Лекция 16 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 1 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Лекция 16 «НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ» 1

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Древние философы разделили весь мир на три царства : минеральное, растительное и животное. Но человек создал еще и четвертое - царство искусственных материалов И, пожалуй, самым удивительным изобретением человека стали пластмассы 2

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Представьте, что из окружающего нас мира исчезли бы пластмассы. Тогда не стало бы не только привычных вещей в нашем доме, но и космических полетов, сверхзвуковых самолетов, глубоководных батискафов, современных телевизоров, всякого рода бытовых мелочей - полиэтиленовых мешочков, крышей - всего не перечислишь. Просто говоря, без пластмасс техника и наш быт вернулись бы в начало двадцатого века. О значении пластмасс в развитии материального производства красноречиво говорит тот факт, что уже в 60 -е годы мировой объем производства пластмасс значительно превысил выпуск цветных металлов. 3

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Сейчас пластмассы не просто с успехом заменяют многие металлы, но и сами стали незаменимыми материалами во многих самых различных отраслях техники, пищевой промышленности, строительстве. сельском хозяйстве и т. п. Обладая целым рядом ценных свойств. пластмассы играют важную роль в деле снижения веса машин и улучшения их качественных показателей. Применение пластмасс как конструкционных материалов экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемкая, число операций в несколько раз меньше, а отходов получается немного. пластмассовые детали как правило не нуждаются в отделочных операциях. 4

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Итак, перечислим основные достоинства пластмасс: малая плотность ( в большинстве 1 - 1, 5 г/смз у пенопластов - 0, 015) высокая устойчивость к атмосферным воздействиям и агрессивным средам - высокая коррозионная стойкость хорошие диэлектрические и электро и теплоизоляционные свойства, свето и - радиопрозрачность высокая морозостойкость в большинстве низкий коэффициент трения декоративность простота изготовления сложных и сложноармированных изделий ( обычно литьем под давлением или прессованием с минимальной последующей обработкой. 5

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Преимущества пластмасс обеспечили им применение в машиностроении и это не смотря на некоторые их недостатки: низкая теплостойкость ( порядка 100°С) малая жесткость низкая механическая прочность, хрупкость склонность к старению небольшая по сравнению с металлами вязкость 6

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПЛАСТМАССАМИ - называются искусственно изготавливаемые материалы, состоящие в основном или полностью из высокомолекулярных соединений ( полимеров) и обладающие при определенных условиях ( температура, давление) пластичностью, что дает возможность формировать из них изделия. В состав пластмасс входят: Связующие вещества ( полимеры) наполнители пластификаторы красители специальные добавки 7

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Рассмотрим основные составляющие пластмасс. Итак, пластмассы изготавливаются на основе полимеров - это основная составляющая пластмасс( иногда составляет 100%) Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов-звеньев. Каждое звено представляет собой измененную молекулу исходного низкомолекулярного вещества - мономера При получении полимера молекулы мономеров объединяются друг с другом и образуют длинные линейные молекулы или макромолекулы, в которых атомы соединены ковалентными связями. 8

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Полимеры встречаются в природе - это натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делятся: Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные цепочки, они обеспечивают эластичность материала, они являются наиболее подходящими для получения волокон и пленок. Разветвленные макромолекулы полимера, отличаются наличием боковых ответвлений 9

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Все полимеры по отношению к нагреву подразделяются на две группы: термопластичные термореактивные Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются. даже плавятся, при охлаждении - затвердевают: этот процесс обратим. , т. е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает. Термореактивные полимеры на первой стадии при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают и в дальнейшем остаются твердыми. примером их могут служить эпоксидные и др. смолы. 10

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Основные составляющие пластмасс Основным компонентом пластмасс является связующее вещество или полимер, о нем мы уже говорили. простые пластмассы - это полимеры без добавок, сложные - это смеси полимеров с различными добавками - наполнителями, пластификаторами, стабилизаторами и др. Наполнители - добавляют в количестве 40 -70% по массе для повышения механических пластмасс. снижения стоимости и др. Это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, тальк, графит), волокон (хлопчатобумажных, стеклянных, асбестовых), листов ( бумага, ткани, древесный шпон). наполнителями могут служить различные газы. Наполнители усиливают механическую прочность, так введение в термопласты коротких стекловолокон в количестве 20 -30% по массе позволяет значительно повысить прочностные свойства материалов, их жесткость. Стеклопластики по твердости почти не уступают стали, но примерно в 4 раза легче ее. О прочности их говорит тот факт, что из них делают пуленепроницаемые защитные жилеты. 11

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Особое значение наполнители играют в снижении горючести пластмасс. Общеизвестно пожароопасность пластмасс, поэтому без специальных наполнителей, повышающих теплостойкость пластмасс никак не обойтись. К ним относятся: асбест, гидроокись алюминия и др. С помощью наполнителей можно регулировать плотность пластмасс - это делается с помощью газонаполнения. 12

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Стабилизаторы - различные органические вещества, , которые вводят для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств. добавки стабилизаторов замедляют старение пластмассы. Пластификаторы - вещества. вводимые для придания пластичности пластмассам, их добавляют в количестве 10 -20% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости. пластификаторами являются вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. В качестве пластификаторов могут быть эфир, олеиновая кислота. стеарин и др. Специальные добавки - смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов, защиты от плесени и др. 13

СВОЙСТВА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПЛАСТМАСС Материал Прочность МПа Пластичность % Максимальная температура эксплуатации о. С Полиэтилен низкой плотности 0, 94 высокой плотности 0, 94 Полипропилен Полистирол жесткий пластикат Фторопласт-4 Фторопласт -3 Органическое стекло без наполнителя 10 -18 300 -1000 60 -75 18 -52 100 -600 70 -80 26 -38 700 -800 100 40 -60 3 -4 50 -70 50 -65 20 -50 65 -85 10 -40 50 -350 50 -55 20 -40 250 -500 250 37 160 -190 150 80 5 -6 65 -90 60 -65 80 -120 135 с 30%волокон Капрон сухой насыщенный водой 90 3. 5 145 70 -85 50 -130 80 -100 100 -125 4 80 -100 14

СВОЙСТВА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПЛАСТМАСС Материал фенолоформальде гидные полиэфирные эпоксидные кремнийорганическ ие Порошковые пластмассы Волокниты Гетинаксы Текстолиты Стеклотекстолиты Пористые пластмассы Прочность МПа 15 -35 Пластичность Максимальная температура эксплуатации о. С % 1 -5 200 42 -70 2 95 -120 28 -70 3 -6 150 -175 22 -42 5 -10 350 30 -60 1 -3 100 -200 30 -90 1 -3 120 -140 60 -70 - 125 65 -100 1 -3 90 -105 200 -600 1 -3 200 -400 0, 5 -2, 5 - 15 -

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПЛАСТМАСС Термопластичные пластмассы в отличие от реактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах. . Значительная часть термопластов перерабатывается в пленку, волокна, и изделия из волокна, которые трудно или вовсе невозможно изготовить из термореактивных полимеров. К термопластам относят: -полиэтилен, может быть высокого и низкого давления, нерастворим ни в одном из известных растворителей. Применяется для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей ( вентили, контейнеры), полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекления теплиц, он может служить покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги и т. д. Недостатком является подверженность его старению 16

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ полистирол - по диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, легко окрашивается Из него изготавливают детали для радиотехники, телевидения , приборов, корпуса, ручки, сосуды для воды и химикатов поливинилхлорид - разновидность его - винипласт- имеет высокую механическую прочность и упругость. Из него изготавливают трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали для вентиляционных установок, теплообменников. защитные покрытия для металлических емкостей. строительные облицовочные плитки. фторопласт-4 - обладает очень низким коэффициентом трения, который Не зависит от температуры. Его трудно перерабатывать из-за отсутствия пластичности. Из него изготавливают трубы для химикатов, вентили, краны, насосы, уплотнительные прокладки, антифрикционные покрытия на металлах. Волокно и пленки из него не горят, химически стойки, применяются для емкостей, рукавов, спецодежды. 17

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ полиамиды - это группа пластмасс с широко известными названиями - капрон, нейлон, анид, и др Они стойки к щелочам, , бензину, имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание, способны поглощать вибрацию. К недостаткам можно отнести - гигроскопичность и подверженность старению из-за окисляемости. Из полиамидов изготавливают шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, буксирные канаты. Их используют в электротехнике. медицине. применяют их и как антифрикционные покрытия металлов. поликарбонат - выпускается под названием дифлон- по прочности на разрыв близок к винипласту, отличается высокой ударной вязкостью. Из него изготавливают шестерни, подшипники, автодетали. радиодетали, его используют в криогенной технике для работы в среде сжиженных газов. Дифлон применяют и в виде гибких прочных пленок. 18

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ органическое стекло - прозрачный аморфный термопласт, называется иногда полиметилметакрилат. Материал в два раза легче минеральных стекол, пропускает 75% ультрафиолетовых лучей ( минеральные - 0, 5%). при 80 о. С оргстекло начинает размягчаться, при 105 -150 о. С появляется пластичность, что позволяет формировать из него различные изделия. Критерием, определяющим пригодность органического стекла для эксплуатации, является не только их прочность, но и появления на поверхности и внутри материала мелких трещин - т. н. "серебра". Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления "серебра" являются внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким температурным коэффициентом линейного расширения материала. Оргстекло стойко к действию разбавленных кислот. щелочей, растворяется в эфирах. К недостатком - относят невысокую его поверхностную твердость. Максимальная рабочая температура при неполном прогреве стекла - 100 о оргстекло используется в самолетостроении и автомобилестроении. светотехнические детали, оптические линзы, защитные щитки на 19 металлорежущих станках.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПЛАСТМАСС Термореактивные пластмассы ( реактопласты) получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолоформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Пластмассы применяют в отвержденном виде. Они имеют сетчатую структуру и поэтому при нагреве не плавятся, устойчивы против старения и не взаимодействуют с топливом и смазочными материалами. Реактопласты нерастворимы, способны лишь набухать в отдельных растворителях, водостойки и поглощают не более 0, 1 -0, 5% воды. Эти пластмассы пригодны для изделий больших размеров. Реактопласты после отверждения имеют низкую ударную вязкость и поэтому используются с наполнителями. 20

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Преимущества наполненных термореактивных пластмасс: большая стабильность механических свойств относительно малая зависимость их от температуры, скорости деформирования, и длительности действия нагрузки. большая , чем у термопластов надежность лучшая несущая способность в рабочем интервале температур 21

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Волокниты - это пластмассы, у которых наполнителем служат волокна, имеют повышенную прочность, а гласное ударную вязкость. Волокниты, наполненные асбестовым волокном, сочетают теплостойкость до 200° с высоким коэффициентом трения в паре со сталью и поэтому применяются в тормозных устройствах. Изделия из волокнитов прессуют при повышенных давлениях. из-за низкой текучести материала применение волокнитов ограничено изделиями простой формы. 22

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Слоистые пластики - представляют группу самых прочных и универсальных по применению конструкционных пластмасс. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают материалам анизотропность. По виду наполнителя слоистые пластики подразделяются на следующие виды: текстолиты - материалы с х/б тканями гетинаксы - с бумажным наполнителем древесно-слоистые пластики - с древесным шпоном стеклотекстолиты - с тканями из стеклянного волокна Наименее прочными являются гетинаксы, максимальную прочность имеют стеклотекстолиты. Из всех слоистых пластиков текстолиты отличаются самым прочным сцеплением между полимером и наполнителем и лучше поглощают вибрацию. Обычно слоистый пластик имеет около 50% полимера , при меньшем его содержании материал более экономичный. но менее прочен и неводостоек. 23

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Гетинаксы-в зависимости от свойств составляющих применяются как электроизоляционные или строительно-декоротивные материалы, применяемые для облицовки производственных помещений, салонов самолетов, ж/д вагонов. Текстолиты- используют для разнообразных средненагруженных трущихся деталей, включая зубчатые колеса и кулачки. он хорошо сопротивляется износу, не схватывается со стальными деталями. 24

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Стеклотекстолиты - сочетают малую плотность (1, 6 -1, 9) с высокой прочностью и жесткостью. Наивысшую прочность обеспечивает эпоксидная связка, минимальную - кремнийорганические полимеры. Стеклотекстолиты по способности поглощать вибрации превосходят стали, сплавы титана и алюминия, поэтому они имеют хорошую выносливость при переменных нагрузках. По тепловому расширению они близки к сталям. Слоистые пластики со стеклянным или полимерным волокном в течение десятков секунд выдерживают температуру свыше 3000 о. В поверхностных слоях разрушается полимер, оплавляется наполнитель и образуется тугоплавкий кокс, который защищает более глубокие слои материала. эта особенность лежит в основе применения пластмасс в качестве теплозащитных материалов. 25

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Термореактивные полимеры используют в виде клеев, а также при изготовлении оболочковых форм для отливок, различной технологической оснастки, абразивного инструмента. Максимальную прочность обеспечивают фенолоформальдегидные клеи, теплостойкость - клеи на основе кремнийорганических полимеров. Склеивание производят там, где клеевая пленка работает на срез - приклеивании тормозных обкладок, фиксации болтов и шпилек, закреплении вкладышей подшипников. 26

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Газонаполненные пластмассы Это легкие и сверхлегкие материалы, которые получают вспениваем эмульсии и раствора мономера (полимера) воздухом или газом. Либо вспениваем газообразными продуктами, образующимися в процессе отверждения полимера. Либо вспениванием размягченного полимера газом под давлением 10 -25 Мпа при 140 -160 о Структура их представляет твердый полимер, которое образует стенки элементарных ячеек или пор с распределеннной в них газовой фазой - наполнителем. Такая структура обеспечивает чрезвычайно малую массу и высокие теплоизоляционные характеристики. 27

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Различают: -пенопласты -поропласты У пенопластов- микроскопические ячейки заполненные газом. не сообщаются между собой (плотность до 0, 3 мг/мз) У поропластов - ячейки сообщаются между собой (плотность более 0, 3 мг/мз) Газонаполненные пластмассы получили широкое распространение и широко применяются для теплоизоляции кабин, контейнеров. холодильников. в строительстве, являясь легким заполнителем, повышают прочность силовых конструкций. Мягкие пластичные поролоны используют для амортизаторов, губок. 28