3.8 Прочие материалы

3.8.1 Конструкционные материалы на неорганической основе. На автомобильном транспорте используют такие неорганические материалы, ка минеральные стекла, графит, асбест, ситаллы, керамику.

Эти материалы отличаются высокой стойкостью к нагреванию, химической стойкостью, не подвержены старению, имеют высокую твердость и сопротивляемость к сжимающим нагрузкам, пожаростойки. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкий перепад температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям, имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов.

3.8.2 Неорганическое стекло. Стекло — оптически прозрачный материал, получаемый при остывании неметаллического расплава. При нагревании стекло размягчается и переходит в жидкое состояние. Стекло изотропно. В отличие от металлов при нагревании стекла нет критических точек. Оно плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. Для промышленных силикатных стекол температура стеклования ( t_с) от 425 до 600 °С, температура размягчения ( t_р )от 600 до 800 °С. В интервале этих температур стекло находится в высоко вязком пластическом состоянии. Технологический процесс переработки стекломассы в изделия происходит при температуре выше t_р (1000-1100 °С).

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку; также входят модификаторы: оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия, которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды и этим придавать стеклу требуемые свойства. Промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

На рисунке 3.4 приведена классификация неорганических стекол.

Щелочные стекла содержат оксиды натрия и калия. К техническим стеклам относятся оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные и трубные стекла, к строительным — оконные, витринные, армированные, а также стеклоблоки. Стекло также используется в быту — стеклотара, посуда, зеркала и декоративные изделия.

Техническое стекло, как правило, относится к алюмоборосиликатной группе и отличается разнообразием входящих в него оксидов. Особое значение имеют электровакуумное, химико-лабораторное и светотехническое стекла.

Рисунок 3.4 Классификация неорганических стекол

Электровакуумное стекло применяют в качестве оболочек электрических ламп накаливания, в радиолампах, фотоэлементах, люминесцентных и генераторных лампах, ионных выпрямителях. В качестве электровакуумного стекла используют силикатное, боросиликатное/алюмосиликатное и кварцевое стекла. Основные требования к электровакуумному стеклу — заданное значение коэффициента теплового линейного расширения и стойкость при температурах от 100 до 1000 °С.

Стекло, используемое в химической промышленности, и химико-лабораторное стекло должно иметь химическую стойкость к различным реагентам. В этих случаях используют бороалюмосиликатное стекло с добавлением ZrО₂ и других оксидов для увеличения его стойкости. Такое стекло используют при транспортировке агрессивных веществ (кислот, щелочей, растворов солей) по трубопроводам диаметром до 200 мм. Стойкость стеклянных труб в 25 раз выше, чем труб из коррозионностойкой стали.

Светотехническое стекло получают из шихты обычного оконного стекла (70-72 % SiО₂; 14-15% Na₂О; 7-8% CaO; 3-4 % MgO; 1-2 % K₂О; 1-2 % A1₂О₃) или боросиликатного стекла с добавлением специальных компонентов. Для получения рассеивающих (молочных или опаловых) стекол вводят 3-4 % фтористых соединений. Автомобильные и сигнальные стекла изготовляют в виде призматических линз; красные стекла получают введением в шихту 1-2 % сернистого кадмия и 0,5-1 % селена, зеленые — введением 1,2-1,5 % оксида меди

и 0,2-0,7 % хрома, желтые — 1,5 % сернистого кадмия. Изготовляют также защитные стекла от рентгеновских лучей, от теплового излучения, стекла для поглощения нейтронов и др.

Важные механические свойства стекла: высокое сопротивление сжатию, низкий предел прочности при растяжении и изгибе. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, можно определить методом царапания по минералогической шкале Мооса, она равна 5-7 единицам (10 единиц — твердость алмаза, 1 единица — талька). Ударная вязкость стекла очень низкая, т. е. стекло хрупкое. Более высокими механическими параметрами обладают стекла бесщелочного состава и кварцевые.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, способность отражать световые лучи, 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 стекло поглощает почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетовых лучей. Коэффициент преломления стекол — 1,47-1,96, коэффициент рассеяния (дисперсии) — от 20 до 71. Стекло с большим содержанием РЬО поглощает рентгеновские лучи.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разного перепада температур и определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде (О °С). Термостойкость стекол — 90-170°С, кварцевого стекла — 800-1000 °С. Механическую прочность и термостойкость стекла можно повысить закалкой и термохимическим упрочнением.

Закалка — нагревание стекла до температуры выше t_с и быстрое равномерное его охлаждение в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление стекла статическим нагрузкам увеличивается в 3-6 раз, ударная вязкость — в 5-7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение заключается в 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 упрочнение. Повысить прочность и термостойкость можно травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

В автомобилях, поездах, самолетах используют безопасное закаленное стекло. Многослойное стекло получают склеиванием силикатных и полиакрилатных листов. Силикатные триплексы, используемые в качестве ветровых стекол автомобилей, представляют собой два листа закаленного стекла толщиной 2-3 мм, склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой.

При разрушении триплекса неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Для остекления транспортных средств используют также термопан — трехслойное стекло, состоящее из двух стекол, между которыми находится воздух, что обеспечивает теплоизоляцию.

3.8.3 Органическое стекло. В России требования к качеству листового стекла определяются ГОСТ 111-90 "Стекло листовое. Технические условия". В этом стандарте предусмотрено восемь марок листового стекла (М1 – М8), различающихся требованиями к внешнему виду (допустимому количеству и размерам пороков стекла) и оптическим характеристикам. М7 и М8 отличаются от других марок еще и толщиной (от 6,5 мм и больше), поэтому их называют витринным стеклом. Аналогичное деление стекла по маркам есть и в Европейских стандартах (ЕN 572) и стандартах США.

Общее правило для марок М1-М6: чем ниже цифра в марке стекла - тем выше его качество, меньше дефектов на единицу поверхности, тем более качественные и ответственные конструкции им можно остеклять, лучше его физические и оптические свойства, меньше отклонений по толщине, разнотолщинности (и оно лучше режется). На листовое стекло марок М1, М2, М3, М4, М5 существует ГОСТ 111-90 (СТ СЭВ 5447-85). Этот стандарт распространяется на листовое стекло, предназначенное для остекления светопрозрачных конструкций, остекления средств транспорта.

М1 - применяется для изготовления высоко качественных зеркал, ветровых стекол легковых автомобилей применяется так называемое зеркальное улучшенное стекло толщиной 2,0 - 6,0 мм.

М2 - Зеркала массового применения, безопасные стекла, в том числе и для средств транспорта производят из зеркального стекла 2,0 - 6,0 мм М3 - Декоративные зеркала, комплектующие для мебели, безопасные стекло и конструкции для транспорта изготавливают из оконного полированного стекла толщиной 2,0 - 6,0 мм.

М4 - Высококачественное остекление светопрозрачных конструкций, изготовление изделий для мебели, безопасных стекол для транспортных средств производится, как правило, из оконного полированного стекла 2,0 - 6,0 мм. Часто различие между стеклом марок М3 и М4 весьма условно.

М5 – Остекление светопрозрачных конструкций, изготовление изделий для мебели, безопасных стекол для сельскохозяйственных машин и тихоходного транспорта выполняется из оконного неполированного стекла 2,0 - 6,0 мм.

М6 – Остекление светопрозрачных конструкций выполняется также и из оконного неполированного стекла 2,0 - 6,0 мм. Такое стекло называют так же "тепличным", так как пригодно для остекления помещений с минимальными требованиями к качеству стекла и широко применяется в остеклении теплиц ввиду низкой стоимости.

М7 – Из витринного полированного стекла толщиной 6,5-12,0 мм производят высококачественное остекление витрин и витражей.

М8 – Из витринного неполированного стекла толщиной 6,5-12,0 мм производят остекление витрин, витражей, фонарей. Выпуск стекла марки М8 в настоящее время прекращен.

ТР (твердые размеры) - Стекло изготавливается и поставляется по спецификации потребителя.

СВР (свободные размеры) – при отсутствии спецификации потребителя допускается изготовление и поставка стекла в заводском ассортименте размеров.

Стекло должно изготовляться в соответствии с требованиями стандарта по технологической документации, утвержденной в установленном порядке. Листовое стекло должно иметь условное обозначение марки, категории размеров, ширины, длины и толщины. Пример условного обозначения: стекло листовое М5-ТР 1600x1300x4 ГОСТ 111-90. Это, значит, стекло марки М5 твердые размеры листа 1600 мм х1300 мм, толщина 4 мм, данное стекло по размерам, толщине и допускаемым по ним отклонениям, разнотолщинности, отклонению от прямоугольности, по качеству кромок и углов, оптическим искажениям, коэффициенту направленного пропускания света должно соответствовать ГОСТ 111-90. Инородные неразрушающие включения не допускаются. При оптовых поставках допускается норма естественного боя до 2% .

Полииметилметакрилат (ПММА, РИМА) – это линейный полимер метилметакрилата.

Химическую формулу ПММА можно представить в виде (-СН2-С(СНЗ)-)п СООСНЗ.

ПММА получают свободной радикальной полимеризацией мономера (метилметакрилата) главным образом в блоке и суспензии, реже в эмульсии растворе. Выпускают, в основном, в виде листов и гранулированных материалов. Основные преимущества ПММА (полиметилметакрилата): исключительная прозрачность (светопропускание оргстекла составляет до 92 видимого света, что больше, чем у любого другого полимерного материала), хорошие физико- механические и электроизоляционные свойства, атмоферостойкость, устойчивость к действию разбавленных кислот и щелочей воды, спиртов, жиров и минеральных масел; нетоксичен; размягчается при температуре 120^оС.

Перерабатывается ПММА литьем под давлением, экструзией, вакуумным и Л-невмоформованием, штампованием; его можно обрабатывать механически, склеивать и сваривать.

При горении ПММА не выделяет никаких ядовитых газов. Температура воспламенения 260^оС.

Растворяется ПММА в хлорированных углеводородах (дихлорэтан, хлороформ) альдегидах, кетонах и сложных эфирах. На оргстекло(полиметилметакрилат) также воздействуют спирты: метиловый, бутиловый, этиловый, пропиловый. При непродолжительном воздействии 10% этилового спирта взаимодействие с оргстеклом отсутствует. ПММА обладает высокой морозостойкостью, устойчивостью к влаге. Плотность оргстекла составляет 1,19 г/см^З , что почти в 2,5 раза легче обычного стекла и на 17% легче жесткого ПВХ. Ударная прочность оргстекла в 5 раз больше, чем у обычного стекла. Рабочий диапазон температур для оргстекла составляет от -40^оС до +80оС.

ПММА (полиметилметакрилат) имеет хорошую стойкость к старению.

Примеры применения ПММА

Применяется в автостроении, машиностроении, авиационной, медицинской промышленностях, строительстве, приборостроении и бытовых изделиях.

Остекление парников, теплиц, куполов, окон, веранд, декоративной отделки зданий, для прозрачных деталей приборов и инструментов, протезов в медицине, линз и призм в оптике, труб в пищевой промышленности, наружная световая реклама, таблички, аквариумы, сувениры, светильники ,фары, фонари, детали сантехники, циферблаты часов и приборов, смотровые окна, диэлектрические детали

Характеристика оргстекла ACRYMA

Производится органическое стекло ACRYMA на российском предприятии «Дзержинское оргстекло». Его качество подтверждают не только официальные документы, но и гарантия компании-изготовителя, по которой фирма обещает, что светопропускание, прочность и твердость продукции не изменится в течение десятилетия. Поэтому материал может использоваться и вне помещения, но его очень часто применяют и в интерьере для создания определенного оптического эффекта.

Без оргстекла сегодня не обходятся во многих областях деятельности, однако наиболее оно востребовано в строительстве, приборостроении, производстве наружной рекламы. И также задействовано при изготовлении бытовых изделий, торгового оборудования, осветительной техники.

Цвет листов ACRYMA может быть различным, в том числе прозрачным, светорассеивающим и непрозрачными окрашенным. Благодаря богатой возможности выбора оттенков оргстекла легко подобрать материал для применения во многих сферах. Также можно заказать изделие определенного цвета.

Стандартные размеры

Толщина листов оргстекла составляет от 1,5 до 10 мм.

Параметры (длина*ширина): 2130x1500; 2050x1500; 3050x2050; 3000x2100.

Сейчас наше предприятие занято производством акриловых листов «ACRYMA 72» и «ACRYMA 82». Между собой они отличаются по ряду характеристик.

«ACRYMA 72» - пластичный материал, который обладает хорошими данными для формования. Его лучше всего обрабатывать при температуре от 140°С до 17 5°С и при условии, что лист нагревается с обеих сторон. Также возможно применение лазерной резки как с подачей воздуха, так и без этого. Оргстекло марки «ACRYMA 72» можно использовать в диапазоне температур от - 40°С до + 80°С.

«ACRYMA 82» - акриловый пластик с хорошими показателями прочности.

Изделие из него прочное и твердое. Материал может использоваться в качестве несущего элемента. Обрабатывать его рекомендуется при следующих условиях: температура во время формования - от 160°С до 175°С при условии двухстороннего нагрева листа. Применение лазерной резки возможно как с подачей воздуха, так и без. Стекло используется при показателях температуры от -40°С до +90 °С.

3.8.4 Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы. Тепло-звукоизоляционные стекловолокнистые материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим количеством воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура обеспечивает материалу низкие плотность (от 20 до 130 кг/м³) и теплопроводность.

К стекловолокнистым материалам относятся: стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, которые располагаются между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они используются при температурах от минус 60 до 600 °С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей материалам более устойчивую рыхлую структуру (АТИМСС), их рабочие температуры — до 150 °С. Материалы, изготовляемые из короткого волокна и синтетических смол, называют плитами. Их коэффициент звукопоглощения для частоты 200—800 Гц равен 0,5; для частоты 8000 Гц - 0,65.

Стекловату, маты, плиты используют для теплозвукоизоляции кузовов автомобилей, железнодорожных вагонов, локомотивов, кабин самолетов, корпусов судов, а также в холодильной технике.частоты 8000 Гц - 0,65.

3.8.5 Ситаллы. Ситаллы (стеклокристаллические материалы), или стеклоке­рамику, получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации.

По своей структуре и технологии изготовления ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристал­лическим строением, а от керамических материалов – более мелкозернистой и однородной микрокристал-лической структурой.

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты специального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), последующего охлаждения расплава до

пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии с последующей ситаллизацией (кристаллизацией). Ситалловые изделия получают также порошковым методом (спеканием).

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, вхо­ят оксиды: Li₂О, А1₂О₃, SiО₂, MgO, CaO — и катализаторы кристаллизации, к которым относятся соли светочувствительных металлов (Au, Ag, Cu), являющиеся коллоидными красителями и находящиеся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатные соединения.

Ситаллы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Плотность ситаллов находится в пределах 2400-2950 кг/м³. Эти материалы

обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы, обладают нулевым водопоглощением, являются хорошими диэлектриками.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов, в текстильных машинах, в качестве абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов изготовляют лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей и точные калибры.

3.8.6 Керамические материалы. Керамика – неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200-2500 °С) происходит спекание, формируется структура материала, и изделие приобре­тает необходимые физико-механические свойства.

При производстве оксидной керамики используют следующие оксиды: А1₂О₃ (корунд), ZrО₂, MgO, CaO, BeO, ThО₂, UО₂. Керамика имеет однофазную поликристаллическую структуру. Кроме кристаллической фазы в керамике может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000°С, поэтому они относятся к огнеупорным материалам.

Керамика на основе А1₂О₃ обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах. Это химически стойкий материал, отличный диэлектрик.

Изделия из нее широко применяют во многих областях техники: свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания; резцы, используемые при больших

скоростях резания; калибры; фильеры для протяжки стальной проволоки; детали высокотемпературных печей и насосов; подшипники печных конвейеров.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к шлакам различных металлов, в том числе и щелочных. Оксид магния при высоких температурах летуч. Оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Эти оксиды применяют для изготовления тиглей. Кроме того, MgO используют для футеровки печей и пирометрической аппаратуры.

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения химических элементов: с углеродом – карбиды, с бором – бориды, с азотом – нитриды, с кремнием – силициды, с серой – сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500–3500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью относительно агрессивных сред, обладают высокой хрупкостью.

Силициды могут выдерживать температуру 1300–1700°С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Из сульфидов нашел практическое применение только ди­сульфид молибдена, имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала.

3.8.7 Графит. В группу неорганических полимеров входит графит, который встречается в природе, а также получается искусственным путем. Качества природного графита невысоки. Он содержит много примесей, порист, его свойства почти изотропны, поэтому его применяют лишь как антифрикционный материал и в электротехнике.

Искусственные виды графита: технический и пиролитический (пирографит). Они обладают совершенной кристаллической структурой, высокой анизотропией свойств и являются высокотемпературными конструкционными материалами.

Промышленность выпускает следующие марки графита: ПРОГ – на основе нефтяного кокса; ПГ-50 — пористый пирографит.

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами. Поэтому он применяется в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способность работать без смазывания в условиях высоких или низких температур и больших скоростей, в агрессивных средах.

Недостатком графита является склонность его к окислению, начиная с температуры 400°С, с выделением газообразных продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением легирующих добавок, которые делают структуру графита мелкозернистой и повышают его твердость и прочность, или нанесением защитных покрытий. Силицирование графита осуществляют обработкой его поверхности парами кремнезема. При этом на поверхности графита образуется карбид кремния, обладающий высокой твердостью и прочностью.

Контрольные вопросы:

1. Приведите принцип классификации неорганических стекол и их отличительные особенности.

2. Назовите область применения электровакуумного, химического и светотехнического стекла.

3. Назовите важнейшие оптические свойства стекол.

4. Для чего проводят термическую и термохимическую обработку стекол?

5. Какие марки стекол наиболее широко применяются для остекления транспортных средств, в чем особенность этих стекол?

6. Что вам известно о таких марках стекол, как М1…М8, ПММА, «ACRIMA»?

7. Какие материалы относятся к тепло- и звукоизоляционным, их главные свойства?

8. Что такое ситаллы, где они применяются?

9. Что такое графит, область его применения в технике?