Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

5.4 Техническая керамика

Керамика - это материал, получаемый спеканием порошков заданного состава при температурах, существенно ниже их температуры плавления. Структура керамики близка к структуре ситаллов. И керамика и ситаллы состоят из кристаллических и аморфных фаз, но в керамике ещё имеются газовые фазы. Их присутствие в керамике обусловлено технологией. Технологический процесс производства керамических изделий включает много операций. Ключевыми операциями являются подготовка исходных компонентов, заключающаяся в измельчении сырья до заданного уровня, смешении компонентов, формовании изделия и обжиг. Формование керамического изделия часто проводится путём прессования. Чем выше давление прессования и чем мельче порошки, тем меньше пор в керамике, тем меньше содержание газовой фазы.

На пористость керамики также большое влияние оказывает режим спекания. Вообще, спекание - это очень сложный физико-химический процесс. Внешним признаком спекания является уменьшение размеров изделия и, соответственно, увеличение кажущейся плотности. Спекание порошка начинается обычно со «сваривания» зёрен в местах контакта. Сущность спекания заключается в самопроизвольном заполнении веществом свободного пространства внутри зёрен и между ними. При этом происходит уменьшение дефектности кристаллических решёток, снятия имеющихся напряжений в контактных участках материала. Движущей силой процесса спекания является стремление системы к уменьшению поверхностной энергии, в данном случае это выражается в уменьшении поверхности. Поэтому мелкозернистые порошки спекаются быстрее, чем крупнозернистые.

Одновременно с процессом спекания протекает рекристаллизация. Она заключается в образовании одних зёрен тела за счёт других. Состав кристаллических фаз при этом часто существенно изменяется. Если состав кристаллических фаз не изменяется, то рекристаллизация сводится к полиморфным превращениям, то есть, к образованию различных кристаллических модификацией одного и того же вещества. Если состав кристаллических фаз в процессе рекристаллизации изменяется, то это обусловлено либо диффузией компонентов и образованием твёрдых растворов, либо образованием новых веществ в результате химических реакций в смесях твёрдых веществ.

Механизм реакций в смесях твёрдых веществ очень сложен. Из курса химии известно, что твёрдые вещества химически не взаимодействуют друг с другом. Их химическое взаимодействие возможно только за счёт массопередачи путём внутренней диффузии, а коэффициент диффузии твёрдого в твёрдом очень мал - 10-8 - 10-16 м2/с. Таким образом, скорость чисто твёрдофазных реакций пренебрежимо мала. Практический опыт противоречит этим общим представлениям. Это связано с тем, что в действительности химические превращения при спекании керамических масс протекают при участии газовых и жидких фаз. Газовые фазы образуются, например, за счёт возгонки или диссоциации твёрдых веществ. Жидкие фазы образуются за счёт плавления одного из исходных компонентов или их эвтектических смесей.

В качестве примера такого процесса можно назвать взаимодействие оксидов цинка и алюминия с образованием шпинели

ZnO(тв) + Аl2O3(тв) = ZnAl2O4(тв)

ZnO(тв) ZnO(газ)

ZnO(газ) + Al2O3(тв) ZnAl2O4(тв) (ZnO.Al2O3)

В состав смеси обычно добавляют небольшие количества так называемых «минерализаторов» или «плавней», имеющих относительно низкие температуры плавления. Они химически инертны по отношению к реакционной смеси, однако существенно изменяют условия реакции и свойства получаемого продукта. Механизм действия минерализаторов заключается либо в создании центров кристаллизации, либо в изменении скорости кристаллизации (в частности, путём изменения вязкости системы и отвода тепла от неё), либо в изменении кристаллической решётки и, соответственно, свойств кристаллических тел. Реакции в кристаллических смесях широко используются при изготовлении керамических изделий со специфическими свойствами.

Областей применения керамики не меньше, если не больше, чем областей применения полимеров. Керамика - первый искусственный материал, созданный человеком. Первые обожжённые изделия появились в каменном веке - это была посуда, строительные материалы, декоративные и бытовые изделия из фаянса.

Кроме традиционных направлений керамика используется в транспорте, машиностроении, приборостроении, электротехнике, электронике, энергетике, химической технологии, медицине, обрабатывающих орудиях, текстильной промышленности - трудно найти область техники, где бы сейчас не использовалась керамика.

Глава 6. Композиционный материал на полимерной основе

Современные условия развития таких отраслей промышленности как авто-, авиа-, кораблестроение, космическая техника требуют использования прогрессивных видов композиционных материалов. Полимерные композиционные материалы – важный по своему значению класс конструкционных материалов, особенностью которых является способность к большим деформациям в широком диапазоне температур, стойкость к износу, высокая прочность и др.

6.1 Стеклопластики

Стеклопластик — стеклонаполненный композиционный материал, состоящий из наполнителя (стекловолокна - стеклянных нитеобразных волокон, ткани или мата), и связующего - полиэфирной смолы определённого вида. Наполнитель выполняет армирующую фунцкию и обеспечивает нужную прочность. Полиэфирная смола придаёт материалу монолитность, способствует эффективному использованию прочности стекловолокна и распределению усилий между волокнами, защищает стекловолокно от агрессивных сред.

Наибольшей прочностью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные (у которых волокна расположены параллельно) и перекрёстные (у которых волокна под заданным углом друг к другу). Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Стеклопластик обладает низкой теплопроводностью, прочностью стали, долговечностью, биологической и химической стойкостью, является прекрасным диэлектриком, не подвержен гниению. Может обладать трудногорючестью, а при пожаре не выделяет сильнодействующий газ диоксин в отличии от поливинилхлорида.

Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока

Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол, позволяющих получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

Одним из важнейших преимуществ технологии производства изделий из стеклопластика является короткий цикл освоения и подготовки производства изделий из стеклопластика, который составляет всего 2 недели. А так же технология производства позволяет производить изделия практически любой сложности. Это говорит о том, что предприятие в коротких срок может начать производство любых изделий и любой цветовой гаммы. Стеклопластики и базальтопластики получают различными методами: протяжки, пропитки, намотки и прямого прессования.

Метод ручной выкладки, метод напыления, метод намотки, пропитка под давлением, метод прессования, литье под давлением, пултрузия, метод протяжки.

6.2 Боропластики

Боропластики содержат в качестве упрочняющего (армирующего) наполнителя борные волокнистые материалы. Наполнитель применяют в виде мононити (диаметр 90-200 мкм, 2500-4000 МПа, модуль упругости 380-420 ГПа), жгутов из неск. таких нитей, оплетенных вспомогательной стеклянной или орг. нитью, а также тканей и лент, в к-рых борные нити или жгуты переплетены др. нитями. Связующими в боропластиках служат эпоксидные смолы, полиимиды или др. полимеры, главным образом термореактивные.

Для боропластиков характерны высокие значения модуля упругости, усталостной прочности, малая ползучесть (до 0,2%) в направлении ориентации нитей. При длительном (до 10 лет) воздействии воды, смазочных материалов, атмосферных факторов мех. св-ва боропластиков снижаются не более чем на 10-15%. Уровень рабочих t и ресурс эксплуатации изделий определяются термостойкостью связующего. Нек-рые св-ва боропластиков существенно зависят от геометрич. параметров нитей. Так, с увеличением их диаметра снижаются плотность и прочность боропластиков при растяжении и повышается прочность при сжатии. Для увеличения прочности сцепления наполнителя со связующим борные нити подвергают травлению в HNO3 (напр., прочность при сдвиге эпоксидного боропластика повышается благодаря этому в 2 раза). Ударная вязкость боропластиков может быть улучшена введением в их состав стеклянных или др. волокон; при этом снижается и стоимость боропластиков.

Конструкционные материалы, применяемые в авиационной и космич. технике для снижения массы (на 20-40%) высоконагруженных деталей, напр. панелей стабилизаторов, пов-стей управления.

6.3 Органопластики

Композиционные материалы, содержащие в качестве армирующего наполнителя орг. волокна в виде нитей, жгутов, тканей, нетканых материалов. матов, войлока, бумаги. Наиболее широко применяют синтетич. волокна (особенно арамидные), реже - природные и искусственные.

Характерные свойства органопластики: низкая плотность (1,1-1,4 г/см3), высокие прочностные, диэлектрич., теплоизоляц. характеристики, ударная вязкость. хим. стойкость, радиопрозрачность, более высокая способность демпфировать мех. и звуковую вибрацию, чем у стеклопластиков и др. композиц. материалов. Св-ва определяются природой волокна и связующего. видом, ориентацией и содержанием наполнителя, взаимодействием на границе волокно-связующее, технологией изготовления. Связующими в термореактивных органопластики служат эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, полиимиды; степень наполнения 40-70%. Наиб. высокими мех. свойствами обладают органопластики на основе арамидных волокон. По удельной прочности при растяжении эти органопластики превосходят стеклопластики в 1,5-1,8 раза, а по удельному модулю упругости - более чем в 2 раза. При растяжении органопластики на основе непрерывных ориентированных арамидных волокон в интервале от -250 до 200 °С наблюдается линейная зависимость деформации от нагрузки, а также рост модуля упругости с понижением температуры. При сжатии у арамидных органопластиков, а также при растяжении и сжатии у органопластиков, армированных большинством других волокон, проявляются пластические свойства. Технология производства органопластиков и изделий из них такая же, как стеклопластиков.