными способами: литьем под давлением, вакуум-формованием, экструзией, механической обработкой, сваркой.

Поливинилхлорид. Пластифицированный поливинилхлорид называют пластиком, непластифицированный твердый листовой материал— винипластом. Пластмассы на основе поливинилхлорида обладают хорошими диэлектрическими и механическими свойствами. Однако они имеют невысокую термостойкость до 60°С. Поливинилхлорид не стоек к действию ароматических и хлорированных углеводородов и концентрированной азотной кислоты.

Рабочая температура винипласта для нагруженных деталей от 0 до +40°С. Винипласт при пониженных температурах становится хрупким; при резких изменениях температуры коробится, а при нагреве до 40—60°С разупрочняется и теряет жесткость. Он не горит, но при температуре 120—140°С начинает размягчаться, что используется для сварки отдельных листов между собой.

Винипласт выпускают в виде листов, труб, стержней, уголка. Изделия из винипласта изготовляют вылавливанием, штамповкой, гибкой, механической обработкой, сваркой, склейкой. Склеивание осуществляют перхлорвиниловым клеем. Гибку, штамповку, вытяжку можно проводить при нагреве (130°С).

Из винипласта изготовляют емкости в химическом машиностроении, аккумуляторные баки и сепараторы для аккумуляторов, вентили, клапаны, фитинги для трубопроводов, крышки, пробки, плитки для футеровки электролизных и травильных ванн, детали насосов и вентиляторов и другие изделия.

Изделия из винипласта не должны подвергаться толчкам и ударам при низких температурах

Пластикаты применяют для изоляции и оболочек проводов и кабеля, для производства медицинских изделий, в строительной промышленности.

Пасты из поливинилхлорида с пластификатором используют для защиты металлов от коррозии.

Полиами (капрон) относительно дешевый и наименее дефицитный материал. Его износостойкость в несколько раз выше, чем стали, чугуна и некоторых цветных металлов. Наилучшими антифрикционными свойствами обладает капрон с добавлением 3—5% графита. Ввиду низкой теплопроводности капрона (в 250—300 раз меньше, чем у металлов) при конструировании подшипников необходимо принимать меры для обеспечения хорошего теплоотвода. Капрон отличается удовлетворительной химической стойкостью, а также стойкостью к щелочам и большинству растворителей (бензину, спирту и др.).

Для изготовления деталей из капрона и других полиамидов используют метод литья под давлением. Капрон хорошо обрабатывается резанием, склеивается и сваривается. Из него выполняют детали антифрикционного назначения, подшипники, зубчатые колеса, кронштейны, рукоятки, крышки, корпуса, трубопроводную арматуру, прокладки, шайбы и т. п.

Полистирол -это бесцветный прозрачный материал, обладающий абсолютной водостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами, светостойкостью и твердостью. Полистирол стоек к плесени, к щелочным и кислым средам и растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Его диэлектрические свойства мало изменяются при изменении температуры от -80 до +110°С. К недостаткам полистирола относят его малую теплостойкость, хрупкость и подверженность к старению и растрескиванию.

Из полистирола изготовляют антенны, панели, катушки, лабораторную посуду. Из блочного полистирола экструзией — выдавливанием можно получать трубки, стержни и другие профильные изделия, пленки, ленты и нити различной толщины. Полистирольные трубки применяют для изоляции высокочастотных проводов, изготовления деталей радиолокационной аппаратуры, изоляторов.

Сополимеры стирола применяют с метилметакрилатом (марки МСН, МС-2 и МС-3). При сополимеризации стирола с нитрильным каучуком получают материал ПКНД, обладающий большой гибкостью. Из него изготовляют ударостойкие корпуса для машин методом литья под давлением или глубокой вытяжки. Более прочный материал СНП (сополимер стирола с акрилонитрилом, модифицированный нитрильным каучуком) выпускают в виде листов и крошки, перерабатывают в изделия методом литья под давлением и штамповкой изделий из листов.

Фторопласты -эти полимеры состоят преимущественно из углерода и фтора.

Фторопласт-4 работает в тервале температур от -250 до +260°С. Фторопласт-4 не перерабатывается обычными методами для переработки термопластов, так как не переходит в вязко-текучее состояние, Изделия из фторопласта-4 получают спеканием при температуре 350—370°С порошка, спрессованного по форме детали.

Фторопласт-3 при нагреве до температуры +210°С размягчается и плавится, что дает возможность перерабатывать его методом литья под давлениемФторопласт-3 может работать в интервале температур от -80 до +70°С; он чески стоек, но набухает в органических растворителях; более тверд и механически прочен, чем фторопласт-4, не обладает холодной текучестью.

Фторопласты широко применяются для изготовления уплотнительных деталей — прокладок, набивок, работающих в агрессивных средах, деталей клапанов кислородных приборов, мембран, химически стойких деталей (труб, гибких шлангов, кранов и т. д.), самосмазывающихся вкладышей подшипников, реакторов, насосов, тары пищевых продуктов, используют в восстановительной хирургии.

Полиметилметакрклат (органическое стекло) - это термопластический материал обладающий прозрачностью, твердостью, стойкостью к атмосферным воздействиям, водостойкостью, стойкостью ко многим минеральным и органическим растворителям, высокими, электроизоляционными и антикоррозионными свойствами. Он выпускается в виде прозрачных листов и блоков.

Органические стекла выгодно отличаются от минеральных стекол низкой плотностью, упругостью, отсутствием хрупкости вплоть до -50 -60°С, более высокой светопрозрачноетью, легкой формуемостью в детали сложной формы, простотой механической обработки, а также свариваемостью и склеиваемостью. Теплостойкость органического стекла ниже, чем у минерального; кроме того, органическое стекло легко загорается.

Крупные изделия сферической формы изготовляют из разогретых листов методом формования при помощи вакуума. Мелкие изделия получают штамповкой заготовок из нагретого листа, вытяжкой и выдуванием горячим воздухом.

Поликарбонаты - это термопластические материалы, обладающие ценными свойствами: высокой поверхностной твердостью, ударной прочностью и теплостойкостью. Они водостойки и стойки к окислительным средам при повышенных температурах. Поликарбонаты совершенно прозрачны и могут быть использованы вместо силикатного стекла. Поликарбонаты применяют для изготовления зубчатых колес, втулок, клапанов, кулачков и других подобных деталей. Поликарбонаты перерабатывают в изделия всеми способами, применяемыми для изготовления изделий из термопластов.

Пенопласт - это полимер, отличающийся химической стойкостью и атмосферостойкостью. По водостойкости пенопласт аналогичен фторопластам, полиэтилену и полистиролу. Из пенопласта изготовляют химически стойкие трубы, клапаны, вентили, сепараторные кольца, подшипники, детали часовых механизмов.

Полиимиды - термопластичные пластмассы, обладающие высокой нагревостойкостью (220—250°С), хорошими электрическими характеристиками и большими значениями механических характеристик. Полиимидные пластмассы могут использоваться при температурах до -155°С.

Полиимиды химически стойки. Они не растворяются в большинстве органических растворителей, на них не действуют разбавленные кислоты, минеральные масла и вода. Разрушение полиимидов вызывают концентрированные кислоты, щелочи и перегретый водяной пар.

Из полиимидов получают электроизоляционные пленки светло-желтой или коричневой окраски. Полиимидные пленки выпускаются толщиной от 5 до 100 мкм и более.

На основе полиимидов изготовляют различные пластмассовые изделия электроизоляционного и конструкционного назначения. Для этого используют как чистые полиимиды, так и наполненные стекловолокном и другими нагревостойкими наполнителями. Изделия из полиимидов изготовляют литьем и прессованием при температурах 350—400°С.

Фенопласты. Их изготовляют на основе фенолоформальдегидных смол, они широко распротранены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, теплостойкостью, стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, а также наличием диэлектрических свойств. Из фенолоформальдегидных смол с добавкой наполнителей изготовляют пресс-порошки, волокнистые и слоистые пластики.

Текстолит - это слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего — феноло-формальдегидная смола.

Текстолит обладает относительно высокой механической прочностью, малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами, высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам, износоустойчивостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Теплостойкость текстолита 120 - 125°С. Текстолит нашел широкое применение как заменитель цветных металлов для вкладышей подшипников прокатных станов в металлургической промышленности, как конструкционный поделочный материал в авиа- и машиностроении; для изготовления шестерен в автомобилях и других технических изделиях.

Гетинакс - это слоистая пластмасса на основе фенолоформальдегидной смолы и листов бумаги. Гетинакс выпускают под марками А, Б, В, Г. Гетинакс марок А и В имеет повышенные электрические свойства, марок Б и Г — повышенную механическую прочность. Гетинакс выпускают в виде листов толщиной 0,5—-50 мм, стержней диаметром до 25 мм и трубок различных диаметров. Гетинакс применяют главным образом как электроизоляционный материал. Выпускают также декоративный гетинакс для отделочных работ. Из гетинакса готовят фасонные изделия технического и бытового назначения.

Асботекстолит — слоистый пластик на основе асбестовой ткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой, устойчив к резким колебаниям температуры и влажности, бензостоек, отличается высокими фрикционными, электроизоляционными и теплоизоляционными свойствами. Из асбогекстолита выполняют тормозные колодки и диски сцепления.

Газонаполненные пластмассы. К ним относят легкие пластмассы — пенопласты и поропласты, которые состоят из мельчайших ячеек или пор, отделенных друг от друга тонкой пленкой полимера. Материалы, состоящие из замкнутых, несообщающихся ячеек, называют пенопластами, а материалы, в которых преобладают сообщающиеся между собой поры, — поропластами. Для звукоизоляции используют поропласты. Пено- и поропласты получают насыщением расплавленной смолы газами под давлением, при этом происходит вспенивание полимера. В пенопластах 90—95% объема занимают газы.

Наибольшее применение получили пенополиуретаны, обладающие высокими диэлектрическими, тепло-, звуко- и виброизоляционными свойствами, высокой удельной прочностью, большой влагостойкостью, стойкостью к кислотам и щелочам, малым коэффициентом теплопроводности, низкой плотностью (до 20 кг/м3).

Фольгированные пластмассы. Фольгированные пластмассы имеют специальное назначение: их применяют при изготовлении плат с печатным монтажом, кодовых переключателей, печатных якорей электродвигателей и других деталей.

Фольгированные пластмассы представляют собой слоистый пластик (гетинакс, стеклотекстолит), облицованный с одной или двух сторон медной фольгой толщиной 35 или 50 мкм. Медную фольгу получают электролитическим осаждением, что обеспечивает ей однородный состав. Склеивание фольги с пластиком производят клеем БФ-4 в процессе прессования.

Резиновые материалы. Резина — продукт химического превращения (вулканизации) синтетического и натурального каучуков. Взаимодействуя с вулканизирующими веществами, каучуки претерпевают внутренние химические изменения, в результате которых образуется резина.

Рис. 2 25 Резиновые прокладки

Рис. 2.26 Резиновые шланги

Рис. 2 27 Автомобильные шины

Рис. 2 28 Изделия из резины

=Резина обладает высокой эластичностью, что позволяет изделиям из нее выдерживать значительные деформации. Эластичность сочетается с высоким сопротивлением разрыву, истиранием, способностью поглощать колебания, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью и ценными диэлектрическими свойствами. Резина — это смесь различных компонентов. Свойства резиновых изделий определяются их различным соотношением. К составляющим резиновых смесей относятся каучук, вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, активаторы, ускорители, наполнители, противостарители , смягчители и красители.

Основой резиновых смесей служит натуральный или искусственный каучук. Каучук подвергают вулканизации — горячей или холодной для придания материалу требуемой прочности, упругости и т. д.

Для придания необходимых физико-механических свойств резиновым изделиям в композицию вводят наполнители. Наполнители делят на порошкообразные и ткани. К порошкообразным наполнителям относят сажу, каолин, углекислый марганец, мел, тальк, сернокислый барий и др. Тканевыми силовыми наполнителями служат корд и рукавные ткани.

Для облегчения совмещения каучука с порошкообразным наполнителем и придания необходимой мягкости добавляют мягчители: стеариновую и олеиновую кислоты, канифоль, парафин, сосновую смолу.

Резины из СКВ (синтетического бутадиенового каучука) применяется для изготовления почти всех видов резиновых деталей, особенно для изготовления автомобильных шин.

Нейритовые резины применяются для изготовления маслоупорных и бензоупорных а также термостойких изделий: спецодежды, обкладки для химической аппаратуры и валов, транспортных лент, оболочки аэростатов, противогазных шлемов, оболочки электрических лей, различных клеев и заменителей кожи.

Полисульфидные резины применяются для изготовления шлангов, труб, рукавов, прокладок для бензина, масла и бензола.

Изопреновые резины – из них изготовляют ремни, ленты, рукава, сальники, манжеты, прокладки, шины, детали электрооборудования, предметы массового требления и многое другое.

Эбонит (твердая резина) - применяют для производства деталей слаботочной аппаратуры, в химическом машиностроении и т. д.

Клеи предназначены для создания из различных материалов неразъемных соединений требуемой прочности.

Синтетические клеи применяют для склеивания разнообразных материалов в автомобильной, авиационной, судостроительной, электро- и радиотехнической, химической, деревообрабатывающей, обувной, полиграфической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

studfiles.net

Неметаллические материалы

ВВЕДЕНИЕ

Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить 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 синтетических 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.

Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных 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. Общие сведения о неметаллических материалах

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Они находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.

Пластические массы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.

2. Состав и свойства пластмасс

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.

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

Термопластичные пластмассы

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

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

Полиэтилен - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению.

При меняют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных несиловых деталей.

Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С.

Полистирол - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензине. Недостаток его невысокая теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин.

Из полистирола изготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, сосуды для воды и многое другое.

Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при температуре выше 415°С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей и растворителей, не смачивается водой. Недостатки хладотекучесть.

Применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др.

Полярные термопластичные пластмассы.

Фторопласт-3 - полимер трифторхлортилена. Его используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло - это прозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостатки невысокая поверхностная твердость.

Применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента.

Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки., имеют высокую прочность и упругость.

Изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки.

Полиамиды - это группа пластмасс с известными названиями капрон, нейлон, анид и др. Они продолжительное время могут работать на истирание , ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях.

Из них изготавливают шестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.

Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.

Полиэтилентерефталат - сложный полиэфир, в России выпускается под названием лавсан, за рубежом - майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Термостойкие пластики.

Ароматический полиамид - фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.

Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями. Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных костюмов.

Термореактивные пластмассы

Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.

Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботесолит) являются силовыми конструкционными о поделочными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Газонаполненные пластмассы

Представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз.

Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Обладают хорошей плавучестью и высокими теплоизоляционными свойствами.

Применяют для теплоизоляционных кабин, контейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и т.п. Мягкие и эластичные пенопласты применяют для амортизаторов, мягких сиденей, губок.

Сотопласты Изготавливают из тонких листовых материалов. Для них характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность.

Применяют в виде заполнителей многослойных панелей в авиа- и судостроении для несущих конструкций.

3. Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Карбоволокниты

Карбоволокниты представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Они сохраняют прочность при очень высоких температурах, а также при низких температурах.

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

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, водо- и химически стойкие.

КМУ-1л - плотность 1.4т/м3, удельная жесткость 8.6*103км, ударная вязкость 50кДж/м2.

Бороволокниты

Они представляют собой композиции полимерного связующего и упрочнителя - борных волокон. Отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, теплопроводностью и электропроводимостью.

Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С.

Изделия из бороволокнита применяют в авиационной технике.

КМБ-1к - плотность 2.0т/м3, удельная жесткость 10.7*103км, ударная вязкость 78кДж/м2.

Органоволокниты

Представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Они устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая.

mirznanii.com

69 Неметаллические материалы. Классификация

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химический стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Эти материалы находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

70-71 Классификация полимеров Структура и св-ва полимеров

Классификация полимеров. Для удобства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на органические, элементо-органические, неорганические.Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами.

В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изме--няют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемость, атомы фтора, даже в виде радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, A1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н&, СН2). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречается. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

В силикатах существуют два типа связей: атомы в цепи соединены ковалентными связями (Si—О), а цепи между собой — ионными связями. Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью, высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки. К неорганическим полимерам относится' также графит, представляющий собой карбоцепной полимер.

В технических материалах используют отдельные виды полимеров и сочетание различных групп полимеров; такие материалы называют композиционными (например, стеклопластики).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цепевидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы , являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

Макромолекула лестничного полимера состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую основную цепь и обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийоргаиические полимеры).

Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Редкосетчатые (сетчатые) полимеры теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры отличаются твердостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов, так как они являются структурными элементами.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная

Термореактнвные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отверждешюе состояние полимера называется термостабильным.

2. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Особенности строения полимеров оказывают большое влияние на их физико-механические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы они неспособны переходить в газообразное состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость.

Полидисперсность, присущая полимерам, приводит к значительному разбросу показателей при определении физико-механических свойств полимерных материалов. Механические свойства полим:еров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния, температуры и т. д. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Стеклообразное состояние — твердое, аморфное

Высокоэластическое состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью.

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии. Редкосетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном и высокоэластическом состояниях.

Температурные переходы (tc и *т) являются одними из основных характеристик полимеров.

Зависимость напряжения от деформации для линейных и сетчатых полимеров различна. Линейные полимеры в стеклообразном состоянии обладают некоторой подвижностью сегментов, поэтому полимеры не так хрупки, как неорганические вещества.

При действии больших напряжений в стеклообразных полимерах развиваются значительные деформации, которые по своей природе близки к высокоэластическим

Ориентационное упрочнение. Полимеры как в кристаллическом, так и в стеклообразном состоянии могут быть ориентированы. Процесс осуществляется при медленном растяжении полимеров, находящихся в высокоэластическом или вязкотекучсм состоянии. Макромолекулы и элементы надмолекулярных структур ориентируются в силовом поле, приобретают упорядоченную структуру по сравнению с неориентированными. После того как достигнута желаемая степень ориентации, температура снижается ниже tc и полученная структура фиксируется.

Некоторые свойства ориентированных аморфных и кристаллических полимеров одинаковы, однако они различаются фазовым состоянием, поэтому с течением времени у кристаллических полимеров улучшается их структура, а аморфные ориентированные полимеры чаще всего в дальнейшем дезориентируются (особенно при нагреве).

Релаксационные свойства полимеров. Механические свойства полимеров зависят от времени действия и скорости приложения нагрузок.. (от 10~4 с до нескольких суток и месяцев). Практическое значение имеют случаи релаксации напряжения при неизменяемом относительном удлинении и ползучесть при постоянной нагрузке в статических условиях. Когда образец мгновенно доведен до какого-то значения деформации е, и она поддерживается постоянной, то от перестройки структуры наблюдается постепенное падение напряжения в материале, происходит релаксация напряжения.

Старение полимеров. Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы. Старение ускоряется при многократных деформациях; менее существенно на старение влияет влага. Различают старение тепловое, световое, озонное и атмосферное.

Сущность старения заключается в сложной цепной реакции, протекающей с образованием свободных радикалов (реже ионов), которая сопровождается деструкцией и структурированием полимера. Обычно старение является результатом окисления полимера атмосферным кислородом.

Вакуумстойкость полимеров. Вакуум действует на полимерные материалы по-разному Ухудшение их свойств связано с выделением из материала различных добавок (пластификаторов, стабилизаторов) и протеканием процессов деструкции. Например, политетрафторэтилен в вакууме в основном деполимеризуется. Для резин на основе углеводородных каучуков ускоряются накопление остаточной деформации и релаксации напряжения, что уменьшает работоспособность. Для ориентированных полимеров (полиамиды, полиэтилен, полипропилен) долговечность в вакууме и на воздухе одинаковы.

73 В основе термопластичных пластмасслежат 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 высо-коэластическая деформация и появляется жесткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жесткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности термопластов составляет 10—100 МПа. Модуль упругости (1,8—3,5)103МПа. Они хорошо сопротивляются усталости, их долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2—0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности.

74 Композиционные материалы с неметаллическойматрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная.. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

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

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.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты (они рассмотрены в гл. XXVII), карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и орга-новолокниты.

studfiles.net

Неметаллические материалы - Реферат

Неметаллические материалы

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

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 синтетических пластмасс (фенопластов) явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г. С. Петровым (19071914 гг.). Блестящие исследования позволили С. В. Лебедеву впервые в мире осуществить промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций (19301940 гг.) и распространена на механизм цепной полимеризации.

1.1 ПОНЯТИЕ О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическими составами этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи несколько ангстрем, а длина несколько тысяч ангстрем, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химических связей (в ккал/моль) составляет вдоль цепи 80 для С С, 79 для С О, 66 для С N. Силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10 50 раз) меньше. Например, прочность межмолекулярных связей электростатического характера не превышает 9 ккал/моль. Однако в реальных полимерах такие суммарные силы имеют значение вследствие большой протяженности цепевидных макромолекул. Наиболее сильные межмолекулярные взаимодействия осуществляются посредством водородных связей (только в 410 раз слабее ковалентных). Таким образом, молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромолекулах и относительно слабыми между ними. В некоторых полимерах между звеньями, входящими в состав соседних макромолекул, действуют силы химической связи. Такие вещества характеризуются высокими свойствами во всех направлениях.

Макромолекулы полимеров, имея одинаковый химический состав, обычно отличаются по размерам. Это явление, вызывающее рассеяние физико-механических характеристик материала, называется полидисперсностью.

Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров или разнородных звеньев. В первом случае соединения называются гомоиолимерами (или полимерами), во втором сополимерами. Иногда макромолекула вещества состоит из чередующихся крупных химически однородных отрезков (блоков) разного состава (блок-сополимеры).

Можно в процессе синтеза к главной молекулярной цепи, состоящей из одних мономеров, привить отрезки из других мономеров, тогда получают так называемые привитые сополимеры.

Когда основная цепь построена из одинаковых атомов, полимер называют гомоцепным, из разных гетероцепным. Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда все звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-Механические свойства (по сравнению с нерегулярными полимерами).

Полимеры встречаются в природе натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Возможности создания, новых полимеров и изменения свойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Органические полиме

www.studsell.com

Неметаллические конструкционные материалы

Неметаллические конструкционные материалы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Используются также для защиты различных металлических конструкций от коррозии. Применение таких конструкционных материалов позволяет также сэкономить денежные средства, заменяя ими более дорогостоящие.

Неметаллические конструкционные материалы подразделяются на органические (на основе полимеров) и неорганические (на основе силикатов).

К конструкционным материалам органического происхождения относятся материалы на основе каучука, полимерные соединения, графит и его производные и т.п. К неорганическим: керамика, горные породы, силикатные материалы.

В неорганических конструкционных материалах устойчивость к химическому воздействию сильно зависит от минералогического и химического состава. Типа структуры, пористости. Если в составе конструкционного материала большое содержание труднорастворимых или нерастворимых кислотных оксидов – он обладает повышенной устойчивостью к воздействию кислот. К кислотостойким неорганическим соединениям такого рода относятся алюмосиликаты, кремнезем, низкоосновные силикаты и т.д. Каолин (гидратированный алюмосиликат) повышенной стойкостью к воздействию кислот не отличается.

Если в состав материала входит основный оксид, то он разрушается в минеральных кислотах, но устойчив в щелочах. К таким материалам относятся: строительные цементы, известняки, магнезиты.

Силикатные материалы

Различают искусственные и природные силикатные материалы.

Асбест, граниты, андезиты, бештауниты относятся к кислотостойким природным соединениям.

Асбест, кроме высокой стойкости к кислотам, является еще и отличным огнеупорным материалом. Это дигидрат силиката магния (3MgO×2SiO2•2h3O).

Граниты термостойки до температуры 250°С. В состав гранитов входит около 70-75% SiO2, 13-15% Al2O3, оксиды кальция, магния и натрия занимают около 8-10%.

Бештауниты отличаются повышенной кислотостойкостью, твердостью, термостойкостью (до 800°С), тугоплавкостью. SiO2 в бештаунитах содержится около 60-70%.

Горные породы довольно востребованный материал, но сложность их добычи немного притормаживает широкое распространение в народном хозяйстве. Однако в некоторых случаях горные породы являются незаменимыми.

Асбест, в большинстве случаев, используется как вспомогательный материал, в виде наполнителя, фильтрующей ткани, нитей, применяется в изоляции корпусов различных аппаратов.

Из неметаллических конструкционных материалов могут быть изготовлены устройства и агрегаты, а также отдельные детали к ним. Кроме того, неметаллические конструкционные материалы используются в качестве защиты основного материала изделия (например, футеровка ванны травления выполнена из неметалла, а основа – металлическая).

Свойства неметаллических конструкционных материалов многообразны: высокая стойкость в различных агрессивных средах, небольшая плотность, различная теплопроводность, хорошая адгезия к поверхности металла и др. Большинство из них все же не выдерживают высоких температур (особенно это относится к неметаллическим конструкционным материалам органического происхождения, которые разрушаются уже при 150-200°С), плохо реагируют на перепады температуры, трудно обрабатываются.

В средах с повышенной агрессивностью очень важную роль играет способность защитного покрытия изолировать основную конструкцию. Между подложкой и внешней средой не должно быть прямого контакта. Для обеспечения полной изоляции используются утолщенные слои одного материала или же многослойные покрытия, которые включают в себя несколько относительно тонких слоев из разных материалов. Довольно часто, когда один материал наносят слишком толстым слоем, в нем возникают внутренние напряжения, и защитное покрытие довольно быстро разрушается.

В нефтеперерабатывающей и химической промышленности широкое распространение получили именно многослойные защитные покрытия, сформированные из неметаллических конструкционных материалов.

Условно в покрытии можно выделить три основные зоны, которые несут в себе различные функции:

- нижний слой (грунт), который прилегает непосредственно к основному материалу и обеспечивает стабильность связи между подложкой и покрытием;

- средняя часть (основное покрытие) определяет механические и изоляционные свойства;

- внешний слой, поверхностный, который вступает в непосредственный контакт с агрессивной средой (иногда ему придают специальные свойства).

Среди неметаллических конструкционных материалов в противокоррозионной защите нашли широкое применение резины, пластические массы (пластмассы), различные силикатные материалы и многие другие.

Резина

Резина – один из самых распространенных конструкционных материалов. Применяется во многих отраслях промышленности, народного хозяйства, в особенности, в автомобилестроении. Существует большое количество различных видов и марок резины, которые используются для изготовления определенных изделий, например шин, втулок, шланги, изоляционные материалы и др.

Любая резина изготавливается из каучука.

Каучуки – высокомолекулярные соединения, которые обладают способностью выдерживать большие механические нагрузки, даже при пониженных температурах. Особенностью каучуков можно считать то, что эти нагрузки обратимы.

Каучуки обладают высокой эластичностью, т.к. их молекула в нормальном виде (не под воздействием каких-либо напряжений) находится в свернутом состоянии. При приложении напряжения она просто выпрямляется и приходит в нормальное состояние по окончанию воздействия нагрузки.

Существуют натуральные и синтетические каучуки, которые используются для производства резины и некоторых других материалов специального назначения.

Резина – материал, который способен выдерживать большие обратимые нагрузки (до 1000%). Свойства резины, в большей степени, определяются свойствами исходного материала (каучука), содержание которого от 10 до 98 %. Кроме каучуков в состав резины входят пластификаторы (для придания мягкости), наполнители, красители, вулканизирующие вещества, противостарители и др.

Пластификаторы вводятся в резину для равномерного распределения компонентов смеси и облегчения формования. В качестве пластификаторов применяют мазут, различные каменноугольные и нефтяные смолы, парафин и др.

Наполнителями служат ткани, сажа, оксиды титана, «белая сажа». Они значительно снижают себестоимость готовой продукции и улучшают или придают какие-то новые свойства готовой продукции.

Красители вводятся не во все резины для придания им цвета, красивого внешнего вида.

Вулканизирующие вещества добавляют в смесь для преобразования структуры каучука (линейной в сетчатую). Вулканизирующими веществами служат органические перекиси, оксиды металлов, сера.

Для ускорения процесса вулканизации вводят ускорители (дитиокарбонаты, полисульфиды и др.)

Также в состав резины входят противостарители и, при необходимости, армирующие материалы.

Противостарители препятствуют старению изделий из резины за счет реакции с кислородом (быстрее, чум у каучука). В качестве противостарителей используются воск, фенолы и др.

Для придания изделиям из резины большей упругости, сохранения их свойств под нагрузкой их дополнительно армируют. При формировании изделия в состав резиновой смеси вводится ткань, стальная проволока, корд и др.

Резины подразделяют по назначению на теплостойкие, морозостойкие, маслостойкие, общего назначения, диэлектрические, газонаполненные, стойкие к воздействию химических веществ, радиации.

Керамика (защитные керамические материалы)

Керамические материалы получают обжигом силикатных материалов (до спекания), а также веществ, которые применяются для понижения температуры шихты. Керамика – это материал, основной составляющей которой являются глина на основе Al2O3 (больше, чем 20%).

К таким керамическим материалам относятся сама керамика, фарфор, кислотоупорная эмаль, каменно-керамические изделия и многое другое.

Фарфор – это тонкокристаллический материал, который получают обжигом при температурах около 1300 - 1450°С. Фарфор довольно прочный, не пропускает воду, газы. Фарфор стоек в кислотах (даже в плавиковой). Отличается высокой термостойкостью, износостойкостью, твердостью. Не боится резких и больших перепадов температур (сохраняет свои свойства при перепаде температуры от 20 до 1000°С). Пор в материале крайне мало и они незаметны невооруженным глазом.

Фарфор не взаимодействует с различными реагентами и поэтому нашел широкое применение в тех областях, где нужна особая чистота используемых материалов (фармацевтика, пищевая промышленность и др.)

Применяют фарфор также и в химической промышленности, даже в металлургии для изготовления тиглей, разных емкостей, фильтров, вакуум-аппаратов и т.д.

Фарфор является отличным футеровочным материалом для травильных ванн, металлических аппаратов. В шаровых мельницах фарфором покрыта поверхность шаров.

В металлургии широко используется огнеупорная керамика (огнеупор), которой покрыты плавильные и другие печи, агрегаты (используется также для строительства). К такому материалу предъявляются определенные требования: огнеупорная керамика должна выдерживать очень высокую температуру, не теряя своих первоначальных свойств, т.е. не подвергаться короблению (деформации), разрушению, особенно при резких перепадах температуры.

Огнеупорная керамика (в производстве называют просто огнеупорным кирпичом) бывает нескольких видов: шамотная, кислая (динасовая), полукислая, тальковая и др. Эти виды огнеупоров отличаются по составу и каждый вид используется только в определенной среде.

Керамические материалы нашли широкое применение при защите металлов от коррозии. Например, пористая керамика используется для изготовления электролизеров (а именно, диафрагмы), для специальных пластин-фильтров для кислородных установок и многого другого.

С пористой керамики делают поролитовые плитки. Для очистки газов (на конечных стадиях) используются фильтры также из пористой керамики.

Пластические массы (пластмассы)

Пластмассы – это высокополимерные материалы или композиции из них, которые при определенных условиях (изменение температуры и давления) могут переходить в пластическое состояние или же менять свою форму.

В противокоррозионной защите пластические массы нашли широкое применение, т.к. сочетают в себе ряд полезных и очень ценных свойств. Этот вид материалов не подвергается атмосферной коррозии, имеет невысокую плотность (что отражается сильно на их весе), не разрушаются под воздействием многих растворам солей, щелочей и кислот. Пластические массы являются хорошими диэлектриками, обладают теплоизоляционными свойствами, а также могут быть эластичными или упругими, радио- и оптическипрозрачными.

Из пластических масс легко формовать изделия. Материал хорошо поддается механической обработке. По прочности некоторые виды пластмасс могут превосходить сплавы цветных металлов и углеродистые стали. Все пластические массы проявляют высокую стойкость во многих коррозионных средах, но в то же время имеют и свои недостатки. Они подвержены старению, быстро плавятся при повышении температуры, относительно легко ломаются (имеют невысокую твердость), плохо проводя тепло.

Широкое распространение получили сложные (композиционные) пластмассы и простые (ненаполненные). В состав сложных пластических масс входит смола и другие вещества, которые выполняют функции наполнителей, связующего, отвердителей, пластификаторов, красителей и др. При изготовлении простых пластмасс используется только одно вещество, от характеристик которого и зависят свойства пластической массы.

Наполнители пластических масс

Наполнители в пластмассы вводятся для улучшения их внешнего вида, придания диэлектрических и механических свойств, удешевления и снижения горючести. Наполнители могут иметь вид листовых, порошковых или волокнистых материалов. В качестве листовых наполнителей пластмасс могут использоваться древесный шпон, ткани, бумага и многое другое. Среди порошковых наполнителей можно отметить графит, кварцевую и древесную муку и др. Синтетические, натуральные и асбестовые волокна используются в качестве волокнистых наполняющих пластмассы веществ.

Красители

Используются для придания пластмассе желаемой окраски (если есть повышенные требования к декоративным свойствам). Краситель должен легко смешиваться с пластической массой и не выгорать в процессе эксплуатации. Кроме того, совмещаться с полимером, выдерживать воздействие температуры.

Пластификаторы

В пластмассы вводятся для придания требуемой эластичности и пластичности. Пластификаторами могут служить: алифатические и ароматические карбоновые кислоты, эфиры, полиэфиры, эфиры фосфорной и некоторых других кислот, др. Кроме того, некоторые пластификаторы могут улучшать и другие свойства пластмасс, например, светостойкость, негорючесть и устойчивость к воздействию повышенной температуры.

Другие добавки

Кроме основных, указанных выше, в состав пластических масс могут вводиться многие другие вещества, в той или иной степени, влияющие на свойства высокополимерных материалов. К таким веществам можно отнести отвердители, которые способны преобразовывать линейную структуру полимеров в сетчатую. В состав многих сложных пластических масс вводятся смазки (облегчают формование), стабилизаторы (для сохранения первоначальных свойств), фунгициды (для того, чтоб пластмасса не подвергалась воздействию плесени и грибков), порообразователи (для получения поропластов и пенопластов).

К простым пластическим массам относятся: полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, фторопласты и др.

К сложным пластическим массам относятся: текстолит, фенопласты, фаолит, стеклотекстолит, гетинакс, стеклопластики, стекловолокна и др.

www.okorrozii.com

1. Неметаллические материалы. Материаловедение: конспект лекций [litres]

1. Неметаллические материалы

Еще во второй половине XX в. в нашей стране уделялось большое внимание применению неметаллических материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в целом. Было налажено и постоянно наращивалось производство самых различных неметаллических материалов: синтетических смол и пластмасс, синтетических каучу—ков, заменяющих натуральный каучук, высококачественных полимеров с заданными техническими характеристиками, включая армированные и наполненные пластмассы.

Пластические массы и другие неметаллические материалы обладают рядом превосходных физико—химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распространение в различных отраслях промышленности – машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют дорогостоящие металлы. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также частичная комплектация различных узлов позволяют снизить их массу, улучшить надежность и долговечность работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется в 2–3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных металлов. Исходными материалами для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию для улучшения механических свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются такие неметаллические материалы, как антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами.

Кроме того, в качестве фрикционных неметаллических материалов применяются тормозные тканые асбестовые ленты и фрикционные асбестовые накладки – формованные, прессованные, тканые, картонно—бакелитовые и спирально—навивные, которые могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Фрикционные асбестовые накладки применяются для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемно—транспортного оборудования и тепловозов. Ресурс таких неметаллических накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6000 моточасов, легковых автомобилей – 125 000 км, грузовых автомобилей – 75 000 км. Тормозные тканые асбестовые ленты применяются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300 °C.

Неметаллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

69 Неметаллические материалы. Классификация

70-71 Классификация полимеров Структура и св-ва полимеров

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами.

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

2. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Стеклообразное состояние — твердое, аморфное

Высокоэластическое состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках

Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью.

Температурные переходы (tc и *т) являются одними из основных характеристик полимеров.

73 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.

74 Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная.. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

studfiles.net