133163z-МУ. Методическое пособие по дисциплине Материаловедение для студентов заочного отделения специальности
 Скачать 7.23 Mb.
|
|
Раздел 7 Неметаллические материалы Пластические массы (пластмассы) Свойства, состав и классификация пластмасс Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров. Пластмассы являются современными важнейшими конструкционными материалами. Они обладают рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/см3), высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, звукоизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают оптической прочностью, фрикционными и антифрикционными свойствами, стойкостью к истиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологические свойства: легко формуются, прессуются, обрабатываются резанием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс является низкая теплостойкость, низкая ударная вязкость, склонность к старению для ряда пластмасс. Основой пластмасс являются полимерные связующие вещества. Кроме связующих в состав пластмасс входят: наполнители для повышения прочности и придания специальных свойств; пластификаторы для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении изделий из пластмасс; отвердители, ускоряющие переход пластмасс в неплавкое, твердое и нерастворимое состояние; стабилизаторы, предотвращающие или замедляющие процесс старения; красители. По поведению при нагреве все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные при неоднократном нагревании и охлаждении каждый раз размягчаются и затвердевают. Термореактивные при нагревании размягчаются, затем ещё до охлаждения затвердевают (вследствие протекания химических реакций) и при повторном нагревании остаются твердыми. По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волокнистые, слоистые, газонаполненные и пластмассы без наполнителя. По способу переработки в изделия пластмассы подразделяются на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатываются в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прессования и являются термореактивными. По назначению пластмассы делятся на конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные и антифрикционные, теплоизоляционные и теплозащитные, электроизоляционные, оптические прозрачные, облицовочно-декоративные и отделочные. Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпускаются в виде листов, труб, из которых механической обработкой получают различные детали. Текстолит – это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, электроизоляционные свойствами. Теплостоек до 800 с. Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие электроизоляционные свойства. В асботекстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120 – 1400 С. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготовляется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Листы стеклошпона располагаются в материале так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 900 .СВАМ обладает высокой прочность, хорошими электроизоляционными свойствами, теплостоек до 200 – 4000 С. Волокнистые пластмассы представляют собой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой. Они делятся на волокниты, асбоволокниты и стекловолкниты. В волокнитах в качестве наполнителя применяется хлопковое волокно. Они используются для относительно крупных деталей общетехнического назначения с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Асбоволокниты имеют наполнителем асбест – волокнистый минерал, расщепляющийся на тонкое волокно диаметром 0,5 мкм. Обладают теплостойкостью до 200оС, устойчивостью к ударным воздействиям, химической стойкостью, электроизоляционными и фрикционными свойствами. Стекловолокниты имеют в качестве наполнителя короткое стекловолокно или стекло нити. Прочность, электроизоляционные свойства и водостойкость стекловолокнитов выше, чем у волокнитов. Применяются для изготовления деталей, обладающих повышенной прочностью. Порошковые пластмассы в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюлоза) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит). Эти пластмассы обладают невысокой прочностью, низкой ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами. Пластмассы с органическими наполнителями применяются для ненагруженных деталей общетехнического назначения – корпусов приборов, рукояток, кнопок. Минеральные наполнители придают порошковым пластмассам химическую стойкость, водостойкость, повышенные электроизоляционные свойства. Рассмотренные выше пластмассы со слоистыми, волокнистыми и порошковыми наполнителями имеют чаще всего термореактивные связующие, хотя имеются пластмассы с термопластичными связующими. Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термопластичными материалами. Рассмотрим наиболее важные из них. Полиэтилен (-СН2-СН2-)n – продукт полимеризации бесцветного газа - этилена. Один из самых лёгких материалов (плотность 0,92 г/см3), имеет высокую эластичность, химически стоек, морозостоек. Недостатки – склонность к старению и невысокая теплостойкость (до 60оС). Используется для изготовления плёнки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Занимает первое место в общем, объёме производства пластмасс. Полипропилен (-СН2-СНС6Н5-)n – продукт полимеризации газа пропилена. По свойствам и применению аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150оС) и менее морозостоек (до –10оС). Поливинилхлорид (-СН2-СНСl-)n используется для производства винипласта и пластиката. Винипласт представляет собой твёрдый листовой материал, полученный из поливинилхлорида без добавки пластификаторов. Обладает высокой прочностью, химической стойкостью, электроизоляционными свойствами. Пластикат получают при добавлении в поливинилхлорид пластификаторов, повышающих его пластичность и морозостойкость. Полистирол (-СН2-СНСН3-) – твёрдый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень хорошие электроизоляционные свойства. Его недостатки – низкая теплостойкость, склонность к старению и растрескиванию. Используется в электротехнической промышленности. Органическое стекло – прозрачный термопластичный материал на основе полиакриловой смолы. Отличается высокой оптической прозрачностью, в 2 раза легче минеральных стёкол, обладает химической стойкостью. Недостатки - низкая твёрдость и низкая теплостойкость. Используется для остекления в автомобиле- и самолётостроении, для прозрачных деталей в приборостроении. Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стойкость, из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 (-СF2-CF2-)n водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, обладает электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Применяется для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах при высокой температуре, электроизоляции и др. Фторопласт-3 (-CF2-CFCI-)n по свойствам и применению аналогичен фторопласту-4, уступая ему по термо- и химической стойкости и превосходя по прочности и твёрдости. Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения. В пенопластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с другом и образуют замкнутые объёмы. Они отличаются малой плотностью (0,02 – 0,2 г/см3), высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами, водостойкостью. Недостатки пенопластов – низкая прочность и низкая теплостойкость (до 60оС). Используются для теплоизоляции и звукоизоляции, изготовления непотопляемых плавучих средств, в качестве лёгкого заполнителя различных конструкций. Мягкие виды пенопластов используются для изготовления мебели, амортизаторов и т.п. Поропласты – это газонаполненные пластмассы, поры которых сообщают между собой. Их плотность составляет 0,02 – 0,5г/см3. Они представляют собой мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением. Резиновые материалы Резина представляет собой искусственный материал, получаемый в результате специальной обработки резиновой смеси, основным компонентом которой является каучук. Каучук – это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы имеют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрямление макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из некоторых видов тропических растений в незначительных количествах. Поэтому производство резины основано на применении синтетических каучуков. Сырьём для производства синтетического каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырьё. Резину получают из каучука путём вулканизации, т.е. в процессе химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высокой температуре. Вулканизатором чаще всего является сера. В процессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образуется пространственная сетчатая структура. В зависимости от количества серы получается различная частота сетки. При введении 1 – 5% серы образуется редкая сетка и резина получается мягкой. С увеличением содержания серы сетка становится всё более частой, а резина более твёрдой и приблизительно при 30% серы получается твёрдый материал, называемый эбонитом. Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входит ряд других веществ. Наполнители вводят в состав резины от 15 до 50% к массе каучука. Активные наполнители (сажа, оксид цинка и др.) служат для повышения механических свойств резин. Неактивные наполнители (мел, тальк и др.) снижают стоимость резиновых изделий. Пластификаторы (парафин, вазелин, стеариновая кислота, мазут, канифоль и др.) предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышения эластичности и морозостойкости резины. Противостарители служат для замедления процесса старения резины, приводящего к ухудшению её эксплуатационных свойств. Красители служат для придания резине нужного цвета. В резину так же добавляются регенераты – продукты переработки старых резиновых изделий и отходы резинового производства. Они снижают стоимость резин. Основное свойство резины – очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлением разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой тепло проводимостью По назначению резины подразделяются на резины общего и специального назначения. Из резин общего назначения изготовляются автомобильные шины, транспортёрные ленты, ремни ременных передач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амортизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а также на воздухе при температуре от –10 до +150оС. Резины специального назначения подразделяются на теплостойкие, которые могут работать при температуре до 250 – 350оС; морозостойкие, выдерживающие температуру до –70оС; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозоностойкие, не разрушающиеся при работе в атмосферных условиях в течении нескольких лет, стойкие к действию сильных окислителей; электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабелей; электропроводящие, способные проводить электрический ток. 7.3 Древесные материалы Древесина – это органический материал растительного происхождения, представляющий собой сложную ткань древесных растений. Она составляет основную массу ствола деревьев. Древесина является волокнистым материалом, причём волокна в ней расположены вдоль ствола. Поэтому для неё характерна анизотропия, т.е. её свойства вдоль и поперёк волокон различны. Достоинствами древесины являются относительно высокая прочность; малая объёмная масса и, следовательно, высокая удельная прочность; хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам; малая теплопроводность и, следовательно, хорошие теплоизоляционные свойства; химическая стойкость; хорошая технологичность (лёгкость обработки и изготовления изделий). К недостаткам древесины следует отнести гигроскопичность, т.е. способность впитывать влагу, и возникающую из-за изменения влажности нестабильность свойств и размеров ( усушка и набухание), а так же отсутствие огнестойкости, неоднородность строения, склонность к гниению. Для защиты древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения производят окраску лаками и красками, опрыскивание и пропитку специальными химическими веществами. Материалы из древесины можно разделить на лесоматериалы, сохраняющие природную физическую структуру и химический состав древесины и древесные материалы, полученные путем специальной обработки исходной древесины. В свою очередь лесоматериалы подразделяются на необрабатываемые (круглые0, пиломатериалы, лущенные (древесный шпон) и колотые. Круглые лесоматериалы получают из спиленных деревьев после очистки от ветвей, разделения поперек ствола на части требуемой длины и окорки. Они применяются в строительстве, в качестве опор и столбов линий электропередач, в качестве сырья. Пиломатериалы получают лесопилением. Пиломатериалы с опиленными кромками называют обрезными, неопиленными – необрезными. Подвергающиеся после пиления дальнейшей обработки называют струганными. Пиломатериалы делятся в зависимости от поперечного сечения на следующие виды: брусья (толщина или ширина больше 100 мм), бруски (ширина не более двойной толщины), доски (ширина более двойной толщины), планки (узкие и тонкие доски). Древесный шпон - это широкая ровная стружка древесины, получаемая путем лущения. Толщина листов шпона 0,5 – 1,5 мм. Используется шпон в качестве полуфабрикатов для изготовления фанеры, облицовочного материала для изделий из древесины. К материалам, полученным путем специальной обработки древесины можно отнести фанеру, прессованную и модифицированную древесину, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и др. Фанера – это листовой материал, полученный путем склейки листов шпона. При этом волокна соседних листов находятся под прямым углом друг к другу. Толщина фанеры от 1 до 12 мм, более толстые материалы получают плитами. Столярные плиты представляют собой трехслойные щиты, состоящие из реечного заполнителя, оклеенного с обеих сторон древесным шпоном. Прессованная древесина – это материал, получаемый при горячем прессовании брусков, досок и других заготовок поперек волокон под давлением 30 МПа. В результате прочность возрастает по сравнению с исходной более чем в два раза. Модифицированная древесина представляет собой материал, полученный при обработке древесины каким либо химическим веществом (смолой, аммиаком и др.) с целью повышения механических свойств и придания водостойкости. Древесностружечные плиты изготовляют путем прессования древесных волокон при высокой температуре, иногда с добавлением связующих веществ. Неорганические материалы Стеклом называется твердый аморфный термопластичный материал, получаемый переохлаждением расплава различных оксидов. В состав стекла входят стеклообразующие кислотные оксиды (SiO2, Al2О3, B2О3 и др.), а также основные оксиды (К2О, СаО, Nа2О и др), придающие ему специальные свойства и окраску. Оксид кремния SiO2 является основой практически всех стекол и входит в их состав в количестве 50 – 1005. по назначению стекла подразделяются на строительные (оконные, витринные и др.), бытовые (стеклотара, посуда, зеркала, идр.) и технические (оптические, свето- и электротехнические, химико-лабораторные, приборные и др). Важными свойствами стекла являются оптические. Обычно стекло пропускает около 90%, отражает - 8% и поглощает - 1% видимого света. Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию и низким – растяжению. Термостойкость стекла определяется разностью температур, которую оно может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол термостойкость колеблется от 90 до 1700 С, а для кварцевого стекла, состоящего из чистого SiO2 – 10000 С. Основной недостаток стекла - высокая хрупкость. Керамика – это неорганический минеральный материал, полученный из отформованного минерального сырья путем спекания при высоких температурах (1200 – 25000 С). Структура керамики состоит из кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой фазы. Кристаллическая фаза является основой керамики, ее количество составляет до 100%. Она представляет собой различные химические соединения и твердые растворы. Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла. Ее количество составляет до 40%. Она снижает количество керамики. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По назначению керамика может быть разделена на строительную и художественно-декоративную, техническую. Строительная (кирпич) и бытовая (посуда) чаще всего имеет в структуре газонаполненные поры и изготовляется из глины. Техническая керамика имеет почти однофазную кристаллическую структуру и изготовляется из чистых (реже карбидов, боридов или нитридов). Основные оксиды, используемые для производства керамики - Al2О3, ZnО2,СаО, ВеО. Техническая керамика используется в качестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Она обладает высокой прочность при сжатии и низкой при растяжении. Главный недостаток керамики, как и стекла – высокая хрупкость. |