4. Неметаллические материалы

1. Пластмассы

Пластмассыпредставляют собой органические материалы на основе полимеров.Полимераминазывают вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся звеньев (мономеров) одинакового строения. Макромолекулы представляют собой длинные цепи из мономеров, отдельные атомы в мономерах соединены между собой довольно прочными ковалентными связями, между макромолекула действуют значительно более слабые физические силы. Различают полимеры природные (каучук, целлюлоза, асбест) и искусственные, получаемые в процессе химического синтеза. По форме молекулы полимеры делят на линейные, линейно-разветвленные, лестничные, пространственные. Для полимеров с линейной структурой характерна высокая гибкость. Полимеры с лестничной и пространственной структурой характеризуются повышенной термостойкостью, жесткостью, они не растворимы в органических растворителях.

Пластмассы– это синтетические материалы, получаемые на основе полимеров. Сложные пластмассы помимо полимеров включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители. По реакции связующего полимера к повторным нагревам пластмассы разделяют натермопластичныеитермореактивные. По применению пластмассы можно подразделить на группы: конструкционные, фрикционные, уплотнительные, электроизоляционные, теплоизоляционные, стойкие к воздействию масел, кислот, огня, облицовочно-декоративные.

Термопластичныепластмассына основе термопластичного полимера размягчаются при нагреве и затвердевают при последующем охлаждении. Процесс плавления – затвердевания полностью обратим, т.к. при этом материал не претерпевает химических превращений. Основу таких полимеров составляют полимеры с линейной и линейно-разветвленной структурой молекул. Изделия из термопластичных полимеров изготавливают литьем под давлением в водоохлаждаемые формы, прессованием, выдавливанием. Наибольшее применение находят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиуретана, фторопластов, полиамидов.

Полиэтилен (ГОСТ 25951, ГОСТ 10354) имеет высокие диэлектрические свойства, практически не поглощает влагу, химически стоек в различных средах, нетоксичен, легко сваривается. Полиэтилен применяют для изоляции проводов и кабелей, в качестве упаковочного материала, для изготовления предметов домашнего обихода. Полипропилен (ТУ 6-05-1105), по сравнению с полиэтиленом, имеет более высокую механическую прочность и жесткость, большую теплостойкость. Из него изготавливают пленочные покрытия, изоляцию проводов и кабелей, разнообразные детали (корпуса воздушных фильтров, зубчатые колеса, ролики, подшипники скольжения, фильтры, электроизоляционные детали). Фторопласты (ГОСТ 21000, ГОСТ 14906) имеют интервал рабочих температур от –269 до +260 С, высокую химическую и коррозионную стойкость.

Термореактивныепластмассыизготавливают на основе химически затвердевающих термореактивных смол: фенолоформальдегидной, карбамидоформальдегидной, эпоксидной. Такие полимеры сначала имеют линейную структуру молекул и при нагреве размягчаются, затем в результате протекания химических реакций приобретают пространственную структуру и превращаются в твердое вещество. Готовая термореактивная пластмасса при повторном нагреве не плавится, а разрушается. В качестве наполнителей в состав реактопластов вводят порошковые, волокнистые, листовые материалы.

Фенопласты (ГОСТ 5689) и аминопласты (ГОСТ 9359) – пластмассы с порошковыми наполнителями (молотый кварц, тальк, графит, целлюлоза), из них изготавливают изделия галантереи, электротехнические детали (вилки, розетки), корпуса телефонных аппаратов, аккумуляторов, защитные шлемы, плиты, лаки, клеи, пенистые материалы.

Реактопласты с волокнистыми наполнителями – это композиции состоящие из связующего и волокнистого наполнителя в виде хлопка, асбеста, стекловолокна. Волокниты применяют для изготовления деталей с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручение. Стекловолокниты имеют высокие физико-механические характеристики и применяются для изготовления деталей высокого класса точности и сложной конфигурации, работающих в интервале температур от –60 до +200 С. Некоторые марки стекловолокнитов применяют для изготовления кузовов автомашин, лодок, корпусов проборов.

В качестве наполнителей для слоистых пластмасс используют древесный шпон, ткани из натуральных, синтетических, стеклянных волокон. Древесно-слоистые пластики (ДСП) используют для изготовления мебели и обделки интерьеров. Пластмассы на основе хлопчатобумажных тканей – текстолиты (ГОСТ 2910) применяют для изготовления конструкционных деталей, изоляционного материала, вкладышей подшипников. Стеклотекстолиты (ГОСТ 12652) обладают уникальным комплексом свойств – высокой теплостойкостью и хладостойкостью, высокими механическими свойствами, стойкостью в химических средах. Стеклотекстолиты применяют для изготовления радиотехнических и изоляционных деталей, длительно работающих при 200 С, и, в качестве конструкционного материала, для изготовления силовых изделий – несущих деталей летательных аппаратов, кузовов и кабин машин, железнодорожных вагонов, корпусов лодок.

Резины– пластмассы, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокопластическом состоянии. Таким полимером является каучук, натуральный или синтетический. Линейные и слаборазветвленные молекулы каучуков отличаются большой гибкостью. Для повышения упругости, эластичности и прочности в каучуке формируют редкосетчатую молекулярную структуру, путем введения химических веществ, образующих поперечные химические связи между звеньями линейных макромолекул. Этот процесс называют вулканизацией. Вулканизирующими добавками служат сера и другие вещества. В зависимости от числа поперечных связей получают резины различной твердости: мягкие, средней твердости и, при максимальном насыщении серой, получают твердую резину (эбонит). Различные наполнители позволяют существенно менять специальные свойства резины, увеличивая ее износо-, морозо-, масло- и бензостойкость. Резиновые изделия армируют тканью и металлической сеткой.

2. Керамические материалы

Керамика относится к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной продукции. За короткое время, начиная с конца 60-х годов ХХ века, керамика произвела настоящую революцию в материаловедении, став третьим промышленным материалом после металлов и полимеров. Экономия может быть достигнута за счет применения новых технологий, например, оптокерамики для передачи информации, и за счет снижения расхода дорогих и дефицитных металлов: титана, тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах.

Керамическая технология включает следующие основные этапы: получение исходных порошков с размером частиц до 1 мкм; процесс формования заготовки детали; спекание при температуре 2000–2200 С; обработка и контроль изделий. Основным условием керамической технологии является получение практически готовых изделий, т. к. керамические материалы с трудом поддаются механической обработке. Для доводки поверхностей применяют алмазные круги, ультразвуковую и лазерную обработку. Общим недостатком керамики является низкая пластичность и соответственно низкая трещиностойкость.

Режущий керамический инструмент по комплексу свойств существенно превосходит традиционные материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы. Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия Al₂O₃с добавкамиTiC,TiN,ZrO₂.

Оптокерамику для технологий передачи информации изготавливают на основе Al₂O₃,MgO,SiO₂,ZnS, это лазерные материалы, световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев.

Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и, поэтому, является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Для ответственных деталей газотурбинных двигателей, таких как камера сгорания, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния Si₃N₄,SiC, которые сохраняют прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1200–1400С при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы.

В ядерной энергетике применяют керамические материалы на основе оксидов и карбидов вора B₂O₃,B₄Cв смеси с оксидами свинца и уранаPuO₂,UO₂. Из них изготавливают футеровку реакторов, экранирующие материалы, поглотители нейтронов, контейнеры для захоронения радиоактивных отходов.

Ударопрочная броневая керамика обладает высокой твердостью, модулем упругости и температурой плавления при плотности в 2–3 раза меньшей по сравнению с плотностью металлов. Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида вора B₄C, но их применение сдерживается высокой стоимостью. Для массового производства наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминияAl₂O₃, керамику на его основе используют для защиты живой силы, сухопутной и морской техники.

При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, нагреваются до высоких температур. Материалы для тепловой защиты должны сохранять высокую прочностью при повышенных температурах 1200–1400 С в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности. Таким требованиям отвечают материалы на основеSiO₂,Al₂O₃. Композиционные керамические материалы используют для теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов при нагреве до 1670–1730С.