Тенденция развития неметаллических материалов в машиностроении

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………..3

1. Общие  сведения о неметаллических материалах……………………………………4

2. Состав  и свойства пластмасс…………………………………………………………..4

3. Композиционные  материалы…………………………………………………………..7

4. Резиновые  материалы…………………………………………………………………10

    4.1 Состав и классификация резин………………………………………………10

5. Неорганические  стекла……………………………………………………………….12

      5.1 Ситаллы………………………………………………………………………..13

6. Клеящиеся материалы и герметики………………………………………………….13

7. Керамические  материалы…………………………………………………………….14

Заключение………………………………………………………………………………16

Список  литературы………………………………………………………………………17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     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 (пластмасс), 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. Основным типом неметаллических материалов, широко используемых в машиностроении и других отраслях промышленности, являются пластические массы (пластмассы).

     Пластическими массами называют такие искусственные  материалы, которые  получают на основе органических полимерных связующих веществ  с различными наполнителями. 

     2. Состав и свойства  пластмасс 

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

     Смолы, используемые для изготовления пластмасс, могут быть термореактивными или  термопластичными, что и определяет их основные технологические и эксплуатационные свойства.

     Многие  пластмассы (преимущественно, термопластичные) состоят из одного связующего вещества. К таким материалам относится  полиэтилен, полистирол, полиамиды, органические стекла, капрон и др. Особенностью термопластичных материалов является их способность размягчаться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Причем эти процессы протекают обратимо и происходят одинаково при каждом цикле нагрева и охлаждения. Строение материала при этом не изменяется, в нем не происходит никаких химических реакций.

     Термопластичные материалы характеризуются малой  плотностью, хорошей формуемостью, устойчивостью к горючесмазочным  материалам. Полиэтилен имеет теплостойкость до 50 ºС, морозостойкость до - 70, химически стоек, однако подвержен старению. Применяется для изготовления пленок, труб, контейнеров, предметов домашнего обихода. Полипропилен имеет более высокие прочностные свойства, но имеет более низкую морозостойкость (до минус 20 ºС). Области применения близкие к полиэтилену. Полистирол - твердый прозрачный компактный материал. Используется для изготовления деталей приборов и машин (ручки, корпуса, трубы и др.). Полиуретаны и полиамиды: капрон, нейлон используются для изготовления высокопрочных нитей и пленок. Органические стекла - прозрачные твердые вещества, используются в самолетостроении, автомобилестроении, приборостроении.

     К термопластам также относятся  фторопласты - уникальные материалы с очень низким коэффициентом трения. Их используют для вентилей, кранов, насосов, втулок, прокладок и др.).

     Термореактивные материалы при нагревании размягчаются лишь в начальный период времени, а затем твердеют при температуре нагревания за счет протекания необратимых химических реакций в их структуре, в результате чего такой материал остается твердым и не размягчается при повторных нагревах до достаточно высоких температур. Представителями термореактивных материалов являются фенолформальдегидная, глифталевая, эпоксидная смолы, непредельные полиэфиры и др. Природа протекания химических реакций, приводящих к необратимому затвердеванию, может иметь различный характер. Оно может стимулироваться добавлением в смолы специальных веществ - отвердителей, либо происходить только за счет термической активации - при нагреве. Однако в обоих случаях особенностью термореактивных пластмасс является необратимый характер изменения основных свойств материала.

     Основой реактопластов являются термореактивные  полимеры. В качестве наполнителей используют различные неорганические материалы. В зависимости от типа наполнителя такие материалы подразделяются на порошковые, волокнистые и слоистые. Порошковые материалы используют в качестве наполнителей древесную или целлюлозную муку, молотый кварц, тальк, цемент, графит и др. Такие пластмассы имеют однородные свойства по всем направлениям, хорошо прессуются. Недостаток - низкая устойчивость к ударным нагрузкам. Применяются для изготовления корпусных деталей приборов, технологической оснастки в литейном производстве (моделей) или слабонагруженных деталей штампов. Волокнистые пластмассы (волокниты) имеют высокие прочностные свойства, особенно, стекловолокниты, поскольку, по существу, они являются композиционными материалами и используют преимущества в свойствах как основы, так и волокон, применяемых для создания этих материалов. Слоистые пластики, как и волокниты, являются композиционными материалами. Они характеризуются наиболее высокими прочностными и, одновременно, пластическими свойствами. Существуют текстолиты (наполнитель - хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель - бумага), древеснослоистые пластики (древесный шпон), стеклотекстолиты (ткань из стекловолокна). Текстолит имеет повышенное сопротивление износу. Может применяться для изготовления зубчатых колес, кулачков, подшипников и других тяжело нагруженных деталей. Гетинакс - электроизоляционный и декоративно-строительный материал. Стеклотекстолит на эпоксидной смоле используется для наиболее ответственных нагруженных деталей, поскольку имеет наиболее высокие прочностные свойства среди остальных пластических масс.

     В зависимости от основного назначения пластмассы разделяются на следующие  группы:

а) конструкционные, обладающие высокой механической прочностью и применяющиеся для силовых  и не силовых конструкций;

б) электроизоляционные, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами; область применения - электротехника, приборостроение;

в) теплостойкие, применительно к трем температурным  областям применения: 120 - 150 ºС, 150 - 200 ºС и выше 200 ºС;

г) звуко - и теплоизоляционные, обладающие звукоизоляционными свойствами и малой теплопроводностью - обычно, высокопористые материалы;

д) фрикционные, обладающие при сухом трении высоким  коэффициентом трения и малым  износом;

е) антифрикционные, также имеющие высокую износостойкость  при очень малом коэффициенте трения;

ж) антикоррозионные, обладающие повышенной стойкостью к внешним химически агрессивным факторам (атмосферные осадки, кислоты, щелочи); часто используются для покрытия металлических изделий с целью защиты от коррозии;

з) декоративно-отделочные и облицовочные, обладающими хорошими декоративными свойствами;

и) прокладочные и уплотнительные, обладающие стойкостью против действия воды, жидкого топлива, минеральных масел, кислот и щелочей;

к) тропикоустойчивые, хорошо сопротивляющиеся действию температуры, влажности воздуха, ультрафиолетового облучения, стойкие к грибковой плесени;

л) химически  стойкие, обладающие стойкостью к действию сильных кислот и щелочей, ароматических  углеводородов, бензину, спиртам и  другим растворителям.

Большинство пластмасс обладает комплексом свойств, позволяющих применять их не в одной, а сразу в нескольких областях, в различных сочетаниях, например, винипласт обладает электроизоляционными, конструкционными и антикоррозионными свойствами.

     Конструкционные пластмассы подразделяются по прочности:

а) высокопрочные, с пределом прочности на растяжение σ_в выше 196 МПа;

б) средней  прочности при σ_в от 78,4 до 196 МПа;

в) низкой прочности при σ_в не выше 78,4 МПа;

г) теплостойкие;

д) декоративно-отделочные и облицовочные.

Электро- и радиотехнические пластмассы бывают:

а) электроизоляционные;

б) электропроводные;

в) радиопрозрачные.

     Тепло - и звукоизоляционные пластмассы подразделяются на следующие подгруппы:

Пенопласты  полистирольные и на иной основе:

а) эмульсионные с ячеистой структурой (например, пенопласт, полистирольный плиточный ПС-1 и ПС-4);

б) вспенивающиеся полистиролы, являющиеся продуктами полимеризации  стирола в присутствии порошкообразователя (например, ПСВ, ПСВ-А, ПСВ-С).

Пенополиуретаны эластичные, получаемые путем взаимодействия полиэфира П-2200 с толуилендиизицианатом в присутствии катализатора, эмульгатора и специальных добавок.

     Тепловая  изоляция, наносимая на изделия в  виде матов, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью и  экранов - материалов с высокой отражательной  способностью:

а) электронно-вакуумная  тепловая изоляция, представляющая собой  набор экранов - материалов с высокой  отражательной способностью, разделенных  прокладками из материалов с низкой теплопроводностью;

б) тепло - звукоизоляционный материал, состоящий  из слоев стеклянных волокон, обклеенных с одной или двух сторон фольгой, пленкой или не оклеенных вообще.

3. Композиционные материалы 

     Композиционными материалами называют такие материалы, которые состоят из различных составных частей, не растворяющихся друг в друге. Обычно такие материалы представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких порошков, волокон, непрерывных нитей, и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти жесткие элементы погружены, и которая связывает эти элементы в монолитное тело. Композиционные материалы могут быть дисперсноупрочненными, волокнистыми, слоистыми. По виду и расположению упрочняющих компонентов композиционные материалы подразделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой.

     В зависимости от геометрии армирующих элементов композиционные материалы  бывают изотропными или анизотропными. Если армирующий материал располагается  в хаотическую ориентацию в пространстве и состоит из порошковых или коротковолокнистых элементов, то чаще всего такие композиционные материалы являются изотропными. В том случае, если композиционные материалы состоят из закономерно и единонаправленных волокон, соединенных матрицей, то такие материалы, являются анизотропными.

     Особую  роль, как композиционных материалов с высокими показателями удельной прочности, играют сплавы с металлической матрицей, основу которых составляют чаще всего  алюминий и алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы и др.

     Широко  известны порошковые дисперсноупрочненные спеченные композиционные материалы, например, САП (спеченная алюминиевая пудра). Алюминиевая пудра представляет собой мельчайшие частицы алюминия, полученные методами размола алюминия в мельницах и естественно окисленные кислородом воздуха за счет высокой химической активности алюминия.Для изготовления изделий такую пудру брикетируют с получением изделий заданной формы и размеров, а затем спекают при температуре 500 - 550 ºС. Материал получает высокую удельную прочность - до 400 - 450 МПа, которая позволяет использовать изделия при сравнительно высоких температурах - до 500 ºС.

     Для получения волокнистых материалов (композитов) с алюминиевой матрицей используют волокна, нитевидные кристаллы  чистых элементов и тугоплавких  соединений с бором, углеродом, а также окиси алюминия, карбида или нитрида кремния и др.В ряде случаев в качестве волокон применяют проволоку из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена, хрома, бериллия и др.

     Положительными  свойствами композиционных материалов с металлической матрицей являются: высокая термостойкость, более высокие, чем у порошковых композиционных материалов электро- и теплопроводность, негорючесть, устойчивость к эрозии, стабильность размеров во влажном состоянии и некоторые другие.По сравнению с однородными литыми и деформируемыми традиционными металлическими металлами и сплавами композиционные материалы существенно (в несколько раз) имеют более высокие прочностные свойства и модули упругости, а также на порядок более высокие значения удельной прочности по отношению к удельному весу (таблица 9.2).

Таблица 9.2 - Физико-механические свойства КМ с  металлической матрицей

     Возрастающая  потребность в материалах, обладающих высокими прочностными характеристиками, стимулирует работы по созданию композиционных материалов с металлической матрицей из алюминиевых сплавов, армированных высокопрочными волокнами, например, борными, углеродными и стальными.Такие композиционные материалы являются наиболее перспективным классом машиностроительных материалов при постоянном ужесточении условий эксплуатации современных машин, при которых традиционные металлы и сплавы не удовлетворяют возрастающим требованиям, особенно в части удельных показателей прочности и жесткости.

     Существует  композиционные материалы типа КАС - алюминиевый сплав, армированный в  одном направлении стальными  волокнами. Такие КМ имеют высокую  технологичность при производстве; относительно малую себестоимость; хорошую воспроизводимость характеристик при изготовлении изделий из композиционных материалов. Широкое применение КМ типа "алюминий - сталь" в промышленности сдерживается невысоким удельными характеристиками и анизотропией свойств.

     Металлические композиционные материалы применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при особо низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, динамических, знакопеременных нагрузках в условиях жестко-упругих конструкций.Их применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной проволокой, изготавливают тонкостенные топливные баки и другие корпусные детали. Использование таких материалов в изделиях авиационной техники уменьшает массу деталей равной прочности на 20-60%. Композиции на основе алюминий-титан используют при изготовлении легких лопаток газотурбинных двигателей. Наиболее высокими качественными показателями для этого назначения отличаются композиционные материалы на никелевой и хромовой основе с армированием нитевидными кристаллами окиси алюминия. Металлические композиционные материалы на основе свинца или его сплавов с оловом, армированные проволокой из нержавеющей стали, могут использоваться для изготовления подшипников, работающих без смазки. В электротехнике металлические композиционные материалы находят применение для изготовления проводов высоковольтных линий, износостойких контактов, сверхпроводников и др. 
 
 

     4. Резиновые материалы

     Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) каучука и серы с различными добавками.

       Резина отличается от других  материалов высокими эластическими  свойствами, которые присущи каучуку  — главному исходному материалу  резины. Для резиновых материалов  характерна высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

     4.1Состав  и классификация  резин.

     Резина  как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку -  главному исходному  компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При комнатной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

     В результате совокупности технических  свойств резиновых материалов их применяют для амортизации и  демпфирования, уплотнения и герметизации в условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для покрышек и камер колес самолетов, автотранспорта и т. д. Номенклатура резиновых изделий насчитывает более 40000 наименований.

     Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который  и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные  добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже.

     1. Вулканизующие вещества (агенты) участвуют  в образовании пространственно-сеточной  структуры вулканизата. Обычно  в качестве таких веществ применяют  серу и селем, для некоторых  каучуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения -- тиурам (тиурамовые резины).

     2. Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца, магния и др. влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов.. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии окислов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.

     3. Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдольнеозон Д и др.). Физические противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

     4. Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. В качестве мягчителей вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество мягчителей 8 -- 30% от массы каучука.

     Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Усиливающие наполнители (углеродистая сажа и белая сажа -- кремнекислота, окись цинка и  др.) повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стоимости резины.

     Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат -- продукт переработки  старых резиновых изделий и отходов  резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

    Резиновые материалы делят на группы общего и специального назначения.

     Резины  общего назначения

     К группе резин общего назначения относятся  вулканизаторы неполярных каучуков - НК, СКБ, СКС, СКИ.

     НК - натуральный каучук. Для получения  резины НК вулканизируют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами.

     НК - плотность каучука 910-920кг/м3, предел прочности 24-34МПа, относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 80-130°С.

     СКБ - синтетический каучук бутадиеновый. Каучуки вулканизируют аналогично натуральному каучуку.

     СКБ - плотность каучука 900-920кг/м3, предел прочности 13-16МПа, относительное удлинение 500-600%, рабочая температура 80-150°С.

     СКС - бутадиенстирольный каучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) - это самый распространенный каучук общего назначения.

     СКС - плотность каучука 919-920кг/м3, предел прочности 19-32МПа, относительное удлинение 500-800%, рабочая температура 80-130°С.

     СКИ - синтетический каучук изопреновый. Из этих резин изготавливают шины, ремни, рукава, различные резинотехнические изделия.

     СКИ - плотность каучука 910-920кг/м3, предел прочности 31.5МПа, относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 130°С.

     Резины  специального назначения

     Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового, СКН и тиокола.

     Наирит, резины на его основе обладают высокой  эластичностью, вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива  и масел.

     Наитрит - плотность каучука 1225кг/м3, предел прочности 20-26.5МПа, относительное удлинение 450-550%, рабочая температура 100-130°С.

     СКН -бутадиеновый каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40). Резины на его основе применяют для  изготовления ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых изделий.

     СКН - плотность каучука 943-986кг/м3, предел прочности 22-33МПа, относительное удлинение 450-700%, рабочая температура 100-177°С.

     Теплостойкие  резины получают на основе каучука  СКТ.

     СКТ - синтетический каучук теплостйкий. В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую стойкость, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию.

     СКТ - плотность каучука 1700-2000кг/м3, предел прочности 35-80МПа, относительное удлинение 360%, рабочая температура 250-325°С.

     Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования. 

5. Неорганические стекла 

    Неорганическое  стекло – это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при охлаждении переходит из расплавленного, жидкого состояния в высоковязкое состояние, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения.

    В составе стекла могут присутствовать оксиды трех типов: стеклообразующие, модифицирующие и промежуточные. Стеклообразующими являются оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. К модифицирующим оксидам относятся оксиды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Мg, Ва) металлов. Модифицирующие оксиды вводят в процессе варки стекол. Глинозем А1₂0₃ повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекол. При добавке В₂0₃ повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца РbО, вводимый главным образом при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость. Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа, которые могут замещать часть стеклообразующих оксидов.