3.8. Мінерали і матеріали на їх основі

Мінералами називають складові частини порід, які утворюють земну кору. Переважна кількість мінералів - тверді кристалічні тіла, приблизно однорідні за хімічним складом і властивостями (гомогенні системи). Рідше зустрічаються мінерали, що мають частини, які відрізняються за складом і властивостями (гетерогенні системи), тіла змінного складу (ізоморфні суміші), а також рідкі тіла (наприклад, ртуть). Відомо біля двох тисяч видів мінералів, з них біля 34% відносяться до силікатів, а 25% — до оксидів і гідрооксидів, 20% - до сульфатів і 21% складають решту всіх типів хімічних з'єднань у мінералах.

Мінерали і матеріали на їх основі широко використовують в машинобудуванні як конструкційні матеріали. Для цих матеріалів характерна сталість наступних властивостей; стійкість до кислот, лугів і інших хімічно активних речовин, висока твердість (для більшості мінералів), вогнестійкість, міцність.

Глинами називають групу широко розповсюджених осадових гірських порід, які утворюють з водою пластичне тісто, яке добре формується. Відформовані глиняні вироби після обпалювання одержують твердість каменю. Найбільш розповсюдженим матеріалом глини є каолін (А • 2Si • 2О), який в багатьох родовищах залягає великими масами чистого мінералу. У процесі обпалювання при температурі 500-600°С проходить розплавлення кристалічної решітки каолініту, він втрачає воду, а при 900-950°С з аморфного залишку утворюється нова речовина - муліт (ЗА12О3 28іОг) - тверде фарфороподібне тіло у вигляді домішок до каолініту часто входять кварц, слюда, оксиди заліза.

Глини широко використовують у металургії для виготовлення вогнетривких формувальних сумішей, в машинобудуванні для виготовлення кислотостійких ємностей, у складі зв'язку для абразивів, для виготовлення кераміки.

Кварц — мінерал, кремнезем, діоксид кремнію (8І2О3). З монокристалів кварцу виготовляють оптичні деталі, пластинки п'єзоелектриків; з дрібних чистих кристалів кварцу виплавляють кварцове скло. Молотий кварц використовують для виготовлення кераміки, кварцовий пісок використовують для вогнетривких матеріалів, скловаріння, в складі формувальних сумішей для металевого лиття.

Польовими шпатами називають мінерали, для яких характерна здатність розколюватись при ударі по двох і більше напрямках з утворенням на поверхні ромбічних, косо призматичних і інших геометричних фігур. Польові шпати - найбільш розповсюджені породоутворюючі матеріали; вони представляють собою алюмосилікати натрію, кальцію, калію, барію тощо. Як правило, кристали польових шпатів ізоморфно змішані, в них найбільш часто представлені ортоклаз Са[А]. Польові шпати є компонентом сировини для одержання скла, фарфору, кераміки, вони використовуються для виготовлення емалі, фар би.

Слюда - мінерал шарової структури, який може розщеплюватись по площинах спайки на дуже тонкі пластинки з плоскою і гладкою поверхнею. Вони представляють собою складні алюмосилікати, наприклад флогопіт [КМА1 ] [Р, ОН]. Слюду використовують у вигляді листів різної форми, розміру і товщини, а також у вигляді пластинок, склеєних листочків, стрічок, наклеєних на папір.

Слюда є високоякісним електроізолятором, вона використовується у турбогенераторах, конденсаторах, а також для виготовлення оптичного скла. Відходи слюди використовують як сировину для виготовлення вогнетривких матеріалів, а також як теплоізоляційний і звуко-поглинаючий матеріал.

Алмаз за твердістю перевищує усі мінерали. Він складається з вуглецю (з незначною домішкою інших елементів: алюмінію, кремнію, кальцію, магнію). Атоми алмазу розміщені по тетраедричній решітці і міцно зв'язані по всіх напрямках.

Разом з природними технічними алмазами широко використовуються синтетичні алмази. З алмазів виготовляють високопродуктивні абразивні круги, філь'єри для волочіння особливо тонкого дроту, абразивні порошки і пасти.

Графіт с найбільш стійкою алотропічною формою вуглецю. Структура графіту шарова. Слабкий зв'язок між шарами (які кристалізуються по гексагональній системі) визначається рухомими електронами, що в свою чергу є при чиною спайки шарів графіту по одному напрямку, його невеликої твердості і високої електропровідності.

В промисловості застосовують натуральний і штучний графіт. Молотий графіт використовують для покриття форм для лиття, забезпечуючи цим відлиті деталі від пригоряння до них формувальних сумішей, з графіту виготовляють блоки для атомних котлів, вогнетривкі матеріали, тиглі, електроди дугових печей, гальванічні елементи тощо; з графіту роблять олівці, фарби, він входить в склад антифрикційної металокераміки, графітових ущільнювачів і змащення.

Азбест - мінерал, який складається з тонких волокон, з яких виготовляють нитки і тканини. Азбест міцний (до 3000 МПа), вогнетривкий (до 1500°С), має малу електро- і теплопровідність. Найбільш поширений хризолітовий азбест ( МS). Азбест використовують для гальмівних стрічок будівельно-дорожних, сільськогосподарських і інших машин, мотоциклів, накладок зчеплення автомобілів, а також виготовлення теплоізоляційних матеріалів.

В'яжучі матеріали - речовини, які розчиняються у воді і здатні тверднути і схоплюватись з заповнювачами (мінералами, металами, органічними речовинами), утворюючи каменеподібний продукт.

Гіпсові в'яжучі матеріали виготовляють з гіпсу - мінералу - водної сірчанокислої солі кальцію (СаS2О) при його нагріванні, в результаті чого гіпс втрачає воду і переходить в безводний (Са S) або напівводяний (Са S• 0,5О) сульфат кальцію. Гіпсовий порошок використовують у будів¬ництві, а також для виготовлення форм, замазок.

Цемент - гідравлічна в'яжуча речовина. Головним видом цементу є портландцемент, який складається з силікатів кальцію (до 80%), а також алюмінатів і алюмо-феритів кальцію. На основі цементу виготовляють бетон. У машинобудуванні цемент використовують при виготовленні залізобетонних станин важких станків, форм для лиття.

Розчинне скло — прозорий склоподібний склад (О • mSі або О • mSі ). Водяні розчини цих з'єднань (рідке скло) використовують в якості цементуючої (клеючої) речовини для з'єднання кислотостійких ємностей, при виготовленні форм і стрижнів, при виробництві литва, у складі обмазок зварювальних електродів, при виготовленні вогнестійких силікатних фарб, клеїв тощо.

Керамікою називають вироби з глини і інших мінеральних (деколи з органічними добавками), які відформовані, а далі випалені до каменеподібного стану, Технічна кераміка, розвиток якої почався з посудної (зокрема фарфору) кераміки в останні десятиліття широко диференціювалась у відповідності з різновидністю вимог до її якості в електро- і радіотехнічній, хімічній промисловості, для яких найбільш характерно її використання.

Деякі склади кераміки вже не містять глини, наявність якої вважалось головною ознакою кераміки. Але технологія одержання сирих заготовок і високо температурний випал залишились загальним для керамічного посуду, художньої і технічної кераміки.

Вироби технічної кераміки виготовляють з тонкомеленої і взятої у заданій пропорції суміші вихідної сировини: кварцу, шпату, каоліну, глини, глинозему, тальку, магнезиту, оксиду титана, вуглекислого барію, оксиду цирконію, інших оксидів, а також карбідів, нітритів металів.

Сирі заготовки одержують пресуванням маси, її штампуванням, формуванням на гончарному крузі або литвом розрідженої маси у гіпсові форми, які мають властивість вбирати з різної маси воду. Деякі заготовки після підсушки піддають механічній обробці: точінню, свердлінню, шліфуванню. Більшість керамічних виробів перед випалюванням покривають глазур'ю, яка захищає готові вироби від дії кислот і лугів, надає їй водонепроникність і покращує механічні властивості. Глазурі представляють собою склоподібний склад різних алюмосилікатних з'єднань.

До напівпровідників відноситься широке коло конструкційних матеріалів, електрична провідність яких обмежується інтервалом від до , а саме: менше як у металів і більше як у діелектриків. На відміну від металів і діелектриків для напівпровідників характерна висока чутливість до дії світла, сильних електричних полів, тиску; в протилежність металам провідність напівпровідників росте з підвищенням їх температури, напівпровідниками є германій, кремній, а також з'єднання ZnS, ZnТе, СdS, CaСІ, ІnSЬ, Р1S, SnТе та інші. Напівпровідники використовують в електронних приладах для перетворювачів інформації - діодів, транзисторів, тиристорів, фото- і термоелектричних датчиків, а також в якості лазерних матеріалів. Напівпровідники в якості обкладинок в системі напівпровідник - електроліт використовують у мікроелектроніці.

П'єзо-електриками називають матеріали, у яких під дією електричного поля відбувається механічна деформація або (зворотний ефект) при деформації у визначених напрямках відбувається електрична поляризація. До п'єзо-електриків відносяться багато кристалічних діелектриків, кварц, сполуки КС1, КВг, NiS, NaС1, NаВг і інші.

П'єзоелектрики використовуються у техніці для перетворення електричного впливу в механічні коливання і навпаки (наприклад, в мікрофонах, телефонах і ін.).

П’єзокераміка - деталі п'єзоелементів, для яких характерне явище п'єзоефекту. Виготовляють кераміку з титанату барію, титанату барію-кальцію, цирконату-титанату барію-свинцю та ін.; різні марки використовують в залежності від характеру роботи п'єзоелементів (режим приймання або випромінювання, наявність механічних напруг, заданий інтервал температур).

Кам'яне литво - це деталі, одержані шляхом литва при температурі 1350-1550°С з розплавлених гірських порід (базальтів, діабазів), а також металургійних шлаків і ін. Для кам'яного литва характерні висока хімічна стійкість, механічна міцність, зносостійкість.

Скло - речовина аморфної будови, яке одержують при охолодженні не металевого розплаву. При нагріванні воно не плавиться, як кристалічна речoвина (не має критичних точок), а поступово розм'якшується і при дальшому нагріванні переходить у в'язко-текучий, а далі в рідкий стан. При охолодженні поступовий перехід до твердого і критичного стану, що називається скловарінням, а скло - переохолодженою рідиною; скло ізотропне.

По призначенню скло ділять на будівельне, товарно-побутове і технічне.

В залежності від вихідної сировини відрізняють силікатне (на основі Sі), боро-силікатне (В2О3 і 8Ю2), алюмосилікатне (АІ2О3 і 8іО2), бороалю-мосилікатне (В2О3, А12О і 8іО2). Алюмо-фосфорне (А12О3 і РгО5); силіко-титанове (8іО2 і 2гОг) і ін.

Крім цього, скло відрізняють за областю використання: електровакуу¬мне (люмінесцентні лампи, фотоелементи та ін.), хіміко-лабораторне (колби, хімічний посуд), світлотехнічне (прозоре, молочне, червоне, жовте і т.д.), оптичне скло тощо.

Скляним волокном називають скляні нитки товщиною від 1 до ЗО мкм. З скляного волокна виготовляють скляні тканини і пряжу, які просочують синтетичними смолами і одержують склотекстоліт. Скляні тканини і пряжу використовують для електроізоляції.

Папір і картон виготовляють з деревної і солом'яної маси, целюлози, паперової макулатури, ганчір'я з добавкою у паперову масу в залежності від призначення паперу і мінеральних речовин (крейда, каолін), фарбників і т.д.

Поруч з папером для письма і креслення використовують світлочутливий, термореактивний, фото-напівпровідниковий папір для одержання копій креслень і текстового матеріалу, а також фільтрувальний, тепло-, звуко- і во-логоізоляційний, антикорозійний папір і картон.

Електроізоляційний папір і картон (пробивна напруга від 240 до 620 В) використовується для виготовлення конденсаторів (конденсаторний папір), ізоляції кабельної продукції, пазової ізоляції, стартерів та ін.

Гетинакс електротехнічний випускають у вигляді листів товщиною від 0,4 до 50 мм в якості електроізоляційного матеріалу при роботі на повітрі і в трансформаторному маслі в інтервалі температур від -65 до +105 °С при напрузі до 1000 В і частоті струму до 106 Гц.

Конструкційний папір і картон використовують для виготовлення виробів, які можуть нести механічні навантаження без руйнування.

Фібра - конструкційний матеріал, який складається з просоченого хлористим цинком і спресованим в монолітну масу листів паперу. Фібру випускають у вигляді листів товщиною від 1 до 35 мм або трубок різних розмірів; для підвищення водостійкості фібру просочують парафіном або воском. Фібра має міцність близьку до міцності алюмінію, вона добре штампується, обробляється різанням. Фібру використовують як електро- і теплоізоляційний матеріал, для ущільнення місць з'єднання в приладах.

Технічні тканини в машинобудуванні використовують для шинного корда, привідних ременів, транспортерних стрічок, рукавів для рідин, а також фільтруючих пристроїв, прокладок, сит і ін.

Більшість технічних тканин виробляється простим полотняним переплетенням (шаховим), що забезпечує найкращий міцний зв'язок поперечними і поздовжніми нитками.

Шкіра технічна використовується в машинобудуванні для виготовлення приводних ременів, манжет ущільнюючих деталей, прокладок.