Неметалические материалы, их свойства и области применения

Неметаллические материалы представляют собой большую группу простых веществ, не обладающих свойствами металлов. Они не имеют металлического блеска, не ковки, плохие проводники теплоты и электричества. Одну из групп неметаллических материалов составляют высокомолекулярные соединения (полимеры) - слоеные вещества, с большой молекулярной массой. Полимеры классифицируют на природные полимеры (натуральный каучук, целлюлоза, природные смолы и др.) и синтетические (карбамидные и фенолоформальдегидные смолы). Полимеры подразделяются в зависимости от химического состава. Формы макромолекул, фазового состояния. Полимеры делятся на органические полимеры (смолы, каучук и др.), которые отличаются прочностью и эластичностью: элементоорганические полимеры (в состав их входят атомы неорганических элементов Ti, Cu, Al и др., которые обеспечивают полимерам теплостойкость); неорганические полимеры (силикатные стекла, слюда и др.). Основу неорганических полимеров составляют окислы кремния, алюминия, щелочноземельных металлов.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные и сетчатые. По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные (полистирол, каучук и др.). Эти полимеры прочны и теплостойки. Полимеры делят на термопласты и реактопласты. Термопласты способны обратимо размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, т.е. могут формоваться. При нагреве реактопластов в них происходят химические превращения, делающие их непригодными для повторного формования.

Пластическими массами называют материалы, полученные на основе природных или синтетических полимеров. Из пластических масс при нагревании под давлением изготовляют изделия заданной формы, которые устойчиво сохраняют ее после охлаждения. Пластмассы широко используют в машиностроении, электротехнике, радиотехнике, в строительстве. Детали из пластмасс имеют высокие фрикционные и антифрикционные свойства, хорошую химическую и коррозионную стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, низкую теплопроводность, малую плотность, высокую удельную прочность, хорошо склеиваются, свариваются и обрабатываются резанием. По сравнению с металлами и сплавами пластмассы имеют малые ударную вязкость и модуль упругости.

В промышленности широко используют следующие виды пластмасс:

ПОЛИЭТИЛЕН - продукт полимеризации газа этилена. Имеет высокую прочность, эластичен, сохраняет полученную при обработке форму при температурах до 60⁰ С, хороший диэлектрик, морозостоек до –60⁰ С. Это легкий, водостойкий материал, из которого изготовляют в основном пленки, трубы и емкости для агрессивных жидкостей.

ПОЛИСТИРОЛ - твердый бесцветный материал продукт полимеризации стирола. Производится в виде листов, стержней, порошка и блоков. Полистирол - хороший диэлектрик, широко используется как электроизоляционный материал в высокочастотной технике. Полистирол плохо растворяется в бензине и в спиртах.

ФОТОСТИРОЛ - кристаллический полимер, имеющий высокую химическую стойкость к кислотам, растворам щелочей, органическим растворителям. Морозостоек до -195⁰ С, является хорошим антифрикционным материалом. Из него изготовляют трубы, насосы и шланги, используют также в качестве диэлектрика и защитного покрытия металлов.

ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТ - твердый бесцветный материал. Изготовляется в виде листового материала толщиной от 0.8 до 24 мм. Широко используется в авиации; светотехнике, автомобилестроении и в других отраслях промышленности.

ПОЛИКАПРОАМИД - (капрон, перлон и др.) - термопласт, стоек к щелочам, кислотам, бензину и маслам. Используют главным образом в производстве пленок, волокна, а также подшипников, втулок, червячных и зубчатых колес, электроизоляционных и бытовых изделий.

ФЕНОПЛАСТЫ - термореактивные пластмассы на основе фенолоальдегидных смол. Кроме смолы (связующего), могут содержать наполнитель (50-70%), отвердитель, краситель и др. Наполнителями служат порошки (например, древесная, кварцевая мука. графит, микро асбест), а также волокнистые материалы (хлопковые, асбестовые, стеклянные). Фенопласты термостойки (до 200° С), коррозионностойки, нетоксичны. Используют для изготовления электроизоляционных деталей и бытовых изделий.

КОМПАУНДЫ ПОЛИМЕРНЫЕ - (литая изоляция) - композиции на основе эпоксидных и полиэфирных смол, жидких кремнийорганических каучуков содержит наполнители, например кварцевый песок, фарфоровую пыль, слюдяную муку, ускорители отвердения. Предназначены для изоляции токопроводящих схем и деталей в электротехнической, радиотехнической и электронной аппаратуре. Одно из основных требований к компаундам полимерным - низкая вязкость, позволяющая использовать их для заливки (заполнения промежутков между деталями устройств) и пропитки деталей электроаппаратуры, например, обмоток трансформаторов. На основе фенолоформальдегидных смол производят волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты и т.д. В качестве наполнителей используют хлопковое, асбестовое и стеклянное волокно. Стекловолокниты применяют для изготовления деталей с повышенной механической прочностью и термостойкостью. Из конструкционных слоистых материалов промышленности широко применяют текстолит, гетинакс и стеклотекстолит.

ГЕТИНАКС - слоистый прессованный материал на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой (например, фенолоформальдегидной). Он хорошо обрабатывается резанием, имеет высокие механические и электроизоляционные свойства. Применяется в электротехнике, а также в качестве декоративного материала.

ТЕКСТОЛИТ - слоистый материал на основе ткани из природного волокна, пропитанной синтетической смолой (главным образом фенолоформальдегидной) используют для изготовления прокладочных колец, шестерен, вкладышей подшипников, деталей в радио- и электротехнике.

СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ - слоистый материал на основе стеклоткани и полимерного связующего. Характеризуется высокими теплостойкостью и морозостойкостью, прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Используют для изготовления крупногабаритных изделий (корпуса судов, кузова, автомобилей и т.д.), а также как электроизоляционный материал.

Большую группу неметаллических материалов составляют строительные материалы. К строительным материалам относятся кирпич, цемент, древесина, бетон, керамика, изоляционные материалы. Строительные материалы характеризуются комплексом физико-механических свойств.

Цвет - свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения.

Блеск - свойство поверхности материала, направленно отражать световой поток. Хороший блеск имеют гладкие, зеркальные поверхности, плохой блеск поверхности, имеющие однородные неровности.

Текстура - рисунок, образующийся на поверхности материала, после механической обработки.

Влажность - отношение количества удаленной влаги к массе образца сухого материала.

Усушка - уменьшение линейных размеров и объема образцов при удалении из них связанной влаги.

Влагопоглощение (гигроскопичность) - способность материала поглощать влагу из окружающей атмосферы (воздуха.).

Разбухание - увеличение линейных размеров и объема материала при увеличении содержания в нем связанной влаги. Разбухание - процесс, обратной усушке.

Водопоглощение - способность материала поглощать капельно-жидкую влагу при непосредственном контакте с ней.

Плотность - отношение массы образца к его объему.

Гидрофильность - способность материала смачиваться водой. Гидрофобность - неспособность материала смачиваться водой. Водопроницаемость - способность материалов пропускать через толщу воду при наличии разности давлений.

Водостойкость - способность материалов не изменять свои свойства при насыщении водой.

Прочностные и деформационные показатели неметаллических материалов (предел прочности, твердость, ударная вязкость и др.) в значительной степени характеризуют их как конструкционные материалы. Эти показатели определяют в лабораторных условиях при испытаниях на сжатие, растяжение, статический изгиб, сдвиг, кручение и др.