Лекция 7. Неметаллические материалы. Композиционные материалы. Полимеры. Области применения различных материалов

Неметаллические материалы. Понятие «неметаллические материалы»

включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы,

композиционные материалы, резиновые материалы, резиновые материалы,

клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керами-

ка и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов,

но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы.

Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легко-

стью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционны-

ми характеристиками, оптической прозрачностью и т.п. Особо следует отме-

тить технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную эконо-

мическую эффективность. Основной неметаллических материалов являются

полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории

химического строения органических соединений являются великий русский

химик А. М. Бутлеров. Промышленное производство первых синтетических

пластмасс (фенопластов) явилось результатом глубоких исследований, прове-

денных Г. С. Петровым (1907– 1914 г.). Блестящие исследования позволили С.

В. Лебедеву впервые в мире осуществить промышленный синтез каучука (1932

г.). Н. Н.Семеновым разработана теория цепных реакций (1930–1940 г.) и рас-

пространена на механизм цепной полимеризации.

Успешное развитие химии и физики полимеров связана с именами вид-

ных 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. К. Андриановым в

развитии химии кремнийорганических полимеров, широко применяемых в ка-

честве термостойкости материалов.

Резиновые материалы. Резиной называют продукт специальной обра-

ботки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других материалов высо-

кими эластичными свойствами, которые присущи каучуку – главному исход-

ному компоненту резины. Она способна к очень большим дефармациям

(относительное удлинение достигает 1000%), которая почти полностью обра-

тимы. При комнатной температуре резина находится в высокоэластичном со-

стоянии, и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне темпе-

ратур.

В результате совокупности технических свойств резиновых материалов

их применяют для амортизации, уплотнения и герметизации в условиях воз-

душных и жидкостных средств, химической защиты деталей машин, производ-

ства тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов (шлангов),

для покрышек и камер колес самолетов, автотранспорта и т.д. Номенклатура

резиновых изделий насчитывает более 40 000 наименований.

По назначению резины подразделяют на резины общего назначения и ре-

зины специального назначения (специальные).

Применяемые в машиностроении резиновые детали подразделяют по на-

значению на следующие группы: уплотнительные; вибро- и звукоизолирующие

и противоударные; силовые (шестерни, корпуса насосов, муфты, шарниры);

опоры скольжения (резинометаллические подшипники, подпятники; опоры,

ниппели); гибкие компенсационные проставки, трубы для транспортирования

жидкости и газа (сильфоны, муфты, патрубки и др.); противоизносные (асфаль-

тоходные башмаки, протекторные кольца, катки и др.); фрикционные детали и

инструменты (шлифовальные диски, фрикционные колеса); несиловые и за-

щитные (ковры, ручки, педали и т. д.); декоративные (полосы, шнуры).

Представителями резинотканевых изделий является напорные рукава для

топлива, масла, воды, раствор кислот и щелочей и газов; рукава могут быть

гибкими трубопроводами воздушных тормозов. Для увеличения прочности и

устойчивости смятию рукава армируют металлической проволокой. Резинотка-

невые приводные ремни бывают плоскими и клиновыми, последние изготавли-

вают с кордшнуром или кордтканью в несущем слое ремня. Транспортерной

ленты применяют для перемещения грузов по горизонтали или под небольшим

уклоном. Шины бывают пневматические, в которых амортизационная способ-

ность обеспечивается сжатым воздухом и частично эластическими свойствами

машинных материалов, и массивными или цельнорезиновыми, в которых ис-

пользуется только эластичность самого резинового материала.

Полимеры. Полимерами называют вещества, макромолекулы которых

состоят из многочисленных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Пластмассы. Пластмассами (пластиками) называют искусственные ма-

териалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.

Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становятся пластичны-

ми, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем

сохраняется. В зависимости от природы связующего переход отформованной

массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании,

или при последующем охлаждении.

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструк-

ционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и несило-

вые (оптические прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теп-

лоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако

это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными

свойствами: например, полиамиды применяют в качестве антифрикционных и

электроизоляционных материалов и т. д.

Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойст-

вам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами

для машиностроения.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие мо-

дуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для

некоторых пластмасс – склонность к старению.

Термопластические пластмассы: полиэтилен; полипропилен; полисти-

рол; фторопласт.

Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе

сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот.

Органическое стекло используют в самолетостроении, в автомобиле-

строении. Из органического стекла изготавливают светотехнические детали,

оптические линзы и др. На основе полиметилметакрилата получают самоот-

верждающиеся пластмассы: АСТ, стиракрил, АКР.

Поливинилхлорид – является полярным аморфным полимером.

Пленочные материалы применяют для изоляции проводов и кабелей, кон-

сервации двигателей, изготовления средств защиты при работе с радиоактив-

ными веществами. Из пластиката получают трубы, печатные валики, уплотни-

тельные прокладки; используют для покрытия тканей (например конвейерные

ленты).

Полиамиды – это группа пластмасс с известными названиями: капрон,

нейлон, анид и др.

Из полиамидов изготавливают шестерни, втулки, подшипники, болты,

гайки, шкивы, детали ткацких станков, маслобензопроводы, уплотнители гид-

росистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров, буксирные кана-

ты и т. д. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, ме-

дицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.

Пентапласт является хлорированным простым полиэфиром, относится к

медленно кристаллизирующимся полимерам. Пентапласт более устойчив к на-

греванию по сравнению с поливинилхлоридом (отщепление хлористого водо-

рода под действием температуры не происходит). Прочность пентапласта близ-

ка к прочности винипласта, он выдерживает температуру 1800

С и хорошо фор-

мируется, нехладотекуч, стоек к истиранию. Пентапласт водостоек, по химиче-

ской стойкости занимает промежуточное положение между фторопластом и

винипластом. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и

точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах.

Полиимиды – ароматические гетероциклические полимеры.

Полиимиды применяют в виде пленок для изоляции проводов и кабелей,

печатных схем, электронно – вакуумной тепловой изоляции. Пресс-материалы

используют для изготовления изделий конструкционного, антифрикционного и

электроизоляционного назначения. Полиимидные связующие применяют для

наполненных пластиков.

Композиционные материалы. Композиционными называют искусствен-

ные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов.

Одним из компонентов является матрица (для полимеров–связующие), другим

– упрочнители. Родоначальником композиционных материалов является нор-

мированные стеклопластики . Их физическая природа , схемы армирования и

расчетные особенности переносятся на композиционные полимерные материа-

лы. Композиционные материалы являются перспективными конструкционными

материалами для различных отраслей машиностроения .