Опишите неметаллические конструкционные материалы. Охарактеризуйте резину, Поясните ее состав, получение, классификацию, свойства, применение.

Неметаллические конструкционные материалы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Используются также для защиты различных металлических конструкций от коррозии. Применение таких конструкционных материалов позволяет также сэкономить денежные средства, заменяя ими более дорогостоящие.

Неметаллические конструкционные материалы подразделяются на органические (на основе полимеров) и неорганические (на основе силикатов).

К конструкционным материалам органического происхождения относятся материалы на основе каучука, полимерные соединения, графит и его производные и т.п. К неорганическим: керамика, горные породы, силикатные материалы.

В неорганических конструкционных материалах устойчивость к химическому воздействию сильно зависит от минералогического и химического состава. Типа структуры, пористости. Если в составе конструкционного материала большое содержание труднорастворимых или нерастворимых кислотных оксидов – он обладает повышенной устойчивостью к воздействию кислот. К кислотостойким неорганическим соединениям такого рода относятся алюмосиликаты, кремнезем, низкоосновные силикаты и т.д. Каолин (гидратированный алюмосиликат) повышенной стойкостью к воздействию кислот не отличается.

Если в состав материала входит основный оксид, то он разрушается в минеральных кислотах, но устойчив в щелочах. К таким материалам относятся: строительные цементы, известняки, магнезиты.

Из неметаллических конструкционных материалов могут быть изготовлены устройства и агрегаты, а также отдельные детали к ним. Кроме того, неметаллические конструкционные материалы используются в качестве защиты основного материала изделия (например, футеровка ванны травления выполнена из неметалла, а основа – металлическая).

Свойства неметаллических конструкционных материалов многообразны: высокая стойкость в различных агрессивных средах, небольшая плотность, различная теплопроводность, хорошая адгезия к поверхности металла и др. Большинство из них все же не выдерживают высоких температур (особенно это относится к неметаллическим конструкционным материалам органического происхождения, которые разрушаются уже при 150-200°С), плохо реагируют на перепады температуры, трудно обрабатываются.

В средах с повышенной агрессивностью очень важную роль играет способность защитного покрытия изолировать основную конструкцию. Между подложкой и внешней средой не должно быть прямого контакта. Для обеспечения полной изоляции используются утолщенные слои одного материала или же многослойные покрытия, которые включают в себя несколько относительно тонких слоев из разных материалов. Довольно часто, когда один материал наносят слишком толстым слоем, в нем возникают внутренние напряжения, и защитное покрытие довольно быстро разрушается.

Среди неметаллических конструкционных материалов в противокоррозионной защите нашли широкое применение резины, пластические массы (пластмассы), различные силикатные материалы и многие другие.

РЕЗИНА (от лат. resina-смола) (вулканизат), эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального и синтетических каучуков. Представляет собой сетчатый эластомер-продукт поперечного сшивания молекул каучуков химическими связями.

Состав:

Технология производства изделий из резины включает смешение каучука с ингредиентами в смесителях или на вальцах, изготовление полуфабрикатов (шприцеванных профилей, каландрованных листов, прорезиненных тканей, корда и т.п.), резку и раскрой полуфабрикатов, сборку заготовок изделия сложной конструкции или конфигурации с применением спец. сборочного оборудования и вулканизацию изделий в аппаратах периодич. (прессы, котлы, автоклавы, форматоры-вулканизаторы и др.) или непрерывного действия (тоннельные, барабанные и др. вулканизаторы). При этом используется высокая пластичность резиновых смесей, благодаря к-рой им придается форма будущего изделия, закрепляемая в результате вулканизации. Широко применяют формование в вулканизацией прессе и литье под давлением, при к-рых формование и вулканизацию изделий совмещают в одной операции. Перспективны использование порошкообразных каучуков и композиций и получение литьевых резин методами жидкого формования из композиций на основе жидких каучуков. При вулканизации смесей, содержащих 30-50% по массе S в расчете на каучук, получают эбониты.

Получение:

Резину получают главным образом вулканизацией композиций (резиновых смесей), основу которых (обычно 20-60% по массе) составляют каучуки. Другие компоненты резиновых смесей – вулканизующие агенты, ускорители и активаторы вулканизации (см. Вулканизация), наполнители, противо-старители, пластификаторы (мягчители). В состав смесей могут также входить регенерат (пластичный продукт регенерации резины, способный к повторной вулканизации), замедлители подвулканизации, модификаторы, красители, порообразователи, антипирены, душистые вещества и другие ингредиенты, общее число которых может достигать 20 и более. Выбор каучука и состава резиновой смеси определяется назначением, условиями эксплуатации и техническими требованиями к изделию, технологией производства, экономическими и другими соображениями (см. Каучук натуральный, Каучуки синтетические).

Классификация:

По назначению различают следующие основные группы резин: общего назначения, теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, стойкие к действию хим. агрессивных сред, диэлектрич., электропроводящие, магнитные, огнестойкие, радиационностойкие, вакуумные, фрикционные, пищевые и медицинские назначения, для условий тропического климата и др. (табл. 2); получают также пористые, или губчатые (см. Пористая резина), цветные и прозрачные резины.

Свойства:

Резину можно рассматривать как сшитую коллоидную систему, в к-рой каучук составляет дисперсионную среду, а наполнители-дисперсную фазу. Важнейшее свойство резины- высокая эластичность, т. е. способность к большим обратимым деформациям в широком интервале т-р (см. Высокоэластическое состояние).

Резина сочетает в себе свойства твердых тел (упругость, стабильность формы), жидкостей (аморфность, высокая деформируемость при малом объемном сжатии) и газов (повышение упругости вулканизацией сеток с ростом т-ры, энтропийная природа упругости).

Резина-сравнительно мягкий, практически несжимаемый материал. Комплекс ее свойств определяется в первую очередь типом каучука (см. табл. 1); свойства могут существенно изменяться при комбинировании каучуков различных типов или их модификации.

Модуль упругости резин различных типов при малых деформациях составляет 1-10 МПа, что на 4-5 порядков ниже, чем для стали; коэф. Пауссона близок к 0,5. Упругие свойства резины нелинейны и носят резко выраженный релаксаций характер: зависят от режима нагружения, величины, времени, скорости (или частоты), повторности деформаций и т-ры. Деформация обратимого растяжения резины может достигать 500-1000%.

Ниж. предел температурного диапазона высокоэластичности резины обусловлен гл. обр. т-рой стеклования каучуков, а для кристаллизующихся каучуков зависит также от т-ры и скорости кристаллизации. Верх. температурный предел эксплуатации резины связан с термической стойкостью каучуков и поперечных хим. связей, образующихся при вулканизации. Ненаполненные резины на основе некристаллизующихся каучуков имеют низкую прочность. Применение активных наполнителей (высокодисперсных саж, SiO2 и др.) позволяет на порядок повысить прочностные характеристики резины и достичь уровня показателей резин из кристаллизующихся каучуков. Твердость резины определяется содержанием в ней наполнителей и пластификаторов, а также степенью вулканизации. Плотность резины рассчитывают как средневзвешенное по объему значение плотностей отдельных компонентов. Аналогичным образом м. б. приближенно вычислены (при объемном наполнении менее 30%) теплофиз. характеристики резин: коэффициент термического расширения, уд. объемная теплоемкость, коэффициент теплопроводности. Циклическое деформирование резины сопровождается упругим гистерезисом, что обусловливает их хорошие амортизацией свойства. Резины характеризуются также высокими фрикционными свойствами, износостойкостью, сопротивлением раздиру и утомлению, тепло- и звукоизоляций свойствами. Они диамагнетики и хорошие диэлектрики, хотя м. б. получены токопроводящие и магнитные резины.

Резины незначительно поглощают воду и ограниченно набухают в орг. растворителях. Степень набухания определяется разницей параметров растворимости каучука и растворителя (тем меньше, чем выше эта разность) и степенью поперечного сшивания (величину равновесного набухания обычно используют для определения степени поперечного сшивания). Известны резины, характеризующиеся масло-, бензо-, водо-, паро- и термостойкостью, стойкостью к действию хим. агрессивных сред, озона, света, ионизирующих излучений. При длительном хранении и эксплуатации резины подвергаются старению и утомлению, приводящим к ухудшению их мех. свойств, снижению прочности и разрушению. Срок службы резин в зависимости от условий эксплуатации от нескольких дней до нескольких десятков лет.

Применение:

Резины широко используют в технике, с. х-ве, быту, медицине, стр-ве, спорте. Ассортимент резиновых изделий насчитывает более 60 тыс. наименований. Среди них: шины, транспортные ленты, приводные ремни, рукава, амортизаторы, уплотнители, сальники, манжеты, кольца и др., кабельные изделия, обувь, ковры, трубки, покрытия и облицовочные материалы, прорезиненные ткани, герметики и др. Более половины объема вырабатываемой резины используется в произ-ве шин.

Состав и классификация видов резин (каучук, вулканизирующие вещества, антиоксиданты, пластификаторы, наполнители, красители). Резины общего и специального назначения. Механические свойства резин и каучуков. Долговечность и усталостная выносливость.

13.Опишите стекло, его состав, получение, свойства, применение.

Стекло́ — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты) [1][2]. Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.) [2]. Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов, существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Состав:

Мало кто знает, что по своей сути, стекло – это не твердое тело в привычном понимании, а жидкая субстанция, которая просто находится в застывшем состоянии. Около 65-70% в составе любого вида стекла занимает кремнезем, он же SiO2. В природе это вещество можно найти в составе песка, кварца и некоторых разновидностей песчаника.

В состав стекла, кварц добавляется в измельченном виде, как кварцевый песок. Для создания стеклянных изделий, пригодны самые различные виды песка, где присутствие сторонних минералов сведено к минимуму. Нежелательно использовать песок со значительными примесями железа, так как это может придать стеклу зеленоватый оттенок.

Для изготовления стекла следует использовать песок в чистом виде, при этом температура плавления должна быть не менее 1700°С. Такой температуры можно достигнуть лишь в электрической печи, и хотя кварцевое стекло очень термостойкое, его производство зачастую оказывается нерентабельным.

Обычно в состав стеклянного сплава входит сода. Она позволяет снизить температуру плавления и придать массе вязкость, однако в таком случае стекло будет очень неустойчивым. Для того чтобы получить качественное стекло, в смесь соды и песка, дополнительно добавляется известь.

Получение:

Основным сырьем для изготовления стекла являются кварцевый песок, известняк, сода и сульфат натрия. Высококачественные стекольные белые пески содержат немного примесей, в частности оксида железа, придающего стеклу зеленоватую окраску. В стекольную шихту вводят соду, сульфат натрия, поташ, которые понижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. При варке смеси чистого песка SiО2 и соды Na2CО3 образуется полупрозрачная стеклообразная масса Na2SiO3, растворяющаяся в воде («растворимое стекло»). Благодаря введению в шихту СаО в виде известняка СаСО3 или доломита стекло становится нерастворимым в воде.

Варка строительного силикатного стекла производится в стекловаренных печах при температуре до 1500°С. В процессе стекловарения, начиная с температур 800-900°С протекает стадия силикатообразования. К концу следующей стадии стеклообразования (1150-1200°С) масса становится прозрачной, но в ней еще содержится много газовых пузырей. Дегазация заканчивается при 1400-1500 °С, к ее концу стекломасса освобождается от газовых включений, свилей и становится однородной. Для достижения необходимой для формования рабочей вязкости температуру массы снижают на 200-300 °С. Вязкость стекломассы зависит от химического состава: оксиды SiО2, Al2О3, ZrО2 повышают вязкость, Na2О, СаО, Li2О, наоборот, понижают ее.

Переход от жидкого состояния в стеклообразное является обратимым. При длительном нахождении на воздухе и нагревании некоторых стекол обычная для них аморфная структура может переходить в кристаллическую, это явление называют расстекловыванием («заруханием»).

Строительное силикатное стекло имеет следующий примерный химический состав, %, по массе:

SiО2 - 71- 73; Na2О-13-15; СаО -8-10,5; MgO-I-4; Al2О3 -0,5 -1; Fе2O3-0, l; К2О до 1; SО3 -0,3 -0,7.

В процессе изготовления в стекло вводят соединения, придающие ему специальные свойства. Глинозем Аl2О3, вводимый в шихту в виде каолина и полевого шпата, повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекла. При замене части диоксида кремния борным ангидридом В2О3 повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца PbO, вводимый, главным образом, при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость.

Вспомогательные сырьевые материалы делят по своему назначению на следующие группы: осветлители - вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей (сульфат натрия, плавиковый шпат); обесцвечиватели - вещества, обесцвечивающие стекольную массу; глушители - вещества, делающие стекло непро­зрачным.

В 20 в. были разработаны различные способы вытягивания бесконечной ленты стекла. Толщина стекла регулировалась путем изменения скорости вытягивания. При изготовлении витринных и зеркальных стекол тянутое и прокатное стекло подвергали шлифованию и полированию. Только в 1960 г. удалось изготовить стекло, которое полируется в процессе формования ленты стекла на плоской поверхности расплавленного олова. Качество поверхности такого стекла не уступает полированному.

1. Подготовка сырья

Смесь сырьевых компонентов (куда добавляется стекло для снижения температуры точки плавления) заряжается в топку и разбавляется водой, чтобы отделить нужные компоненты от грязи.

2. Расплав сырья

В топке процесс производства стекла проходит 3 главные стадии:

плавка, когда сырье плавится при температуре 1550 С

очищение, когда расплавленное стекло гомогенизируется (становится однородным) и из него удаляются пузырьки газа;

смена температурного режима, когда расплав охлаждается до вязкого состояния, удобного для протягивания его через ванну с оловом.

3. Формирование поверхности стекла

Жидкое стекло выливается на поверхность ванны, наполненной расплавленным оловом, температура которого около 1000 С. Ванна сделана в виде ленты, толщина олова 6-7 мм. Благодаря высокой вязкости стекла оно не смешивается с жидким оловом, при этом обеспечивается очень гладкая контактная поверхность обоих материалов, что и определяет ровную качественную поверхность стекла. Толщина будущих листов стекла определяется количеством вылитого в ванну расплава стекла.

4. Отжиг стекла

После ванны с оловом твердое уже стекло в виде ленты проходит через холодный туннель, называемый "лер". Температура стекла постепенно понижается с 620 до 250 С. Процесс охлаждения продолжается до тех пор, пока состояние стекла не позволит его резать и обрабатывать.

5. Резка стекла

Охлажденная стеклянная лента нарезается на столах-автоматах на листы нужного размера.

Свойства:

Физические свойства стекла:

Плотность стекла зависит от его химического состава. Считается, что минимальную плотность имеет кварцевое стекло — 2200 кг/м3. Менее плотными являются боросиликатные стёкла; и, напротив, плотность стёкол, содержащих оксиды свинца, висмута, тантала достигает 7500 кг/м3. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стёкол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500-2600 кг/м3. При повышении температуры с комнатной до 1300°С плотность большинства стёкол уменьшается на 6-12%, т. е. в среднем на каждые 100 °С плотность уменьшается на 15 кг/м3. Табличным значением плотности стекла является диапазон от 2400 до 2800 кг/м3.

Модуль Юнга (модуль упругости) стёкол также зависит от их химического состава и может изменяться от 48*103 до 12*104 МПа. Например, у кварцевого стекла модуль упругости составляет 71,4*103 МПа. Для увеличения упругости оксид кремния частично замещают оксидами кальция, алюминия, магния, бора. Напротив, оксиды металлов снижают модуль упругости, так как прочность связей МеO значительно ниже прочности связи SiО. Модуль сдвига 20 000-30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.

Прочность: У обычных стёкол предел прочности на сжатие составляет от 500 до 2000 МПа (у оконного стекла около 1000 МПа). Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше, именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Данная прочность колеблется в пределах от 35 до 100 МПа. Путём закаливания стекла удается повысить его прочность в 3-4 раза. Другим способом повышения прочности является ионообменная диффузия. Также значительно повышает прочность стёкол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т. д.).

Твердость стекла, как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса она составляет 6-7 Ед, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Наиболее твёрдыми являются кварцевое и малощелочное боросиликатное стекло. С увеличением содержания щелочных оксидов твёрдость стекла снижается. Наиболее мягкое — свинцовое стекло.

Хрупкость В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу.

Теплопроводность стекла весьма незначительна и равна 0,0017—0,032 кал/(см*с*град) или от 0,711 до 13,39 Вт/(м*K). У оконных стекол эта цифра равна 0,0023 (0,96).

Механические свойства стекла:

Плотность - 2,5 (2,5 кг/м2)

Сопротивление давлению - 1000 Н/мм2 = 1000 Мпа. Это означает, что, чтобы раздавить 1 см3 стекла, необходимо нагрузить его весом 10 т.

Предел прочности на разлом: если сопротивление давлению у стекла высокое, то предел прочности на разлом значительно ниже. Сопротивление стекла на разлом: для обычного стекла - 40 Мпа (Н/мм2); для закаленного стекла - 120-200 Мпа (Н/мм2) в зависимости от толщины, обработки края, наличия отверстий и др.

Упругость: стекло очень упругий материал, оно не подвержено никакой деформации вплоть до разрушения. Однако стекло очень хрупкое и мгновенно разбивается при чрезмерном внешнем воздействии.

Термальный шок: Поскольку стекло обладает низкой тепловой проводимостью, неравномерный нагрев или охлаждение листа стекла приводит к возникновению напряжения в материале (термальный шок). Это может служить причиной разрушения стекла.

Когда стекло установлено в раму, его обрамленные края закрыты от солнечного излучения. Это может привести к разнице температур в стекле, и к его разрушению. Риск термального шока снижается, когда используется солнцезащитное теплопоглощающее стекло.

Специальная закалка стекла против термального шока позволяет выдерживать разницу температур в 150-200 С.

Химические свойства стекла:

Независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, стекло обладает физико-механическими свойствами твёрдого тела, сохраняя способность обратимого перехода из жидкого состояния в стеклообразное (данное определение позволяет наблюдать, что фигурально к стёклам, в расширительном значении, относят все вещества по аналогии процесса образования и ряда формальных свойств, так называемого стеклообразного состояния — на сём она исчерпывается, поскольку материал, как известно, прежде всего характеризуется своими практическими качествами, которые и определяют более строгую детерминацию стёкол как таковых в материаловедении).

В настоящее время разработаны материалы чрезвычайно широкого, поистине — универсального диапазона применения, чему служат и присущие изначально (например, прозрачность [25], отражательная способность, стойкость к агрессивным средам, красота и многие другие) и не свойственные ранее стеклу — синтезированные его качества (например — жаростойкость, прочность, биоактивность, управляемая электропроводность и т. д.). Различные виды стёкол используется во всех сферах человеческой деятельности: от строительства, изобразительного искусства, оптики, медицины — до измерительной техники, высоких технологий и космонавтики, авиации и военной техники. Изучается физической химией и другими смежными и самостоятельными дисциплинами.

В твёрдом состоянии силикатные стёкла весьма устойчивы к обычным реагентам (за исключением плавиковой кислоты), и к действию атмосферных факторов. На этом свойстве основано их широчайшее применение: для изготовления предметов быта, оконных стёкол, стёкол для транспорта, стеклоблоков и многих других строительных материалов, предметов медицинского, лабораторного, научно-исследовательского назначения, и во многих других областях.

Для специальных целей выпускают химически-стойкое стекло, а также стекло, стойкое к тем или иным видам агрессивных воздействий.

Применение:

Сегодня использование стекла настолько широко, что трудно себе представить, как можно было обходиться без него много лет тому назад. Из стекла делается сегодня не только ответственная часть окон, но и аксессуары для одежды, мебель и другие предметы интерьера. Стекло активно используется в промышленности, различных сферах народного хозяйства. Свойства стекла научились использовать даже в условиях, несовместимых с его применением. Всем известно, что стекло обладает большой хрупкостью. От механических воздействий и вибрации оно может трескаться и разбиваться. Поражение осколками - очень опасно для здоровья человека. Но специальные меры обработки и использования предполагают безопасное его использование в различных условиях.

По причине большой хрупкости обычные методы обработки материалов, таких как металл и древесина, не применимы к стеклу. Хоть стекло и относится к твердым материалам, но при использовании инструментов не предназначенных для стекла оно может быть повреждено. Поэтому специально для стекла разработаны методики и технологии, позволяющие резать, сверлить, гнуть и склеивать стекло для совершенно немыслимых целей.

Традиционно стекло может быть использовано в нескольких формах, таких как листовое стекло, зеркала, стеклянная масса различных форм, стеклянная тонкостенная посуда и т.п. В быту чаще встречается листовое стекло, наиболее часто применяемое для производства зеркал и стекол для окон, дверей и мебели. При производстве стеклянных изделий основной массы потребления из листового стекла используются технологии резки, сверления, зенкерования, обработки кромок, пескоструйная и термическая обработка стекла.

Дата добавления: 2015-07-16