Неметаллические материалы

слабо полярен, он обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Диапазон

рабочих температур СКТ составляет от —60 до + 250°С. Низкая адгезия,

присущая кремнийорганическим соединениям (вследствие их слабой полярности),

делает СКТ водостойким и гидрофобным (например, применяется для защиты от

обледенения). В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую

механическую прочность, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется

истиранию. При замене метильных групп (СН3) на другие радикалы получают

другие виды силоксановых каучуков. Каучук с винильной группой (СКТВ)

устойчив к тепловому старению и обладает меньшей текучестью при сжатии,

температура эксплуатации от - 55 до. + 300°С. Вводя фенильную группу

(С6Н5), получают каучук (СКТФВ), обладающий повышенной морозостойкостью (-

-80 - 100°С) и сопротивляемостью действию радиации. Можно сочетать

различные радикалы, обрамляющие силоксановую связь. Так,

фенилвинилсилоксановый каучук имеет повышенные механические свойства. Если

ввести в боковые группы макромолекулы СКТ атомы F или - CN, приобретается

устойчивость к топливу и маслам. Введение в основную цепь атомов бора,

фосфора и др. дает возможность повысить теплостойкость резин до 350 -4000С

и увеличить их клеящую способность.

Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие

температуры стеклования. Например, резины на основе СКС-10 и СКД могут

работать при температуре до — 600С; НК, СКБ, СКС-30, СКН до - 50°С, СКТ

ниже - 75°С.

Светоозоностойкие резины вырабатывают на основе насыщенных каучуков —

фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП), бутилкаучука.

Фторсодержащие каучуки получают сополимеризацией ненасыщенных

фторированных углеводородов (например, CF2 = CFC1, СН2 = CF2 и

др.).Отечественные фторкаучуки выпускают под марками СКФ-32, СКФ-

26;зарубежные — Кель-эф и Вайтон. Каучуки устойчивы к тепловому старению,

маслам, топливу, различным растворителям, даже при повышенных:

температурах, негорючи. Вулканизованные резины обладают высоким

сопротивлением истиранию. Теплостойкость длительная (до 300°С).

СКЭП — сополимер этилена с пропиленом — представляет собой белую

каучукоподобную массу, которая обладает высокой прочностью и эластичностью,

очень устойчива к тепловому старению, имеет хорошие диэлектрические

свойства. Кроме СКЭП выпускают тройные сополимеры СКЭПТ (за рубежом близкие

по свойствам каучуки - висталом и.дутрал).

Резины на основе фторкаучуков и этиленпропилена стойки к действию»

сильных окислителей (HNO3, H2O2 и др.), применяются для уплотнительных

изделий, диафрагм, гибких шлангов и т. д., не разрушаются при работе в

атмосферных условиях в течение нескольких лет.

Бутилкаучук получается совместной полимеризацией изобутилена с небольшим

количеством изопрена (2 — 3%). ;

В бутилкаучуке мало ненасыщенных связей, вследствие чего он обладает

стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук

кристаллизующийся, что позволяет получать материал с высокой механической

прочностью (хотя эластические свойства низкие). Каучук обладает высоким

сопротивлением истиранию и высокими диэлектрическими характеристиками. По

температуростойкости уступает другим резинам.

Бутилкаучук — химически стойкий материал. В связи с этим он в. основном

предназначен для работы в контакте с концентрированными кислотами и другими

химикатами; кроме того, его применяют в шинном: производстве.

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков-СКУ.

Полиуретановые каучуки обладают высокой прочностью, эластичностью,

сопротивлением истиранию, маслобензостойкостью. В структуре каучука нет

ненасыщенных связей, поэтому он стоек к кислороду и озону, его

газонепроницаемость в 10 — 20 раз выше, чем у НК. Рабочие температуры резин

на его основе составляют от - 30 до + 130°С. На основе сложных полиэфиров

вырабатывают СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основе простых полиэфиров - СКУ-ПФ,

СКУ-ПФЛ. Последние отличаются высокой морозостойкостью (для СКУ-ПФ. tхр = -

75°С, для СКУ-50 txp = = — 35СС) и гидролитической стойкостью. Уретановые

резины стойки к воздействию радиации. Зарубежные названия уретановых

каучуков — адипрен, джентан S, эластотан. Резины на основе СКУ применяют

для автомобильных шин, для транспортировки абразивных материалов, обуви.

Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низ-' кие

температуры стеклования. Например, резины на основе СКС-10 и СКД; могут

работать при температуре до — 60сС; НК, СКБ, СКС-30, СКН до - 50°С, СКТ

ниже - 75°С.

Светоозоностойкие резины вырабатывают на основе насыщенных каучуков —

фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП), /бутилкаучука.

Фторсодержащие каучуки получают сополимеризацией ненасыщенных.;:

фторированных углеводородов (например, CF2 = CFC1, СН2 = CF2 и др.)..г

Отечественные фторкаучуки выпускают под марками СКФ-32, СКФ-26;; зарубежные

— Кель-эф и Вайтон. Каучуки устойчивы к тепловому старению, маслам,

топливу, различным растворителям, даже при повышенных: температурах,

негорючи. Вулканизованные резины обладают высоким сопротивлением истиранию.

Теплостойкость длительная (до 300°С).

СКЭП — сополимер этилена с пропиленом — представляет собой белую»

каучукоподобную массу, которая обладает высокой прочностью и эластичностью,

очень устойчива к тепловому старению, имеет хорошие диэлектрические

свойства. Кроме СКЭП выпускают тройные сополимеры СКЭПТ' (за рубежом

близкие по свойствам каучуки - висталом и.дутрал).

Резины на основе фторкаучуков и этиленпропилена стойки к действию

сильных окислителей (HNO3, H2O2 и др.), применяются для уплотнительных

изделий, диафрагм, гибких шлангов и т. д., не разрушаются при работе в

атмосферных условиях в течение нескольких лет.

Бутилкаучук получается совместной полимеризацией изобутилена с небольшим

количеством изопрена (2 — 3%).

В бутилкаучуке мало ненасыщенных связей, вследствие чего он обладает

стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук

кристаллизующийся, что позволяет получать материал с высокой механической

прочностью (хотя эластические свойства низкие). Каучук обладает высоким

сопротивлением истиранию и высокими диэлектрическими характеристиками. По

температуростойкости уступает другим резинам.

Бутилкаучук — химически стойкий материал. В связи с этим он в. основном

предназначен для работы в контакте с концентрированными кислотами и другими

химикатами; кроме того, его применяют в шинном производстве.

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков-СКУ.

Полиуретановые каучуки обладают высокой прочностью, эластичностью,

сопротивлением истиранию, маслобензостойкостыо. В структуре каучука нет

ненасыщенных связей, поэтому он стоек к кислороду и озону, его

газонепроницаемость в 10 — 20 раз выше, чем у НК. Рабочие температуры резин

на его основе составляют от — 30 до + 130°С. На основе сложных полиэфиров

вырабатывают СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основе простых полиэфиров - СКУ-ПФ,

СКУ-ПФЛ. Последние отличаются высокой морозостойкостью (для СКУ-ПФ' txp =

- 75С, для СКУ-50 txp 4 = — 35СС) и гидролитической стойкостью. Уретановые

резины стойки к воздействию радиации. Зарубежные названия уретановых

каучуков — адипрен, джентан S, эластотан. Резины на основе СКУ применяют

для автомобильных шин, транспортерных лент, обкладки труб и желобов для

транспортировки абразивных материалов, обуви и др.

Электротехнические резины включают электроизоляционные и

электропроводящие резины. Электроизоляционные резины, применяемые для

изоляции токопроводящей жилы проводов и кабелей, для специальных перчаток и

обуви, изготовляют только на основе неполярных каучуков НК, СКБ; СКС, СКТ и

бутилкаучука. Для них pv. == 1011 ~ 1015 Ом-см, s =• = 2,5-4, tg ? = 0,005

ч-0,01.

Электропроводящие резины для экранированных кабелей получают из НК, СКН,

наирита, особенно из полярного каучука СКН-26 с введением в состав

углеродной сажи и графита (65 — 70%). Для них pv — 102 н-104 Ом-см.

Резину, стойкую к гидравлическим жидкостям, используют для уплотнения

подвижных и неподвижных соединений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов;

для работы в масле применяют резину на основе СКН, набухание которой в

жидкости не превышает 1-4%. Для кремнийорганических жидкостей применимы

неполярные резины на основе НК, СКМС-10 и др.

4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

При растяжении резины происходит разрыв цепей вулканизационной сетки, при

этом более слабые и легко перегруппировывающиеся связи способствуют

релаксации перенапряжений и облегчают ориентацию главных цепей. Более

прочные связи сохраняют целостность сетки при больших деформациях.

Для каучуков и резины характерны большие деформации при сравнительно

низких напряжениях. Напряжения зависят от времени действия силы и от

скорости деформирования, т. е. являются релаксационными. Механические

свойства зависят от соотношения энергии межмолекулярного взаимодействия и

энергии теплового движения звеньев. "Релаксация убыстряется при нагревании

(энергичнее тепловое движение), поэтому для резин характерна резко

выраженная зависимость механических свойств от температуры. Напряжение в

процессе релаксации достигает равновесного значения. В связи с этим

механическое поведение резины определяется ее упругими

(высокоэластическими) свойствами при равновесии и релаксационными

свойствами. Большое влияние на долговечность материала оказывает старение.

Резинам присущи очень высокие обратимые деформации порядка 1000% и больше

(для стали < 1%), в них может происходить перегруппировка

структурных элементов в поле межмолекулярного взаимодействия — физическая

релаксация и распад и перегруппировка химических связей — химическая

релаксация. Резины на основе полярных каучуков имеют замедленную

релаксацию. Мягчители ее убыстряют (уменьшая связь между молекулами).

Замедляют релаксацию активные наполнители вследствие сорбции молекулярных

цепей каучука на частицах наполнителя, и состояние равновесия не наступает

(ограничена подвижность молекул, ее жесткость).

Восстановление представляет собой изменение величины деформации во

времени после снятия нагрузки с образца; внутренние силы в резине приходят

в равновесие медленно, поэтому упругое последствие в статических условиях

проявляется длительно. В резине наблюдается остаточная деформация.

Восстанавливаемость резины характеризует ее эксплуатационные качества.

Прочность резины зависит от регулярности строения полимера и энергии

взаимодействия между звеньями его молекул. Переход в кристаллическое

состояние облегчается ориентацией молекулярных цепей при деформации резины.

Быстро кристаллизуются в процессе деформации НК, бутилкаучук, хлоропрен и

СКИ, для них ?в == 2 - 3 кгс/мм2, даже без наполнителей. Кроме прочности

при разрыве, для резин определяется сопротивление раздиру — Важная

характеристика чувствительности резины к концентрации напряжения1.

По гистерезисной диаграмме вычисляется полезная упругость резины как

отношение работы, возвращенной деформированным образцом, к общей работе,

затраченной на эту деформацию (рис. 4).

Рис.4. Диаграмма напряжение — удлинение резины,

получаемая в цикле растяжение — восстановление с

заданной скоростью деформации:

АБВЕА — работа растяжения;

АБВГДА — работа необратимо рассеянная;

ДГВЕД--- возвращенная работа

А Д

В условиях динамического нагружения (переменные циклические нагрузки)

свойства резины определяются упругогистерезисными и усталостно-прочностными

характеристиками. Эти свойства необходимо учитывать при применении резины в

шинах, муфтах, рессорах, амортизаторах и т.. п., где они являются решающими

для хорошей работоспособности, надежности, долговечности. Резины из НК (по

сравнению с СКВ) отличаются малым внутренним трением, которое определяет

весьма благоприятные гистерезисные свойства.

Усталостно-прочностные свойства резин определяются их утомлением, когда

под действием механических напряжений происходит разрушение. Утомлению

способствует также воздействие света, теплоты, агрессивных сред и т. п.

Последние факторы вызывают старение. Число циклов нагружения, которое

выдерживает, не разрушаясь, образец, называется усталостной выносливостью.

Усталостному разрушению очень способствует действие озона, вызывающее

растрескивание поверхностного слоя, особенно для резин на основе НК, СКИ,

СКВ, СКС и др. Почти не подвержены озонному растрескиванию резины на основе

бутилкаучука и хлоропренового каучука. По работоспособности при нагревании

резины из НК вследствие пониженной химической стойкости даже не превосходят

резин из СКВ. Для обеспечения высокой усталостной прочности необходимы

высокая прочность, малое внутреннее трение и высокая химическая стойкость

резины. При повышенных температурах (150°С) органические резины теряют

прочность после 1 -10 ч нагревания, резины на СКТ могут при этой

температуре работать длительно. Прочность силоксановой резины при комнатной

температуре меньше, чем у органических резин, однако при 200°С прочности

одинаковы, а при температуре 250 — 300°С прочность даже выше. Особенно

ценны резины на СКТ при длительном нагревании.

Воздействие на резину отрицательных температур вызывает снижение и даже

полную утрату высокоэластических свойств, переход в стеклообразное

состояние и возрастание ее жесткости в тысячи и десятки тысяч раз.

Старение резины наблюдается при хранении и эксплуатации резиновых изделий

под воздействием немеханических факторов. Свет, теплота, кислород воздуха,

озон вызывает химические реакции окисления и другие изменения каучука.

Механические напряжения могут активизировать эти процессы. Испытание на

старение проводят как в естественных, так и в искусственных условиях.

Процесс старения по-разному сказывается на резинах. Наихудшие показатели

при тепловом старении имеют резины на хлоропреновом каучуке, у резин из СКТ

происходит некоторое упрочнение, не меняется прочность резин из СКЭП; по

относительному удлинению лучше показатели у резин на основе ненасыщенных

каучуков. Следует отметить низкую стойкость к тепловому старению резин из

НК.

Физико-механические свойства каучуков и резин даны в табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства каучуков и саженаполненных резин

Граб |0,81 |5,3 |13.4 |12,1 |1,41 |1.77 |0,48 |7.01 |7.17 |8,25~ |_ |_ |_

| |Дуб |0,76 |5,1 |- |8,91 |1.10 |1,25 |0,46. |5.36 |5.68 |6,53 |1,40

|1,40 |1.51 | |Клен |0,70 |5,2 |_ |10,5 |1.13 |1.29 |0.37 |5,06 |5.37 |6,90

|— |— |— | |Ясень |0,69 |4,9 |13.9 |10,8 |1,2 |1.22 |0.43 |5,34 |6.09 |7,32

|1,50 |1,40 |1.28 | |Бук |0,68 |4,7 |11,7 |9.53 |1,06 |1,32 |0,39 |3,94

|4,03 |5,56 |— |— |— | |Береза |0,64 |4,6 |16,1 |9,67 |0..8 |1,02 |0,45

|3,36 |3,00 |4,23 |1,58 |1,81 |1.51 | |Липа |0,50 |3,9 |11.5 |7,75 |0,7

|0.74 |0,28 |1,56 |1.63 |2 34 |_ |— |— | |Осипа |0.50 |3,7 |12.0 |6,86

|0.5 |0,78 |0.41 |1,75 |1,83 |2,41 |1,26 |1,54 |1,10 | |

больше, чем ас. Модули упругости при растяжении и сжатии примерно равны,

в продольном направлении их значение в 10 — 30 раз больше, чем в

поперечном. Вдоль волокон Ј = = (1,17 ~ 1,58) 103 кгс/мм2.

При ударных нагрузках сопротивление ударному изгибу вязких пород (ясеня,

дуба) в 1,5 — 3 раза выше, чем хрупких хвойных пород (сосны, ели,

пихты). Прочность древесины зависит от скорости нагружения: чем медленнее

прикладывается нагрузка, тем меньше величина предела прочности. Со временем

сопротивление древесины постепенно уменьшается и достигает некоторого

предела долговременного сопротивления, при котором деревянная деталь может

работать неопределенно долгое время (рис. 234). Для всех видов напряженного

состояния древесины величина длительного сопротивления принимается равной

2/3 предела прочности.

При вибрационных нагрузках необходимо учитывать усталость (или

выносливость) древесины. Предел выносливости сте всегда меньше статического

предела прочности аст. Отношение ств/стСт при изгибе составляет для разных

пород 0,24 — 0,38:

Защита древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения. В условиях

эксплуатации или хранения древесины на открытом воздухе ее влажность может

значительно увеличиваться и вызывать загнивание деревянных элементов. Для

борьбы с этим недостатком применяют гидроизоляционные прокладки,

лакокрасочные покрытия и антисептирование.

Антисептики представляют собой водные растворы минеральных солей

(фтористого натрия, хлористого цинка, медного купороса и др.) и спиртовые

растворы оксидифенила и ртутноорганических соединений. Антисептирование

производят путем промазки, опрыскивания, пропитки под давлением.

Древесина; легко воспламеняется от огня (точка воспламенения 330-470°С).

Для повышения ее огнестойкости (хотя сделать древесину совсем несгораемой

нельзя) применяют ряд способов. Первый и наиболее эффективный способ защиты

— пропитка химическими веществами — антипиренами, второй - окраска

огнезащитными красками. В качестве антипиренов используют аммониевые соли и

соли фосфорной кислоты или борной кислоты. Огнезащитные краски должны быть

негорючими и нетеплопроводными. К ним относятся силикатные краски на основе

жидкого стекла и перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия.

3. РАЗНОВИДНОСТИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы из натуральной древесины применяют в виде пиломатериалов и

заготовок. В зависимости от размеров поперечного сечения различают брусья,

ширина и толщина которых свыше 100 мм; бруски шириной не более двойной

толщины; доски при ширине более двойной толщины (тонкие узкие доски

называются планками).

Пиломатериалы хвойных пород применяют более широко, поскольку они

обладают высокой прочностью, меньше подвержены загниванию, особенно сосна;

из лиственных пород дуб и ясень хорошо поддаются гнутью; бук и береза

служат их заменителями. Хвойные и твердые лиственные породы применяют для

силовых нагруженных деталей. Мягкие породы (липа) являются несиловыми

материалами. Хвойные пиломатериалы используют в судостроении, в

автотранспорте (детали грузовых автомобилей), в конструкциях грузовых

железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных машин и т. д. Заготовки из

древесины используются для тех же целей и моделей.

Шпон — широкая ровная стружка древесины, получаемая путем лущения или

строгания. Толщина листов шпона от 0,55 до 1,5 мм. Шпон является

полуфабрикатом для изготовления фанеры, древесных слоистых пластиков и

выклейки гнутых деталей. Шпон с красивой текстурой (дуб, бук и др.)

используется в качестве облицовочного материала для изделий из древесины.

Фанера — листовой материал, получаемый путем склейки слоев шпона. Толщина

фанеры от 1 до 12 мм, более толстые материалы называют плитами. В

зависимости от склеивающего шпон клея и степени водостойкости фанера

выпускается следующих марок: ФСФ на фенолоформальдегидном клее с повышенной

водостойкостью, ФК — на карбамидном и ФБА на альбуминоказеиновом клеях со

средней водостойкостью и ФБ на белковых клеях ограниченной водостойкости.

Березовая фанера имеет вдоль волокон рубашек ?в = 6,5 -г 8 кгс/мм2.

Прессованная древесина получается при горячем прессовании брусков, досок,

заготовок, при этом она подвергается специальной термообработке в

уплотненном состоянии.

Прессованная древесина имеет следующие свойства: объемную массу 1,1-1,42

г/см3, предел прочности вдоль волокон при растяжении 14-23 кгс/мм2, при

сжатии 9-13 кгс/мм2, при изгибе 15-20 кгс/мм2, ударную вязкость 60-80 кгс-

см/см2.

Прессованная древесина является заменителем черных и цветных металлов и

пластмасс. Она широко применяется для изготовления деталей машин,

работающих при ударных нагрузках (кулачки, сегменты зубчатых передач,

подшипники, втулки и т. д.). Вкладыши из древесины по сравнению с

бронзовыми имеют вдвое меньший износ, снижается расход смазочного масла.

Древесностружечные плиты изготовляют горячим прессованием древесной

стружки со связующим. Плиты выпускают однослойными (ПС-1, ПТ-1),

трехслойными (ПС-3, ПТ-3) и облицованными шпоном, фанерой, бумагой (ЭС,

ЭМ).

. Древесностружечные плиты легкие, имеют объемную массу 0,35-0,45 г/см3,

?и = 0,5 кгс/мм2, обладают теплоизоляционными свойствами [? = = 0,045

ккал/(м ? ч°С)]. Для тяжелых и сверхтяжелых плит объемная масса достигает

0,75—1,1 г/см3 и ?„ = 2,1 - 5,3 кгс/мм2. Древесностружечные плиты применяют

для пола и бортов грузовых машин и прицепов, в вагоностроении, в

строительстве, для производства мебели и т. д.

Древесноволокнистые плиты изготовляют из древесных волокон (размельченной

древесины), иногда с добавками связующих составов. Под действием высокой

температуры и большого давления древесные волокна спрессовываются в

равнопрочный материал. Плиты подразделяют на мягкие пористые (М-4, М-12, М-

20), полутвердые (ПТ-100), твердые (Т-350 Т-400) и сверхтвердые (СТ-500). В

обозначении марки плит цифры означают ?„ в кгс/см2. В промышленности

выпускают также акустические плиты, имеющие коэффициент звукопоглощения 0,2-

0,3 при частоте колебаний 300 Гц и 0,4-0,5 при 1000 Гц. Древесноволокнистые

плиты применяют для облицовки пассажирских вагонов, внутренней отделки

автобусов в радиотехнической промышленности, в строительстве и т.д.

_______НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ_______

Неорганическим материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к

нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая

твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они

обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур,

слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям и имеют большую

плотность По сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом окислы и

бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических

материалов -содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти

материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время

применяют не только соединения кремния, но и чистые окислы алюминия,

магния, циркония и др., обладающие более ценными техническими свойствами,

чем обычные силикатные материалы.

Неорганические материалы подразделяют на неорганическое стекло,

стеклокристаллические материалы — ситаллы и керамику.

1. НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший

раствор — сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния

вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое

аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания вязкости беспорядочная

структура, свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается;). В

связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и

неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную

пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами [SiO4]4-

. На рис. 8 (а) показана такая сетка кварцевого стекла. При частичном

изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например, на алюминий или бор,

образуется структурная сетка алюмосиликатного [SixAlO4]z- ~ или

боросиликатного [SixBO4]z- стекол. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных

(Са, Mg, Ва) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла

они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (рис. 8(б)).

Введение Na2O или других модификаторов разрывает прочные связи Si — О — Si

и снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно

облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую

структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

[pic]

Рис. 8. Структура неорганического стекла:

а - кварцевого;

6 - натрийсиликатного

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие окислы кремния,

бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и

модифицирующие окислы натрия, калия, лития, кальция, магния, бария,

изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав

стекла вводят окислы алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др.,

которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично

замещать стеклообразующие и этим сообщать стеклу нужные технические

характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными

многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стекло образующему веществу,

по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической природы стекло образующего вещества стекла

подразделяют на силикатные (SiO2),

алюмосиликатные (А12О3 —SiO2),

боросиликатные (В2О3 — SiO2),

алюмоборосиликатные (А12ОЭ — В2О3 — SiO2),

алюмофосфатные (А12О3—РгО5) и др.

По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими окислы

Na2O, К2О), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла

подразделяют на технические (оптические, светотехнические,,

электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные

(оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара,

посудные,

бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и

отличаются разнообразием входящих окислов. Стекла выпускаются

промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей!

Общие свойства стекла. При нагревании стекло плавится в некотором

температурном интервале, который зависит от состава. Для промышленных

силикатных стекол температура стеклования te = 425 - 600"С, температура

размягчения tp лежит в .пределах

600 — 800сС. В интервале температур между t0 и tр стекла находятся в высоко

вязком пластическом состоянии. При температурах выше tp (1000—1100°С)

проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия.

Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность колеблется

от 2,2 до 6,5 г/см3 (с окислами свинца, бария —до 8 г/см3).

Механические свойства стекла- характеризуются высоким сопротивлением

сжатию (50 — 200 кгс/мм-2), низким пределом прочности при растяжении (3 — 9

кгс/мм2) и изгибе (5 —15 кгс/мм2).. Модуль упругости высокий (4500 до 104

кгс/мм2), коэффициент Пуассона ?. = 0,184 -0,26. Твердость стекла, как и

других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом

царапания по минералогической шкале Мооса и равна 5—7 единицам (за 10

единиц принята твердость алмаза, за единицу — талька). Ударная вязкость

стекла низкая, оно хрупкое {а = 1,54-2,5 кгс-см/см2). Более высокие

механические характеристики имеют стёкла бесщелочного состава и кварцевые.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические

свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание, поглощение и

преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90%,

отражает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного

света; ультрафиолетовые лучи поглощает почти полностью. Кварцевое стекло

является прозрачным для ультрафиолетовых лучей. Коэффициент преломления

стекол составляет 1,47 — 1,96, коэффициент рассеяния (дисперсии) находится

в интервале от 20 до 71. Стекло с большим содержанием РЬО поглощает

рентгеновские лучи.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных

изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую

стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде

(0°С). Коэффициент линейного расширения а стекла составляет от 5,6-10" 7

1/°С (кварцевое) до 90-10~7 1/°С (строительное), коэффициент

теплопроводности—от 0.57 до 1,3 ккал/(м-ч°С). Для большинства видов стекол

термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она

составляет 800 — 1000°С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих"

их компонентов: окислы SiO2, ZrO2 , TiO2, B2O3, AI2O3, CaO, MgO, ZnO

обеспечивают высокую химическую стойкость, а окислы Li2O, Na2O, K2O, BaO u

РЬО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая

прочность и термостойкость стекла могут' быть повышены путем закалки и

термохимического упрочнения.

Закалка, заключается в нагреве стекла до температуры выше tc и

последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в.

масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3 — 6

раз, ударная вязкость в 5 —7 раз. При закалке повышается также

термостойкость стекла..

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры

стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых

кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала

образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению

с результатом обычной закалки, упрочнение. Повышение прочности и

термостойкости можно получить травлением за* каленного стекла плавиковой

кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его

качество.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла

(толщиной 2 — 3 мм), склеенные прозрачной, эластичной полимерной пленкой.

При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на

полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими' и гнутыми.

Термопан — трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного

промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических стекол. Для остекления транспортных средств

используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах,

подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты— с

высоким содержанием окиси свинца и большими значениями коэффициента

преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновские и лучи.

Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление кабин и.помещений, где находятся пульты управления

мартеновских и электрических дуговых печей, прокатных станов и подъемных

кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими окислы железа и

ванадия, которые поглощают около 70% инфракрасного излучения в интервале

длин волн 0,7 — 3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости

применяют для тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды.

Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное

кварцоидное стекло используют для электроколб, форм для точного литья и

т.д.

Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные

ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов,

фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы. Эти материалы имеют

рыхловолокнистую структуру с большим количеством воздушных прослоек,

волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим

материалам малую объемную массу (от 20 до 130 кг/м3) и низкую

теплопроводность [?= 0,030-0,0488 ккал/(м-ч-0С)].

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата,

применение которой ограничено ее хрупкостью; материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3,

состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани

или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале

температур от — 60 до 450 —600°С. Иногда стекловолокна сочетают с

термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру

(материал АТИМСС), рабочие температуры — до 150°С. Материалы,

вырабатываемые из короткого волокна и синтетических смол, называются

плитами. Коэффициент звукопоглощения плит при частоте 200-800 Гц равен

0,5; при частоте 8000 Гц - 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин

самолетов, кузовов автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов,

электровозов, корпусов судов, в холодильной технике, ими изолируют

различные трубопроводы, автоклавы и т. д.

2. СИТАЛЛЫ (СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или

частичной управляемой кристаллизации. Термин «ситаллы» образован от слов:

стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами.

По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное

положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стекол они

отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов — более

мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты специального состава

с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до пластичного

состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии и

последующей ситаллизации (кристаллизации). Ситалловые изделия получают

также порошковым методом спекания.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы

LiO2, A12O3, SiO2, MgO, CaO и др.; катализаторы кристаллизации

(нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных

металлов Аи, Ag, Си, которые являются коллоидными красителями и находятся

в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые

и фосфатные соединения, ТiO2 и др., представляющие собой глушители,

распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек.

3.Керамические материалы

Керамика неорганический материал, получаемый отформованных масс в

процессе высокотемпературного обжига.

Керамика на основе чистых оксидов. Оксидная керамика обладает высокой

прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе;

более прочными являются мелкокристаллические структуры. С повышением

температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов, как

правило, не подвержена процессу окисления.

Бескислородная керамика. Материалы обладают высокой хрупкостью.

Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов

составляет 900-1000(С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут

выдерживать температуру 1300-1700(С (на поверхности образуется пленка

кремнезема).

4.Графит

Графит является одной из аллотропических разновидностей углерода. Это

полимерный материал кристаллического пластинчатого строения.

Графит не плавится при атмосферном давлении. Графит встречается в

природе, а также получается искусственным путем.

Пиролитический графит получается из газообразного сырья. Его наносят в

виде покрытия на различные материалы с целью защиты их от воздействия

высоких температур.

Пирографит - объемная масса 1950-2200кг/м3, пористость 1.5%, модуль

упругости 112/70ГПа.

Литература

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.:(Машиностроение(, 1990

2. Под редакцией С.И. Богодухова, В.А Бондаренко. Технологические процессы

машиностроительного производства. Оренбург, ОГУ, 1996

Страницы: 1, 2, 3