книги / Материаловедение.-1

Термореактопласты

15.1.2. Резиновые материалы

Резиной называется особый вид пластмасс (реактопласты с редкосетчатой структурой), когда связывающий полимер находится в высокоэластичном состоянии. Таким полимером является натуральный или синтетический каучук.

Резиновые материалы – сложные вещества. В их состав, кроме каучука, входят вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, пластификаторы, наполнители, красители и противостарители.

Натуральный каучук имеет аморфное состояние. Это мягкий, эластичный материал, плотность – 0,91–0,94 г/см3. При его длительном хранении возможна кристаллизация. При температуре –70 °С он становится хрупким, а при нагреве выше 200 °С натуральный каучук разлагается.

Синтетический каучук получают путем полимеризации углеводородов. Различают следующие его виды: бутадиеновый, бутадиеностирольный, изопреновый, фторосодержащий.

К свойствам резины относят высокую эластичность, хорошие амортизационные свойства. У данного материала сильно выражена зависимость механических свойств от температуры. Падение прочности с повышением температуры называется термическим старением резины. При динамическом нагружении свойства резин определяют упругогистерезисными (остаточная деформа-

121

ция) иусталостно-прочностными характеристиками. Морозостойкость резины определяется температурой хрупкости (Tx) и коэффициентом морозостойкости(kм).

Резиновые материалы делятся на резины общего и специального назначения.

Резины общего назначения могут работать (интервал рабочих температур – 50–130 °С) в водной и воздушной среде, слабых растворах щелочей и кислот, в спирте, жирных кислотах, ацетоне. Такие резины особенно мягкие, не стойки к тепловому и светоозонному старению, набухают при контакте с жирными и ароматическими растворителями (бензин, керосин, масло и т.д.). Резины общего назначения предназначены для шин авиа- и автоколес, покрышек, прокладок, протекторов, обычных шлангов, амортизаторовит.д. Марки резинобщегоназначения– 15РИ10, 14РИ32456.

Резины специального назначения обладают морозостойкостью, теплостойкостью, негорючестью, озоностойкостью, электропроводностью, стойкостью к горюче-смазочным материалам. Марки резин специального назначения – 3826, НО-68-1, В-14-1,

ИРП1287, ИРП 1338.

15.1.3. Лесоматериалы

Лесоматериалы изготавливают из древесины. Под древесиной понимают ткань деревьев, которая служит для проведения минеральных растворов и воды от корней к другим органам, в том числе листьям, плодам и т.д. Древесина формируется клетками, которые состоят из целлюлозы и образуют трубчатоволокнистую микроструктуру (рис. 43).

Выделяют древесину твердых и мягких пород. Древесина твердых пород пропитана дубильными веществами и встречается у лиственных пород деревьев (дуб, осина, береза и др.). Древесина мягких пород пропитана смолой и встречается у хвойных пород деревьев (сосна, ель, кедр, лиственница и др.).

122

4.Низкая теплопроводность древесины делает его хорошим теплоизоляционным материалом, что вызвано высокой пористостью этого материала.

5.Высокая обрабатываемость резанием, способность удерживать шурупыигвозди, возможностьскрепления склеиванием.

К недостаткам древесины можно отнести изменение размеров при испарении (усушке) и поглощении (разбухании) влаги, возгораемость, гниение, хорошую звукопроницаемость.

Из древесины изготавливают следующие виды лесоматериалов: круглые лесоматериалы (бревно, подтоварник и жердь), пиломатериалы (доска, брус, брусок, горбыль), древесные материалы (древесная шерсть, стружка, лущеный шпон и др.) и изделия из них (фанера, древесностружечные плиты, древесноволокнистые плиты и др.).

Лесоматериалы используют при изготовлении мебели и предметов быта, в строительстве для облицовочных и отделочных работ, теплоизоляции, в качестве шпал железных дорог, свай гидротехнических сооружений и элементов мостов и рудных стоек, а также

всудоиавиастроениидляснижениявесаконструкций.

15.2. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Неорганическиенеметаллическиематериалыподразделяются:

–на природные: графит, слюда, некоторые горные породы, асбест;

–искусственные: стекло, цемент, керамика и т.д.

Основу строения неорганических материалов составляют оксиды алюминия, кремния, магния, кальция и других металлов.

15.2.1. Неорганические стекла

Неорганические стекла – продукт сплавления трех групп оксидов, представляющих собой переохлажденную жидкость

124

в твердом состоянии. Стекло не имеет определенной температуры плавления, находится в аморфном состоянии.

Компоненты стекол – оксиды

Стеклообразующие оксиды – SiО2, В2О3, А12О3, Р2О5 – неорганические полимеры с сетчатой структурой. Модификаторы – оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (Na2О, К2О, Li2О, СаО) – улучшают технологические свойства стекла, понижая при этом прочность. Оксиды двухвалентных металлов (ZnO, РbО, ВаО), а также оксиды алюминия, железа, титана сообщают стеклу специальные свойства, частично замещая стеклообразующие оксиды в каркасе стекла.

В процессе варки стекла оксиды вступают в химическое взаимодействие друг с другом и изменяют свое состояние. При переходе стекла из расплавленного состояния в твердое беспорядочная структура жидкого состояния как бы «замораживается», образуя аморфное неупорядочное строение.

Стекла характеризуются химической стойкостью, хрупкостью, прозрачностью для света и непрозрачностью для ультрафиолетовых лучей, способностью рассеивать, преломлять и отражать световые лучи.

Классифицируются стекла по химическому составу и назначению.

По химическому составу выделяют кварцевые, щелочные, бесщелочные, алюмосиликатные, ситаллы (стеклокристаллические материалы).

По назначению – транспортные, оптические, лабораторные, приборные, защитные, светотехнические, электропроводящие, теплозвукоизоляционные, химические (кварцевые).

125

Повысить свойства стекол можно путем термического упрочнения – закалки (быстрого охлаждения стекла, нагретого выше температуры стеклования Tc).

15.2.2. Ситаллы (стеклокерамика)

Термин «ситаллы» образован из слов «стекло» и «кристалл». Ситаллы получаются путем кристаллизации жидких неорганических стекол на основе CaO, А12О3, Li2О3, SiО2, MgO с добавками катализаторов. Катализаторами кристаллизации являются светочувствительные соли серебра, меди, платины, золота, фосфатные и фтористые соединения. Катализаторы имеют кристаллическую решетку и являются центрами кристаллизации, на которых кристаллизуется масса стекла.

По способу получения ситаллы делятся на термоситаллы, фотоситаллы, шлакоситаллы.

Фотоситаллы (фотокерамы) – стекла литиевой систе-

мы. При последующей термообработке (ситаллизации) вокруг центров кристаллизации происходит равномерный рост поликристаллической структуры ситалла.

Термоситаллы (термокерамы) получают из стекол сис-

тем CaО – A2О3 – SiО2, MgО – Al2О3 – SiО2. Катализаторами являются оксиды титана, ванадия, хрома, фосфора, фториды и сульфосеминиды. При выплавке происходит распределение исходного оксидного стекла на две фазы, одна из которых выпадает в виде коллоидных частиц. При последующей термической обработке эти частицы кристаллизуются сами и вызывают полную кристаллизацию стекла.

Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катализаторов(сульфаты, порошокжелезаисоединенияфтора).

Свойства ситаллов определяются структурой и фазовым составом. Применяются ситаллы для изготовления деталей остекления машин и самолетов, обтекателей, вкладышей подшипников, жаропрочных деталей в ракетных двигателях, труб для химической промышленности, лопастей винтов и компрессоров.

126

15.2.3. Техническая керамика

Керамика – это неорганический материал, полученный путем спекания тонкодисперсных порошков. Оксидная керамика получается спеканием чистых высокотемпературных кислых оксидов, а бескислородная керамика – порошков карбидов, нитридов, силицидов, боридов, сульфидов. В керамике присутствуют кристаллическая, стекловидная и газовая фазы. Кристаллическая фаза – основа керамики, определяющая ее основные свойства. Стекловидная фаза (до 10 %) присутствует в виде прослоек стекла, снижая свойства керамики. Газовая фаза находится в порах керамики. Наличие пор значительно снижает свойства материала.

Оксидная керамика (кроме BeO, MgO) имеет высокую кислотно-щелочную стойкость, устойчива к окислению, хорошо работает на сжатие и изгиб. Она применяется как огнеупорный материал в печах, теплоизоляционный материал реакторов, для деталей в горячих трактах двигателей, печей, тиглей для плавления металлов и др.

Бескислородная керамика обладает высокой твердостью, износостойкостью, огнеупорностью. Из нее изготавливают вкладыши сопел двигателей, электронагреватели для печей, защитные покрытия. Она применяется в качестве жаропрочных, термостойких и окалиностойких материалов для деталей двигателей в самолето- и ракетостроении, для изготовления защитных термостойких покрытий абразивных материалов.

15.2.4. Каменные материалы

Каменные природные материалы изготавливают из горных пород путем дробления, распиливания или раскалывания, что приводит к сохранениюструктурыи свойств исходнойструктуры.

Эта группа материалов подвержена разрушающему воздействию температуры и влажности. Вода вызывает растворение каменных материалов, а ее замерзание в порах и трещинах приводит

127

к возникновению больших внутренних напряжений и последующему разрушению, водонасыщение – кпонижениюпрочности.

Для защиты каменных материалов от разрушения под воздействием окружающей среды применяются следующие приемы:

–конструктивная защита заключается в использовании такой формы изделий из каменных материалов, которая не позволяет скапливать жидкости и способствует быстрому высыханию поверхности.

–физико-химическая защита сводится к пропитке лицевой поверхности изделий водоотталкивающими составами, а также уплотняющими веществами.

Каменные природные материалы по обработке поверхности можно разделить на природные строительные и грубообработанные каменные материалы.

Природные строительные каменные материалы получают из горных пород при их распиливании, разрезании или раскалывании, структура и свойства породы при этом сохраняется. Эти материалы используют в качестве стеновых камней (плотные и пористые разновидности туфов и известняков применяют для кладки стен надземных сооружений), облицовочных камней (породы с красивой окраской и рисунком применяют для облицовки различных поверхностей), дорожные каменные материалы (изверженные и осадочные породы применяют для изготовления брусчатки, бортовых каменей, тротураных плит).

Грубообработанные каменные материалы получают в результате принудительного (раскалывание) или естественного (выветривание) разрушения горных пород. Грубообработанные материалы используют в виде буртовых камней (известняки, доломиты, песчаники применяют для кладки фундаментов, возведения плотин, переработки на щебень), гравия (окатанные зерна осадочных пород применяют для заполнения бетона, используется при строительстве железных и автомобильных дорог), щебня (куски гранита, диабаза, известняка, кварцита размером 5–70 мм применяют для производства бетона и изделий из него, фундаментов, дорожного строительства).

128

15.2.5. Неорганические вяжущие вещества

Неорганические вяжущие вещества минерального происхождения называются цементом. Под цементом понимают измельченные минеральные вещества, которые при взаимодействии с водой или ее растворами формируют пластичную и вязкую массу (цементное тесто) и при затвердевании переходят в цементный камень. Цементный камень в основном состоит из кристаллических сростков и гелеобразных масс (рис. 44). Цемент изготавливают путем измельчения клинкера и гипса. Клинкер получают при обжиге однородной смеси известняка и глины. Цемент подразделяется на портландцемент, глиноземистый, кислотоупорный, магнезиальный и др.

Рис. 44. Электоронно-микроскопические снимки срезов гидратированного цемента

с кристаллической метелкообразной структурой

(источник: http://vse-o-betone.ru/gidrataciya_cementa.html)

Цемент является незаменимым материалом при строительстве зданий и сооружений. Его используют для изготовления бетона и строительных растворов. Бетон, в свою очередь, применяют для кладки кирпича, изготовления фундаментов, железобетона, элементов строительныхконструкций, жароизоляцииидр.

129

ТЕМА 16. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционными называют материалы, состоящие из двух или более материалов, объединенных в монолит различными технологическими способами. Между составляющими материала имеется четкая граница раздела. Свойства материала определяются каждым компонентом. Композиционные материалы создал человек. Аналогов в природе этому материалу нет.

В зависимости от основы композиционные материалы (КМ) классифицируются следующимобразом:

–КМ на основе металлической матрицы;

–КМ на основе полимерной матрицы. По принципу их создания выделяют:

–слоистые КМ с двумерным наполнителем;

–дисперсно-упрочненные КМ с нульмерными наполни-

телями;

–волокнистые КМ с одномерным наполнителем.

16.1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ

КМ на основе металлической матрицы

Дисперсионно-упрочненные КМ представляет собой ме-

таллическую матрицу с равномерно распределенными частицами второй фазы, размер частиц – от 0,01 мкм до 50 мкм.

130