Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2836.1kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2979.19kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2143.51kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 785.31kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 793.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 901.29kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2591.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 814.76kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2075.7kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 1147.22kb.
12. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
6.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
Древесина – это органический материал растительного происхождения, представляющий собой сложную ткань древесных растений. Она составляет основную массу ствола дерева.
6.1.1. Строение дерева
В растущем дереве можно выделить три части: крону, ствол и корни. При жизни дерева каждая из этих частей выполняет свои определённые функции и имеет различное промышленное применение.
Крона состоит из ветвей и листьев (или хвои). В листьях создаются органические вещества, необходимые для питания и роста дерева. Промышленное использование кроны невелико. Из листьев (хвои) получают витаминную муку - ценный продукт для животноводства и птицеводства, лекарственные препараты, из ветвей - технологическую щепу для производства тарного картона и древесноволокнистых плит.
Ствол - это основная часть дерева, дающая товарную древесину. Его условно делят на верхнюю тонкую (вершинную) и нижнюю толстую (комлевую) части. Ствол растущего дерева проводит воду с растворёнными минеральными веществами вверх к кроне (восходящий ток) и вниз к корням – воду с органическими веществами (нисходящий ток); хранит запасные питательные вещества.
Корни дерева образуют широко разветвлённую многофункциональную систему (всасывает из почвы воду с растворёнными минеральными веществами, хранят запасы питательных веществ, удерживают дерево в вертикальном положении). Корни используются как второсортное топливо. Пни и крупные корни сосны после валки деревьев обогащаются смолой (в течение 10…15 лет) и служат сырьём для получения канифоли и скипидара.
Древесина является волокнистым материалом, причём волокна в ней расположены вдоль ствола. Поэтому для неё характерны анизотропия, т.е. её свойства вдоль и поперёк волокон различны. Строение древесины изучают на трёх разрезах ствола:
а) поперечный (торцовый) разрез образуется плоскостью, проходящей перпендикулярно оси ствола;
б) радиальный разрез образуется плоскостью, проходящей через сердцевину ствола;
в) тангенциальный разрез образуется плоскостью, проходящей вдоль ствола под некоторым углом к оси волокон.
На поперечном и радиальном разрезах можно наблюдать основные анатомические структуры дерева: сердцевину, центральную часть, луб и кору.
Сердцевина расположена в центре ствола. У большинства пород она наблюдается в виде темного круглого пятнышка диаметром 2-5 мм.
Центральная часть - основная по массе часть ствола. В зависимости от окраски центральной части различают породы ядровые и безъядровые. У ядровых пород центральная часть (ядро) окрашена темнее, а периферическая зона, огранивающая ядро (заболонь), окрашена светлее. Ядровые породы подразделяются на хвойные (сосна, ель, лиственница, кедр, можжевельник, тис) и лиственные (дуб, ясень, ильм, карагач, грецкий орех, тополь, ива, рябина, яблоня и др.). Безъядровые породы, у которых окраска древесин и содержание в ней влаги по всей массе одинаковы, называются эаболонными. К ним относятся берёза, липа, ольха, граб, клён, груша, самшит, хурма и др.
Камбий_ - тонкий, неразличимой невооружённым глазом слой, расположенный на границе между заболонью и лубом. Состоит из живых клеток, обусловливающих прирост древесины и коры.
Луб расположен между камбием и корой. В растущем дереве проводит питательные вещества от кроны вниз ствола.
Кора - наружный слой ствола дерева, предохраняющий его от резких колебаний температуры, испарения влаги и механических повреждений. По химическому составу кора резко отличается от древесины, на поперечном разрезе стволов деревьев произрастающих в умеренном климатическом поясе, можно заметить концентрически расположенные слои, окружающие сердцевину. В большинстве случаев каждый такой слой представляет собой ежегодный прирост древесины - годичный_слой. Он состоит из двух зон, содержащих раннюю и позднюю древесину, ранняя древесина образуется в весенний период - период интенсивного роста. Она окрашена светлее и более рыхлая, чем поздняя, обладает невысокой механической прочностью и расположена с внутренней стороны годичного слоя. Поздняя древесина более темная, более плотная расположена с наружной стороны годичного слоя (обращена к коре}. Ширина годичных слоев зависит от породы древесины, условий её произрастания и положения в стволе. Узкие годичные слои образуются у медленно растущих пород деревьев (самшит, дуб и др.), широкие - у быстрорастущих пород (тополь, ива и др ). На радиальном разрезе годичные слои имеют вид продольных параллельных полос, на тангенциальном - параболических кривых.
6.1.2. Физические свойства древесины
Цвет древесине придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества, которые находятся в полостях клеток.
Каждой древесной породе присущ свой особый цвет, который служит дополнительным признаком для её распознания. Так, древесина граба имеет светло-серый цвет, дуба и ясеня - бурый, грецкого ореха - коричневый. Под влиянием света и воздуха древесина многих пород теряет свою яркость, приобретая на открытом воздухе сероватую окраску.
Блеск - это способность направленно отражать световой поток. Блеск древесины зависит от ее плотности, качества и других факторов. Особым блеском отличается древесина бука, клёна, ильма, платана, белой акации, дуба. Древесина осины, липы, тополя имеет матовую поверхность. Блеск придаёт древесине красивый вид и может быть усилен полированием, вощением или оклеиванием прозрачными пленками смол.
Текстура - рисунок, который получается на разрезах древесины. Текстура зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород древесины и направления разреза.
Запах древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ, В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания. Ядро пахнет сильнее заболони. По запаху древесины можно определить отдельные породы.
Влажность - отношение количества удаленной влаги к массе древесины в абсолютно сухом состоянии. Выражается в %. Абсолютно сухую древесину в небольших образцах можно получить путём высушивания её в специальных шкафах. В природе и на производстве древесина всегда содержит в себе то или иное количество влаги. Влага в древесине пропитывает клеточные оболочки и заполняет полости клеток и межклеточные пространства. Влага, пропитывающая клеточные оболочки, называется связанной или гигроскопической. Влага, заполняющая полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной или капиллярной.
Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Усушка начинается после полного удаления свободной влаги и с начала удаления связанной влаги. Усушка, которая происходит при удалении всей связанной влаги, называется полной.
Короблением называется изменение формы куска древесины при высыхании или увлажнении
Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объёма древесины при повышении содержания связанной влаги. Увеличение свободной влаги не вызывает разбухания.
Водопоглощение – способность древесины благодаря пористому строению поглощать капельно-жидкую влагу. Водопоглощение происходит при непосредственном контакте древесины с водой. При этом в древесине увеличивается содержание как связанной, так и свободной влаги.
Плотность древесины, вследствие пористого строения, меньше, чем плотность древесного вещества. Плотность древесины зависит от влажности, и для сравнения значения плотности всегда приводят к единой влажности. В соответствии с рекомендацией комиссии по стандартизации СЭВ все показатели физико-механических свойств древесины должны приводиться к стандартной влажности 12%. С увеличением влажности плотность древесины увеличивается.
Теплопроводность сухой древесины незначительна, что объясняется пористостью её строения (воздух, находящийся в порах, плохо проводит тепло}. Плотная древесина проводит тепло несколько лучше рыхлой. Влажность древесины повышает её теплопроводность, т. к. вода по сравнению с воздухом является лучшим проводником тепла. Теплопроводность древесины вдоль волокон примерно вдвое больше, чем поперёк.
Звукопроводность древесины характеризуется скоростью распространения в ней звука. В древесине быстрее всего звук распространяется вдоль волокон, медленнее в радиальном направлении и очень медленно в тангенциальном направлении, звукопроводность древесины в продольном направлении в 16 раз, а в поперечном в 3-4 раза больше звукопроводности воздуха. Это свойство древесины требует при устройстве деревянных перегородок, полов и потолков применения звукоизолирующих материалов. Звукопроводность древесины и её способность резонировать (усиливать звук без искажения тона) широко используется при изготовлении музыкальных инструментов. Повышенная влажность древесины понижает её звукопроводность. Наилучшей древесиной для музыкальных инструментов является древесины ели, пихты кавказской и сибирского кедра
Электросопротивление древесины характеризуется её сопротивлением прохождению электрического тока и зависит от породы, температуры, направления волокон и её влажности. Электросопротивление сухой древесины велико. Это позволяет применять древесину в качестве изоляционного материала. При увеличении влажности в диапазоне от 0 до 30% электросопротивление падает в миллионы раз. Электросопротивление древесины вдоль волокон меньше в несколько раз, чем поперёк волокон. Повышение температуры древесины приводит к уменьшению её сопротивления примерно в 2 раза.
6.1.3. Механические свойства древесины
Прочностью называется способность древесины сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Она зависит от направления действующей нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков. В соответствии с действиями механических сил различают прочность древесины на растяжение, сжатие, изгиб, скалывание.
Твёрдостью называется способность древесины сопротивляться проникновению в неё твёрдых тел. По степени твёрдости все древесные породы можно разделить на три группы:
а) мягкие – сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, осина, ольха;
б) твёрдые – лиственница, берёза, бук, вяз, ильм, карагач, клен, яблоня, ясень;
в) очень твёрдые – белая акация, железная берёза, граб, кизил, самшит, саксаул.
Деформативностью называется способность древесины изменять свои размеры и форму при воздействии внешних сил. В условиях непродолжительного воздействия нагрузок древесина ведёт себя как упругое тело.
Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытании на изгиб. Чем больше величина работы, необходимой для излома образца древесины, тем выше его вязкость. Древесина лиственных пород, в среднем, имеет ударную вязкость в 2 раза большую, чем у хвойных.
6.1.4. Технологические свойства древесины
Способность древесины удерживать металлические крепления. При вбивании гвоздя в древесину перпендикулярно волокнам они частично перерезаются, частично изгибаются, волокна древесины раздвигаются и оказывают давление на боковую поверхность гвоздя, которое вызывает трение, удерживающее гвоздь в древесине. Величина сопротивления выдёргиванию зависит от направления по отношению к волокнам, породы древесины и плотности. Для выдёргивания гвоздя, вбитого в торец, требуется меньшее усилие по сравнению с усилием, необходимым для выдёргивания того же гвоздя, забитого поперёк волокон. Чем больше плотность древесины, тем выше сопротивление выдёргиванию гвоздя или шурупа. Например, для забивания и выдёргивания гвоздей из древесины граба требуется усилие в 4 раза больше, чем для сосны. Влажность древесины облегчает забивание гвоздей в нее, однако при высыхании способность удерживать гвоздь уменьшается.
Способность древесины к гнутью. Наибольшей способностью к гнутью обладают лиственные ядровые породы (дуб, ясень) и заболонные (берёза). У хвойных пород невысокая способность к гнутью. У влажной древесины способность к гнутью выше, чем у сухой.
Износостойкость древесины характеризуется способностью противостоять износу, то есть разрушению в процессе трения. Износ с боковой поверхности больше, чем с торцевой. Износ уменьшается с повышением твёрдости и плотности древесины. Влажная древесина более подвержена износу.
Сопротивление древесины раскалыванию. Раскалываемостью называется способность древесины под действием клина разделяться на части вдоль волокон. Раскалывание может проходить по радиальной и тангенциальной плоскостям. Сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости у древесины лиственных пород меньше, чем по тангенциальной; у хвойных пород наоборот. Способность древесины раскалываться надо учитывать при креплении деревянных элементов гвоздями, болтами и т. п
6.1.5. Пороки древесины
Пороками называют изменения внешнего вида древесины, нарушение целостности тканей и клеточных оболочек, правильности её строения и повреждения древесины, понижающие её качество и ограничивающие возможности её применения.
Пороки древесины механического происхождения, возникающие в ней в процессе заготовки, транспортировки, сортировки и механической обработки, называют дефектами.
Пороки подразделяются на следующие группы: сучки, трещины, пороки формы ствола, пороки строения древесины, грибковые поражения, повреждения насекомыми, грызунами, гниль, инородные включения, деформация; каждая группа пороков подразделяется на виды и разновидности.
Большинство пороков образуется в растущем дереве вследствие ненормальных условий его роста, климатических воздействий, а также различных механических повреждений. Значительное количество пороков может образоваться в заготовленной древесине (трещины, повреждения насекомыми). Гнили возникают в растущих деревьях и в лесоматериалах.
6.2. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Пиломатериалами называется продукция лесопильного производства, получающаяся при продольной распиловке брёвен и кряжей различных древесных пород. Пиломатериалы классифицируют по породам - хвойные, лиственные; по сортам -хвойные 5 сортов (отборный 1, 2; 3, 4), лиственные трёх сортов (I, II, III); по форме поперечного сечения; по размерам - доски (ширина больше двойной толщины), бруски (ширина равна или меньше двойной тол-
щины), брусья ширина и толщина более 100 мм). По характеру обработки пиломатериалы разделяют на обрезные и не обрезные, строганные и не строганные.
Столярные плиты - трёхслойные щиты, состоящие из заполнения, оклеенного с двух сторон шпоном. (Шпон - широкая ровная стружка, получаемая при лущении кряжей древесины). В качестве заполнения используют рейки или сотовое заполнение из древесноволокнистых плит, бумаги и других материалов.
Фанерой называются плоские трёх- или многослойные листы, изготовленные путём горячего склеивания шпона. Фанера общего назначения используется в строительстве, мебельной и радиотехнической промышленности, в судо-, вагоно-,автостроении и других отраслях. Фанеру изготавливают из берёзы, ольхи, ясеня, дуба, клёна, осины и хвойных пород. Для производства фанеры может быть использован шпон одной или разных пород. Название фанеры - берёзовая, дубовая, ольховая и т. д. - даётся по древесине шпона наружных слоев, фанера маркируется по применяющемуся клею: фенолоформальдегидный – ФСФ, карбамидный – ФК, белково-альбуминовый – ФБА.
Древесностружечные плиты (ДСтП) - это древесные листовые материалы, изготовленные горячим прессованием древесных частиц (стружки) со связующим веществом (например, мочевиноформальдегидными или фенолоформальдегидными смолами). Для получения ДСтП используются крупномерные отходы лесопиления и деревообработки, стружка от строгальных и фрезерных станков и др. ДСтП классифицируется по способу прессования (плиты плоского и экструзионного прессования), по конструкции плит (однослойные, трёхслойные, многослойные); по виду отделки поверхности (шлифованные и не шлифованные, облицованные и необлицованные); по применяемому связующему; по плотности и другим физико-механическим показателям.
Древесноволокнистые плиты (ДВП) представляют собой древесные листовые материалы, вырабатываемые путём отлива на сетки различных видов древесной массы с добавками специальных составов Используют крупномерные отходы лесопиления и деревообработки, низкотоварную дровяную древесину и другие отходы, которые измельчают до волокнистого состояния последовательным размалыванием в специальных аппаратах -рубильных машинах, рафинаторах и др. Древесные частицы при такой степени измельчения приобретают большую пластичность. Сближение их на расстояния, при которых проявляются силы межмолекулярного взаимодействия контактирующих частиц, становится технически осуществимым. Поэтому прочностные свойства твёрдых, сверхтвёрдых ДВП в настоящее время достигается в основном без проклейки древесной массы синтетическими клеями. Добавки же вводятся с целью придания плитам огнестойкости, гидрофобных, декоративных и других свойств. ДВП изготавливают следующих марок: мягкие - М-4, М-12 и М-20; полутвёрдые - ПТ-100; твердые - Т-350 и Т-400; сверхтвёрдые - СТ-500.
6.3. ПОЛИМЕРЫ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.
6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров
По происхождению полимеры разделяют на природные (натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы и др.), искусственные (полученные переработкой природных полимеров, например, нитроцеллюлоза) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды, фенолоформальдегидные, карбамидные, эпоксидные смолы и др.).
По химическому составу макромолекул подразделяются на органические (молекулы содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода и серы, входящие в состав главной цепи и боковых групп), элементоорганические (в составе основной цепи встречаются атомы неорганических элементов – Ti, Si, Al и др.), неорганические (не содержат в составе макромолекул атомов углерода).
По форме макромолекул различают полимеры линейные (макромолекулы - длинные, зигзагообразные или спиралевидные цепочки); разветвлённые (относятся к линейным, но с боковыми ответвлениями); лестничные или ленточные (макромолекулы состоят из двух цепей, соединённых химическими связями); пространственные или сетчатые (образуются при «сшивке» линейных или разветвлённых макромолекул прочными поперечными химическими связями).
По структуре полимеры делятся на аморфные и кристаллические. Аморфные полимеры имеют вид стеклообразного (полистирол), каучуко- или кожеподобного (полибутадиен и др.) материала, их размягчение при нагреве происходит в широком интервале температур. Кристаллические полимеры (полиэтилен низкого давления и др.) имеют упорядоченное расположение молекул вследствие сил межмолекулярного взаимодействия. Такие полимеры обладают резко выраженной температурой размягчения и достаточной прочностью. В реальных полимерах полной кристаллизации не происходит.
По отношению к нагреву полимеры делятся на термопласты и реактопласты. Первые способны обратимо размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, т.е. могут быть подвергнуты повторному формованию; вторые при нагреве претерпевают химические изменения и непригодны для повторного формования.
Свойства полимеров определяются не только химическим составом молекул, но и их взаимным расположением и строением. От формы макромолекул зависят такие свойства, как эластичность, прочность, реакция на нагревание, химическая стойкость и т.д. Так, линейные полимеры характеризуются высокой эластичностью, обратимо размягчаются и затвердевают при тепловом воздействии, многие из них хорошо растворяются в растворителях. Из линейных полимеров получают волокна, плёнки (полиэтилен, полиамиды и др.). Разветвлённые полимеры (полиизобутилен) имеют низкую прочность, хорошо растворяются в растворителях. Ленточные полимеры (кремнийорганические) обладают повышенной прочностью и теплостойкостью по сравнению с линейными, не растворяются в стандартных органических растворителях. Редкосетчатые полимеры (мягкие резины) теряют способность растворяться и плавиться, но обладают высокой эластичностью; густосетчатые имеют высокую твёрдость, повышенную термостойкость, нерастворимость.
В зависимости от температуры полимер может находиться в трёх различных состояниях: стеклообразном (застеклованном), высокоэластическом и вязкотекучем. Состояние полимера определяет его свойства, в частности, механические.
Так, при низких температурах у застеклованного полимера тепловое движение молекул недостаточно для преодоления межмолекулярных сил, и при нагружении он ведёт себя как упругое твёрдое тело – переориентации частиц в направлении приложенной силы не происходит. При быстром нагружении произойдёт хрупкое разрушение.
При превышении определённой температуры (температуры стеклования), кроме теплового движения молекул, будет наблюдаться подвижность звеньев и сегментов макромолекул. Поэтому под действием напряжений, кроме упругой деформации, происходит выпрямление скрученных участков молекул, но сами молекулы в целом не перемещаются в новые положения. Достигаемые в этих условиях деформации могут быть очень велики, при этом они обратимы: после снятия нагрузки молекулы возвращаются в прежнее состояние, сегменты скручиваются, и размеры тела восстанавливаются. Этот процесс протекает уже не мгновенно, т.к. время релаксации указанных перемещений достаточно велико. Такое состояние полимера называется высокоэластическим. Материалы, у которых температура стеклования ниже комнатной, при нормальной температуре являются каучукоподобными, мягкими, податливыми.
При дальнейшем нагреве достигается температура текучести, выше которой подвижны уже целые макромолекулы, и под нагрузкой они перемещаются относительно друг друга. Такая деформация необратима: полимер течёт, как вязкая жидкость, причём с ростом температуры вязкость уменьшается. Это состояние называется вязкотекучим.
У кристаллических полимеров наблюдается дополнительный переход, характеризуемый температурой плавления.
Во время эксплуатации и хранения полимеров в них могут происходить самопроизвольные, необратимые превращения в структуре, которые вызывают изменение свойств. Это явление называется старением и происходит под действием света, тепла, кислорода, озона, деформации и других факторов.
6.3.2. Пластические массы
Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, полученные на основе природных или синтетических полимеров.
По составу различают простые и сложные пластмассы. К простым относятся пластмассы, состоящие только из полимера (полиэтилен, полистирол и др.), к сложным – содержащие, кроме полимера, различные добавки: наполнители, красители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, катализаторы (текстолит, гетинакс и др.).
Введение добавок производится с целью воздействия на межмолекулярные силы полимеров, придания им специфических свойств.
Наполнители вводятся в количестве 40…70% (по массе) для улучшения механических свойств пластмасс, уменьшения усадки при отверждении, повышения стойкости к действию различных сред, снижения их стоимости. По типу наполнителя пластмассы классифицируют на: порошковые (древесная мука, графит, тальк и др.); волокнистые (хлопчатобумажные очёсы, стекловолокно); слоистые (бумага, хлопчатобумажная или стеклянная ткань, древесный шпон); крошкообразные (кусочки ткани, древесного шпона); газонаполненные (воздух или нейтральные газы, способствующие образованию замкнутоячеистой структуры – пенопласты – или сообщающихся пор – поропласты).
Пластификаторы (камфора, дибутилфталат, олеиновая кислота и др.) вводятся в количестве 10…20% для повышения пластичности массы при повышенной температуре и придания большей упругости и морозостойкости отформованному изделию.
Стабилизаторы (крахмал, желатин, свинцовый сурик Pb3O4 и др.) вводятся для придания пластмассам термостабильности, замедления процессов старения.
Отвердители (органические перекиси и др.) вводятся для «сшивания» макромолекул, превращающего линейную структуру полимера в трёхмерную.
Катализаторы (оксиды кальция , магния и др.) вводятся для сокращения времени отвердевания.
По отношению к тепловому воздействию пластмассы делятся на две большие группы: термопластичные и термореактивные.
Термопластичные пластмассы (термопласты). Основу их составляют полимеры, имеющие линейную или разветвлённую структуру. При тепловом воздействии термопласты не претерпевают химических превращений и не теряют способности к повторной переработке. Термопласты делят на неполярные и полярные.
К наиболее известным неполярным термопластам относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен.
Полиэтилен (– СН2 – СН2 –)n – продукт полимеризации этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. По плотности подразделяется на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55-65% кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74-95%.
Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре до 60С. Морозостойкость достигает -60С. Это очень дешёвый, лёгкий, химически стойкий материал. Недостатком является его подверженность старению (для защиты вводят стабилизаторы и ингибиторы). Применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, плёнок, ёмкостей для агрессивных жидкостей и т.п.
Полистирол (– СН2 – СН –)n – твёрдый, прозрачный, аморфный продукт полимериза-
С6Н5
ции стирола. Удобен для механической обработки хорошо окрашивается, растворим в стироле и бензоле, не растворим в спиртах и бензине. Полистирол – хороший диэлектрик, широко применяется в качестве электроизоляционного материала для высокочастотной техники.
Политетрафторэтилен (фторопласт-4, тефлон) (– CF2 – CF2 –)n – аморфно-кристаллический полимер. До температуры 250С скорость кристаллизации мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно эксплуатировать можно только до этой температуры, выше 415С материал разрушается. Фторопласт-4 обладает высокой химической стойкостью к кислотам, растворам щелочей, органическим растворителям, наилучшей морозостойкостью (до -195С), хорошими антифрикционными и диэлектрическими свойствами. Из него изготавливают трубы, шланги, насосы, мембраны, уплотнительные прокладки, защитные покрытия металлов и др.
К наиболее известным полярным термопластам относятся поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полиамиды.
Поливинилхлорид ( – СН2 – СНСl –)n – аморфный полимер. Белое твердое вещество, плотность 1350-1430 кг/мЗ, выше 10ОоС разлагается с выделением НС1. Растворим в дихлорэтане, нитробензоле и др., устойчив к влаге, кислотам, щелочам, растворам солей, нефти, углеводородам. При введении в поливинилхлорид до 10% пластификатора получают жесткий материал с высокими показателями механических свойств – винипласт, используемый в производстве антикоррозийных труб, листов, плёнок и др. При содержании до 40% пластификатора получается эластичный и морозостойкий материал – пластикат, который применяется для изготовления гибких листов, фасонных изделий, изоляций кабелей, товаров народного потребления. Дисперсии порошкообразного поливинилхлорида в пластификаторах – пластизоли. Применяется в производстве искусственной кожи, покрытий полов, обуви, перчаток. Из растворов полихлорвинила в органических растворителях получают плёнки и волокна.
Полиметилметакрилат (органическое стекло) – прозрачный бесцветный аморфный материал, более, чем в 2 раза, легче неорганического стекла, пропускает 75% ультрафиолетового излучения (силикатное – 0,5%). При 80С оргстекло начинает размягчатся; при 105 - 150С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Выпускают в виде листов толщиной от 0,8 до 24 мм. Применяется в авиации, светотехнике и др.
Полиамиды – это группа пластмасс с известными названиями: капрон, нейлон, анид и др. В составе макромолекул полимера присутствует амидная группа (– NH – CO –), а также метиленовые группы (– СН2 –), повторяющиеся от 2 до 10 раз. Общая формула полиамидов имеет вид: – NH – CO – (CH2)m – NH – CO – (CH2)n –
Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, плёнки, волокна и др.
Термореактивные пластмассы (реактопласты). Основу этих пластмасс составляют полимеры, которые в процессе отверждения приобретают сетчатую структуру с высокой прочностью поперечных связей. Полимеры при этом претерпевают химические изменения и необратимо теряют способность к повторному формованию. Реактопласты относятся к сложным пластмассам: в их состав входят наполнители, отвердители и др. Для изготовления реактопластов в качестве связующих применяют фенолоформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы. Основные требования к ним: высокая клеящая способность (адгезия), прочность, термостойкость, химическая стойкость, небольшая усадка, электроизоляционные свойства и др.
Реактопласты подразделяют на пресс-порошки, компаунды, волокниты и слоистые пластики.
Пресс-порошки получают на основе фенолоформальдегидных смол (фенопласты) и карбамидных смол. В качестве наполнителей применяют молотый тальк, цемент, древесную муку, сажу и др. Из пресс-порошков изготовляют электроизоляционные детали, бытовые изделия и др.
Компаунды получают на основе кремнийорганических полимеров с применением в качестве наполнителей кварцевого порошка, асбеста и т.п. Компаунды отличаются хорошими электроизоляционными свойствами, повышенной термостойкостью (до 300С).
Фенолоформальдегидные смолы являются также основой волокнитов, асбоволокнитов и стекловолокнитов. В качестве наполнителей применяются соответственно хлопковые очёсы, асбестовое и стеклянное волокно. Волокниты имеют высокую ударную вязкость по сравнению с пресс-порошками и применяются для изготовления шкивов, маховиков и др. Асбоволокниты отличаются термостойкостью (до 200С), хорошими фрикционными свойствами: идут для изготовления деталей тормозных устройств. Стекловолокниты применяются для изделий с повышенной механической прочностью и термостойкостью (корпусная изоляция коллекторов электромашин и т.д.).
Из конструкционных слоистых термореактивных материалов следует выделить гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.
Гетинакс – дешёвый электроизоляционный материал, получаемый на основе фенолоформальдегидных и карбамидных смол с использованием в качестве наполнителя различных сортов бумаги. Гетинаксы применяются в электротехнике и в качестве облицовочного декоративного материала.
Текстолит – слоистый материал, полученный путём горячего прессования уложенной правильными слоями хлопчатобумажной ткани (бязь, батист, шифон, саржа и др.), пропитанной фенолоформальдегидной смолой. Имеет хорошие физико-механические свойства, масло- и бензостойкий. Применяется для изготовления прокладочных колец, шестерён, вкладышей подшипников, различных деталей в электро- и радиотехнике.
Стеклотекстолит – материал, в котором в качестве наполнителя используется стеклоткань. Хороший диэлектрик. Применяется в радиотехнике, малом судостроении и т.п.
6.4. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТЁКЛА, СИТАЛЛЫ, КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
6.4.1. Неорганическое стекло
Неорганическое стекло – это аморфное вещество, получающееся в результате быстрого охлаждения сложного расплава высокой вязкости кислотных и основных оксидов. Неорганическое стекло характеризуется неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.
Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами [SiO4]-4. При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например, на алюминий или бор образуется структурная сетка алюмосиликатного или боросиликатного стекла. Ионы щелочных (Na, K) и щелочноземельных (Ca, Mg, Ba) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок. Введение Na2O или других модификаторов разрывает прочные связи Si – O – Si и снижает термо- и химическую стойкость стекла, облегчая технологию его производства.
В состав неорганических стёкол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку, и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стёкла являются сложными многокомпонентными системами.
Стёкла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.
В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стёкла подразделяют на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (Al2O3 – SiO2), боросиликатные (B2O3 – SiO2), алюмоборосиликатные (Al2O3 – B2O3 – SiO2), алюмофосфатные (Al2O3 – P2O5) и др. По содержанию модификаторов стёкла бывают щелочными (содержащие оксиды Na2O, K2O), бесщелочными и кварцевыми. По назначению стёкла подразделяются на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посуда, зеркала и т.п.).
Стёкла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.
6.4.2. Ситаллы (стеклокристаллические материалы)
Ситаллы получают на основе неорганических стёкол путём их полной или частичной управляемой кристаллизации. Термин «ситаллы» образован из слов: стекло и кристаллы. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стёкол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов – более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.
Ситаллы получают путём плавления стекольной шихты специального состава с добавлением нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до пластического состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии и последующей ситаллизации (кристаллизации). Ситалловые изделия получают также методом спекания порошков.
В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят оксиды Li2O, Al2O3, SiO2, MgO, CaO и др., а также нуклеаторы, к которым относятся соли Au, Ag, Cu, являющиеся коллоидными красителями и находящиеся в виде мельчайших частиц, фтористые и фосфатные соединения, TiO2 и другие, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек. Нуклеаторы имеют кристаллическую решётку, подобную выделяющимся из стекла кристаллическим фазам, и способны в определённых условиях образовывать центры кристаллизации, приводя к равномерному закристаллизовыванию всей массы стекла. Ситаллы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.
Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами – коллоидными красителями. Фотохимический процесс протекает при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется. Процесс кристаллизации происходит при повторном нагревании.
Термоситаллы получаются из стёкол систем MgO – Al2O3 – SiO2, CaO – Al2O3 – SiO2 и других с добавками TiO2, FeS и нуклеаторов. Кристаллическая структура ситалла создаётся только в результате повторной термообработки предварительно отформованных изделий.
Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катализаторов (сульфаты, порошки железа и др.); вводятся соединения фтора для усиления ситаллизации.
Структура ситаллов многофазная, состоит из зёрен одной или нескольких кристаллических фаз, скреплённых между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95%. Размер кристаллов обычно не превышает 1 – 2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными.
В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситаллов изотропны. В низ совершенно отсутствует всякая пористость. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к дефектам поверхности.
Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, детали радиоэлектроники, лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей, фильеры для вытягивания синтетических волокон. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур.
6.4.3. Керамические материалы
Керамика – неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200 – 2500С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.
Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава. Такая керамика содержит минимальное
количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.
Кристаллическая фаза представляет собой определённые химические соединения или твёрдые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других основных свойств.
Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1 – 10% стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако, стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.
Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, т.к. снижается механическая прочность материала.
Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для её получения применяют специфические технологические приёмы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Материаловедение и технология металлов [Текст]: учебник для вузов/ Под ред. Г.П.Фетисова. – М.: Высшая школа, 2007. – 638 с.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение [Текст]: учебник для вузов – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
3. Алаи С.И., Григорьев П.М., Ростовцев А.Н. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник для педвузов / Под ред. А.Н.Ростовцева.– М.: Просвещение, 1986.–304 с.
4. Колесник П.А.. Материаловедение на автомобильном транспорте [Текст]:учебник для вузов / П.А.Колесник, В.С.Кланица. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 320 с.
5. Мозберг Р.К. Материаловедение [Текст]: учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1991.-448 с.
6. Пейсахов А.М. Материаловедение [Текст]: конспект лекций. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2000. – 73 с.
7. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия [Текст]: учебник для вузов – 4-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2002. – 743 с.
8. Гуляев А.П. Металловедение [Текст]: учебник для студентов высших технических учебных заведений – 5-е перераб. изд. – М.: Металлургия, 1978. – 448 с.
9. Марочник сталей и сплавов [Текст]: справочник / Под общ. ред. В.Г.Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
10. Конструкционные материалы [Текст]: справочник./ Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова.- М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.
11. Барташевич А.А., Бахар Л.М. Материаловедение [Текст]: учебное пособие для проф-техучилищ. – Мн.: УП «Технопринт», 2002. – 246 с.
12. Михайличенко А.Л., Садовничий Ф.П. Древесиноведение и лесное товароведение [Текст]: учебник для ПТУ – 5-е изд., перераб. И доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 190 с.