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, 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.
Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.
Пластические массы
Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.
2. Состав и свойства пластмасс
Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.
Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.
Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.
Термопластичные пластмассы
В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.
Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.
Полиэтилен - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам.
Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению.
При меняют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных несиловых деталей.
Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С.
Полистирол - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензине. Недостаток его невысокая теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин.
Из полистирола изготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, сосуды для воды и многое другое.
Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при температуре выше 415°С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей и растворителей, не смачивается водой. Недостатки хладотекучесть.
Применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др.
Полярные термопластичные пластмассы.
Фторопласт-3 - полимер трифторхлортилена. Его используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.
Органическое стекло - это прозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостатки невысокая поверхностная твердость.
Применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента.
Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки., имеют высокую прочность и упругость.
Изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки.
Полиамиды - это группа пластмасс с известными названиями капрон, нейлон, анид и др. Они продолжительное время могут работать на истирание , ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях.
Из них изготавливают шестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.
Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.
Полиэтилентерефталат - сложный полиэфир, в России выпускается под названием лавсан, за рубежом - майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.
Термостойкие пластики.
Ароматический полиамид - фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.
Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями. Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных костюмов.
Термореактивные пластмассы
Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.
Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботесолит) являются силовыми конструкционными о поделочными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.
Газонаполненные пластмассы
Представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз.
Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Обладают хорошей плавучестью и высокими теплоизоляционными свойствами.
Применяют для теплоизоляционных кабин, контейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и т.п. Мягкие и эластичные пенопласты применяют для амортизаторов, мягких сиденей, губок.
Сотопласты Изготавливают из тонких листовых материалов. Для них характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность.
Применяют в виде заполнителей многослойных панелей в авиа- и судостроении для несущих конструкций.
3. Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Карбоволокниты
Карбоволокниты представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Они сохраняют прочность при очень высоких температурах, а также при низких температурах.
Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте могут длительно работать при температуре до 200°С.
Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, водо- и химически стойкие.
КМУ-1л - плотность 1.4т/м3, удельная жесткость 8.6*103км, ударная вязкость 50кДж/м2.
Бороволокниты
Они представляют собой композиции полимерного связующего и упрочнителя - борных волокон. Отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, теплопроводностью и электропроводимостью.
Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С.
Изделия из бороволокнита применяют в авиационной технике.
КМБ-1к - плотность 2.0т/м3, удельная жесткость 10.7*103км, ударная вязкость 78кДж/м2.
Органоволокниты
Представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Они устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая.