 |
Материалы из органических веществ
|
|
|
|
Неорганические полимерные материалы
Основой неорганических полимерных материалов являются, главным образом, оксиды и бескислородные соединения металлов.
Эти материалы характеризуются негорючестью, высокой стойкостью к нагреву, химической стойкостью. Они не подвержены старению, обладают большой твердостью и хорошей сопротивляемостью сжимающим нагрузкам.
Наряду с этим неорганические полимерные материалы обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям, имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.
Графитовые материалы
Графит - неорганический полимерный материал, кристаллическая решетка которого образована параллельными слоями гексагональных сеток.
Графиты по происхождению разделяют на природные и искусственные. Источником природных графитов являются минералы.
Графит, предназначенный для изготовления активных масс щелочных аккумуляторов и масс для графитизированных антифрикционных изделий из цветных металлов, выпускается следующих марок:
ГАК-1 - - для аккумуляторных изделий специального назначения;
ГАК-2, ГАК-3 - для изготовления активных масс щелочных аккумуляторов и масс графитизированных антифрикционных изделий из цветных металлов.
Искусственные графиты по виду исходного сырья делят на технические (ПРОГ, ПГ-50) и пиролитические (пирографиты). Для получения технических графитов используется твердое сырье, например, нефтяной кокс с каменноугольным пеком в качестве связующего. Пирографиты получают из газообразного сырья (например, метана и др. )
Среди способов воздействия на свойства графитов можно выделить три основные группы: легирование (Nb, Та, Si) с целью создания мелкозернистой структуры с высокой твердостью и прочностью материала; химико-термическая обработка - силицирование; покрытие керамикой.
|
|
|
Графит применяют в эксплуатируемых при высоких температурах конструкциях летательных аппаратов и двигателей, в энергетических ядерных реакторах в качестве антифрикционного материала и в виде углеграфитовых изделий. Графит может применяться и как проводник тепла, и как теплоизолятор.
Неорганическое стекло
Неорганическое стекло - аморфный полимерный материал, получаемый при твердении расплава оксидов Si, A1, В, Р, As, Pb и других элементов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при охлаждении переходит из расплавленного жидкого состояния в высоковязкое, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения.
В составе неорганического стекла:
· стеклообразующие оксиды;
· модифицирующие оксиды (щелочные и щелочноземельные) вида Ме2О и МеО, изменяющие физико-химические свойства стекол;
· технологические добавки (оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др.)» замещающие стеклообразующие оксиды и придающие стеклу необходимые потребительские свойства.
К потребительским свойствам неорганических стекол относятся прозрачность, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, водо- и воздухонепроницаемость, термостойкость. Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать.
Неорганические стекла классифицируются по виду стеклообразующего вещества, модификаторов, по технологии изготовления и назначению.
По виду стеклообразующего вещества неорганические стекла делятся на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (Аl2О3 - SiO2), боро-силикатные (В2О3 - SiO2y), алюмоборосиликатные (Аl2О3 - В2О5 - SiO2), алюмофосфатные (Аl2О3 - P2O5), халъкогенидные (например, As31 Ge30 Se21 Te180), галогенидные и другие стекла.
|
|
|
По виду модификаторов различают щелочные, бесщелочные и кварцевые неорганические стекла. Прочность щелочных стекол под действием влаги уменьшается вдвое, так как вода выщелачивает стекло. При этом образуются щелочные растворы, которые расклинивают стекло, вызывая микротрещины в поверхностном слое.
По технологии изготовления неорганическое стекло может быть получено выдуванием, литьем, штамповкой, вытягиванием в листы, трубки, волокна и др. Стекло выпускается промышленностью в виде готовых изделий, заготовок и отдельных деталей.
По назначению неорганические стекла делятся на техническое строительное и бытовое (стеклотара, посудное, бытовое и др.).
Техническое стекло по области применения делится на электротехническое, транспортное, оптическое, светотехническое, термостойкое, тугоплавкое, легкоплавкое, химико-лабораторное и др.
Электротехническое стекло как диэлектрик используют для колб осветительных ламп и радиоламп, в электровакуумных устройствах, для изоляторов, для герметизации интегральных схем.
Транспортное стекло в машиностроении эффективно применяется как конструкционный материал при условии нейтрализации хрупкости, что достигается его закалкой, как правило, в воздушном потоке. Разновидностями транспортного стекла являются триплексы и термопан, применяемые для остекления в транспортных средствах, скафандрах.
Специфическими свойствами оптических и светотехнических стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света.
Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90 %, отражает примерно 8 % и поглощает около 1 % видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор. Стекло с большим содержанием РbО поглощает рентгеновские лучи.
Резинотехнические материалы
Резина - искусственный материал, получаемый специальной обработкой (вулканизацией) смеси каучука с различными добавками.
|
|
|
Вулканизация - превращение каучука в резину, осуществляемое с участием, так называемых вулканизирующих агентов (например, серы) или под действием ионизирующей радиации.
При вулканизации синтетических каучуков их макромолекулы связываются поперечными связями («мостиками» из серы), что позволяет повысить механическую прочность, эластичность и теплостойкость получаемых материалов - вулканизированного каучука и резины.
В отличие от каучуков резины не имеют пластических деформаций и не растворяются в органических растворителях. При нормальной температуре резина находится в высокоэластичном состоянии. Ее эластичные свойства сохраняются в широком диапазоне температур.
Основные потребительские свойства резиновых материалов:
· плотность (910...2050 кг/м3);
· низкая теплопроводность;
· эластичность (Е = 1...10 МПа; δ = 1000 %) при времени релаксации более 10-4 с;
· несжимаемость (µ = 0,4...0,5);
· диэлектрические свойства (ρоэ = 1010...1015 Ом·см; ε = 2,5...4; tg δ = 0,005...0,01);
· химическая стойкость;
· низкие газо- и водопроницаемость;
· высокое сопротивление разрыву и износу.
Классификация по виду сырья учитывает наименование каучуков, явившихся исходным сырьем при производстве резиновых материалов:
НК - натуральный каучук,
СКБ - синтетический каучук бутадиеновый,
СКС - бутадиенстирольный каучук,
СКИ - синтетический каучук изопреновый,
СКН - бутадиеннитрильный каучук,
СКФ - синтетический фторсодержащий каучук,
СКЭП - сополимер этилена с пропиленом,
ХСПЭ – хлорсульфополиэтилен,
БК – бутилкаучук,
СКУ - полиуретановый каучук.
По своему виду наполнители для резиновых материалов различаются на порошкообразные наполнители и ткани.
По степени упорядочения макромолекул и пористости резиновые материалы могут быть мягкие, жесткие (эбонитовые), пористые (губчатые) и пастообразные. Плотность губчатой резины 100...750 кг/м3.
Среди технологических способов переработки для резиновых материалов используются выдавливание, прессование и литье.
|
|
|
Наиболее крупные потребители резины - шинная промышленность (свыше 50 %) и промышленность резинотехнических изделий (более 22 %).
Состав резиновых материалов
Основным компонентом резиновых материалов является каучук.
В качестве добавок при производстве резиновых материалов используются вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, активаторы ускорителей, наполнители, противостарители, пластификаторы и красители.
Вулканизирующие вещества (вулканизаты) - участвуют в образовании пространственно-сетчатой структуры резины. Наиболее широко применяется для вулканизации сера. Ее количество в резиновых материалах может изменяться от 1 до 40 % массы каучука, при этом увеличение содержания серы приводит к возрастанию твердости резиновых материалов. При максимально возможном насыщении каучука серой образуется твердый и жесткий материал, называемый эбонитом. Эбонит обладает высокой химической стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, легко обрабатывается, но имеет низкую теплостойкость.
Ускорители вулканизации применяются для повышения технико-экономических показателей процесса вулканизации.
В качестве ускорителей вулканизации используют оксиды свинца и магния, а также различные полисульфиды в количестве 0,5... 1,5 % массы каучука. Активаторами ускорителей являются цинковые белила и магнезия.
Наполнители используются в производстве как для снижения стоимости резиновых материалов, так и для придания им необходимых физико-механических и потребительских свойств. Среди порошкообразных наполнителей наиболее широкое применение находят сажа, каолин, мел, тальк, а в качестве тканей-наполнителей используются корд, бельтинг, рукавные и другие ткани из крученных синтетических (реже хлопчатобумажных) нитей повышенной прочности.
Наполнители:
· сажа (повышает механические свойства);
· мел и тальк (удешевляют стоимость резиновых материалов);
· регенерат- продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства.
Регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению. Пластификаторы облегчают переработку резиновой смеси и обеспечивают совмещение каучука с наполнителем. В качестве пластификаторов применяют канифоль, парафин, стеариновую кислоту и др. Количество пластификаторов может составлять 8...30 % массы каучука. Пластификаторы повышают пластичность и (или) эластичность, а также морозостойкость резины.
Красители в резиновых материалах используются для повышения эксплуатационных свойств. В качестве красителей применяют охру, ультрамарин и др. в количестве до 10 % массы каучука.
|
|
|
Для получения светлоокрашенных резин, предназначенных для работы в условиях повышенных температур, вместо наиболее распространенного наполнителя - сажи, используют оксиды кремния или титана.
Резиновые материалы делят на группы общего и специального назначения. Первыеиспользуются для производства изделий, работающих в воде, на воздухе, в слабых растворах кислот и щелочей при температуре эксплуатации - 35...+ 130 °С. Такими изделиями являются шины, рукава, конвейерные ленты, изоляция кабелей и др. Вторыеделятся на бензиномаслостойкие, химически стойкие, коррозионно-стойкие, светостойкие, тепло- и морозостойкие, электротехнические и износостойкие.
Бензиномаслостойкие резиновые материалы устойчивы к воздействию гидравлических жидкостей, масел, бензина, кроме того, они являются водонепроницаемыми в интервале температур - 30...+ 130 °С.
Химически стойкие резиновые материалы изготавливают на основе бутилкаучука. К изделиям из таких резин предъявляются повышенные требования по масло-, бензино-, растворителе- и теплостойкости.
Светоозоностойкие резиновые материалы изготавливают на основе насыщенных каучуков - СКФ, СКЭП, ХСПЭ и БК.
Резины на основе фторсодержащего каучука СКФ устойчивы к тепловому старению, воздействию масел, топлива, различных растворителей (даже при повышенных температурах), негорючие, обладают высоким сопротивлением истиранию, но имеют низкую эластичность.
Резины на основе СКФ и этиленпропиленовых каучуков СКЭП стойки к действию сильных окислителей (HNO3, Н2О2 и др.) и не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет.
Теплостойкие резиновые материалы изготавливают на основе НК, СКТ и СКС. Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования, например, НК, СКС-10, СКТ. Эти резиновые материалы используются для сверхтепло- и морозостойких изделий.
Электротехнические резиновые материалы делятся на две группы: изоляционные и проводящие.
Электроизоляционные резиновые материалы изготавливают на основе неполярных каучуков, например, НК, СКБ, СКС, СКТ и БК.
Электропроводящие резины для экранированных кабелей получают из каучуков НК, СКН с обязательными добавками сажи и графита в количестве 65... 70 % по массе каучука.
Износостойкие резиновые материалы изготавливают на основе СКУ. Рабочие температуры резин составляют - 30...+ 130 °С. Они предназначены для производства амортизаторов, буферов, клапанов, обкладок в транспортных системах.
Полимерные органические материалы
Полимерные пластические материалы - искусственные материалы, получаемые на основе природных или синтетических высокомолекулярных полимеров при нагреве путем формования в размягченном состоянии под давлением и с последующим переходом в твердое состояние сформованной массы при дальнейшем ее нагревании или охлаждении. В инженерной практике такие материалы получили наименование «пластмассы».
Широкое распространение пластмасс предопределили следующие их достоинства:
· неограниченные запасы сырья;
· легкость переработки в изделия с небольшими трудовыми затратами;
· комплекс ценных свойств;
· малая себестоимость.
Ценным свойством пластмасс является легкость их обработки для придания им разнообразной, даже самой сложной формы с помощью разнообразных технологических приемов (литье, прессование, экструзия и др.), которые могут быть механизированы и автоматизированы.
Большая группа пластмасс позволяет сваривать их между собой и, таким образом, изготовлять сложной формы трубы и различные емкости.
К недостаткам пластмасс следует отнести следующие свойства:
· низкая ударная вязкость;
· повышенная ползучесть;
· низкая теплостойкость (при средней теплостойкости, равной 80... 150 °С, до 400 °С у кремнийорганических полимеров);
· способность воспламеняться или подвергаться деструкции под действием огня;
· накопление зарядов на поверхности изделий (нужны антистатики);
· старение;
· токсичность;
· пожароопасность.
В состав сложных наполненных пластмасс входят наполнители, пластификаторы и отвердители, а также различного рода добавки.
Вид каждого из компонентов, их сочетание и количественное соотношение определяют свойства пластмасс и позволяют изменять их характеристики в широких пределах.
Для получения окрашенных пластмасс используют пигменты.
ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Пленкообразующие материалы - это растворы или расплавы полимеров, а также неорганические вещества, которые наносятся на какую-либо поверхность и после твердения образуют прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.
В зависимости от назначения пленкообразующие материалы делят на клеящие материалы, применяемые для склейки различных материалов, и герметики, обеспечивающие уплотнение и герметизацию швов, стыков, емкостей и др.
В состав клеящих и герметизирующих материалов вводят наполнители. Их присутствие не только снижает усадку пленкообразующих материалов при твердении, но и придает клею или герметику необходимую консистенцию и форму (пласты, пленки или жгуты), повышает прочность соединения и улучшает условия теплопередачи. В качестве наполнителей используют порошки металлов, коллоидальный оксид кремния, древесную муку, стекловолокно, стеклоткани и ткани из синтетических волокон. Применение тканей позволяет получать тонкие клеевые пленки из твердеющих полимеров.
Склеивание - метод получения неразъемного соединения деталей при помощи адгезионного взаимодействия клеящего материала с подложкой с последующим твердением клеевой прослойки.
Клеевые соединения по сравнению с другими видами неразъемных соединений (заклепочными, сварными и др.) имеют ряд преимуществ:
· возможность соединения различных материалов (металлов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между собой, так и в различных сочетаниях;
· атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва;
· герметичность соединения;
· возможность соединения тонких материалов;
· снижение стоимости производства;
· экономия массы и значительное упрощение технологии изготовления изделий.
Наиболее эффективно клеевые соединения работают на сдвиг. Недостатками клеевых соединений являются относительно низкая длительная теплостойкость (до 350 °С); невысокая прочность склеивания при неравномерном отрыве; часто необходимость подогрева при проведении склеивания; склонность к старению; токсичность.
Клеи классифицируют по ряду признаков: по природе пленкообразующего вещества (натуральные, в том числе животные, растительные и минеральные, и синтетические);
по адгезионным свойствам (универсальные, склеивающие различные материалы, и с избирательной адгезией);
по условиям твердения (холодное и горячее твердение, водо-твердеющие и универсально-твердеющие);
по выпускной форме (твердые, пастообразные, жидкие,); по деформативности клеевого соединения (жесткие и эластичные);
по отношению к нагреву (термопластичные и термореактивные);
по жизнеспособности клеевого материала;
по условиям эксплуатации клеевого соединения (общего назначения, высокопрочные, водостойкие, коррозионно-стойкие, масло-, бензино- и растворителестойкие, светостойкие, температуростойкие, электро- и теплопроводные, электроизоляционные, вакуум-плотные, оптически прозрачные и другого специального назначения).
Герметики
Герметики (герметизирующие составы) - материалы и изделия, применяемые для уплотнения и герметизации клепаных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков и баков, различных металлических конструкций, стыковых сопряжений строительных деталей и конструкций и др.
Основные требования к герметикам: высокая адгезия к материалам, эластичность и непроницаемость для различных сред, тепло-и морозостойкость, высокая химическая устойчивость.
Лакокрасочные материалы
Лакокрасочными материалами называют вязкожидкие составы, наносимые на поверхность конструкции тонким слоем (60...600 мкм), который через некоторое время твердеет и образует пленку, плотно сцепляющуюся с основанием.
Основными компонентами лакокрасочных материалов являются пигменты, наполнители и пленкообразующие вещества.
Краска (эмаль) - жидкий или порошкообразный продукт, содержащий пигменты, который после нанесения на поверхность образует непрозрачную пленку, обладающую защитными, декоративными или специальными техническими свойствами.
Лак - красочный состав в виде дисперсии пленкообразующего вещества (природной или синтетической смолы, битума, олифы) в летучем растворителе, который после нанесения на поверхность образует твердую прозрачную пленку, обладающую защитными, декоративными или специальными техническими свойствами.
Грунтовка - суспензия пигмента или смеси пигментов с наполнителями в пленкообразующем веществе, образующая после высыхания однородную непрозрачную пленку с хорошей адгезией к подложке и покрывным слоям и предназначенная для повышения защитных свойств системы покрытий.
Шпатлевка - продукт пастообразной или жидкой консистенции, применяемый для устранения небольших дефектов поверхности перед окраской.
Шпатлевка - густая вязкая масса, состоящая из смеси пигментов с наполнителями в связующем веществе. Различают лаковые, масляные и клеевые шпатлевки. Шпатлевкой заполняют неровности и выравнивают окрашиваемую поверхность. Их наносят по слою высохшей грунтовки. Высохшую шпатлевку обрабатывают шлифовальной шкуркой.
Лакокрасочное покрытие обычно состоит из грунтовки, шпатлевки и покровных слоев красочного состава (лака, эмалевой или эмульсионной краски). Получают распространение покрытия, армированные волокнами или тканями (хлопчатобумажной, синтетической или стеклотканью в зависимости от среды). Для создания более надежной защиты прибегают к утолщенным покрытиям - обмазкам.
Смазочные материалы
Целью смазывания зон трения является обеспечение преимущественно жидкостного трения, при котором потери на трение малы, а износ деталей практически отсутствует.
Смазочный материал - материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.
Смазочные материалы должны обладать:
· строго заданными свойствами, которые определяются величинами удельной и полной нагрузок в зоне трения; максимальной, средней и объемной температурой в зоне контакта;
· кинематикой движения в зоне трения (качение, скольжение, смешанное). При этом должны учитываться природа материалов обоих деталей трения, характеристики волнистости и шероховатости поверхностей в зоне трения, свойства окружающей среды и др.
К основным показателям качества и работоспособности смазочных материалов относятся вязкость и вязкостно-температурные свойства, стойкость к окислению и коррозионная стойкость, зольность, температуры застывания, вспышки и воспламенения, коксуемость, антипенные свойства, плотность, цвет и др.
Смазочные масла как конструкционный материал узла трения выполняют следующие функции:
· уменьшают трение, возникающее между сопряженными деталями;
· снижают износ и предотвращают задиры трущихся поверхностей;
· отводят тепло от трущихся поверхностей;
· защищают поверхности трущихся деталей и другие неизолированные части от коррозионного воздействия окружающей среды;
· уплотняют зазоры между сопряженными деталями;
· удаляют из зоны трения продукты износа, коррозии и прочие загрязнения.
В зависимости от назначения и условий эксплуатации используемое масло должно надежно выполнять две-три основные функции.
Основная задача пластичных смазок - снижение коэффициента трения. Меньшее применение имеют пластичные защитные смазки, наносимые на поверхность для защиты от коррозии и для герметизации. Все пластические смазки должны отличаться высокой прилипае-мостью к смазываемой поверхности.
Основным компонентом пластичных смазок является минеральное или синтетическое масло различной вязкости. В качестве загустителя используются консистентные углеводороды, а также мыла различных металлов и жирных кислот.
Во многих специфических случаях в узлах трения могут применяться только твердые смазочные материалы. К таким случаям относятся, например, следующие условия работы узлов трения: эксплуатация ниже температур застывания масел и смазок; эксплуатация при высоких температурах, при которых смазки разлагаются и испаряются; недопустимость присутствия жидкости; невозможность периодического подвода смазочного материала к поверхностям трения и др.
Твердые смазочные материалы применяются в виде покрытий конструкционных материалов и антифрикционных наполнителей в композитах.
Основными требованиями к твердым смазочным покрытиям являются: низкое сопротивление срезу; высокая адгезия материала покрытия к подложке; возможно меньшая толщина слоя покрытия; высокое сопротивление изнашиванию; отсутствие коррозионного воздействия на металлы; высокая температурная стойкость. Перечисленные требования существенно зависят как от природы твердого смазочного покрытия, так и от способа их нанесения на деталь.
Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) - сложные многокомпонентные (в среднем 8...10 составляющих) соединения продуктов нефтехимического и химического производства. Они обладают рядом свойств, обеспечивающих при вводе их в зону резания повышение стойкости инструмента, улучшение качества обрабатываемой поверхности, уменьшение сил резания и способствующих удалению стружки.
Рекомендуемая литература
29. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение / М.: Машиностроение – 1990 – 493 с.
30. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. И др. Материаловедение/ М.: МВТУ им. Баумана – 2005 – 648 с.
31. Металловедение и технология металлов. Под редакцией Солнцева Ю.П./ М.: Металлургия – 1988 – 512 с.
32. Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов. Справочник / М.: Машиностроение – 1982 – 304 с.
33. Климов А.А. Материаловедение. Конспект лекций / Красноярск – 2000 – 140 с.
34. Климов А.А. Атлас микроструктур / Красноярск – 2001.
35. Климов А.А. Лабораторный практикум по материаловедению / Красноярск – 2006 – 106 с.
|
|
|
