Лабораторная работа №7
«Общее знакомство с композиционными
и неметаллическими материалами»
Цель работы: изучить композиты и неметаллы как материалы конструкционного назначения.
К работе допущен:
Работу выполнил:
Работу защитил:
Теоретическая
часть
Композиты – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (армирующие элементы и скрепляющая их матрица) и обладающие свойствами, отличными от суммарных свойств компонентов. При этом компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом не поглощать друг друга.
Композиционные материалы представляют собой широкий класс материалов, объединяющий металлы, полимеры, керамики.
По характеру структуры композиты делятся:
Волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами или нитевидными кристаллами;
Дисперсно-упрочненные материалы, полученные путем введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей;
Слоистые материалы, созданные путем прессования и прокатки разнородных материалов.
Неметаллические материалы находят широчайшее применение во всех отраслях промышленности, в частности, в машиностроении и приборостроении, что обусловлено их ценными специфическими свойствами. К неметаллическим материалам относятся: пластические массы (пластмассы), резина, стекло, керамика, клеи, лако-красочные материалы, цементы и бетоны, древесные материалы и пр.
В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Полимеры – это природные или синтетические высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых состоят из связанных друг с другом многократно повторяющихся частиц (элементарных звеньев) – мономеров. Отличительной особенностью полимеров является гибкость макромолекулы.
Пластические массы (пластмассы)
Многообразие физико-механических свойств делает пластмассы ценным конструкционным материалом.
Пластмассы — это твердые или упругие материалы на основе полимеров, пригодные для переработки в изделия в результате пластической деформации под влиянием нагревания и давления и способные затем сохранять закрепленную в результате охлаждения или отверждения форму.
В зависимости от количества компонентов все пластмассы подразделяют на простые и сложные, или композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т. д.) состоят из одного компонента ‑ синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) ‑ из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль.
В состав композиционных пластмассвходят следующие группы веществ:
Связующее – смола (содержание ее в пластмассе достигает 30 ‑ 70%). Свойства связующего во многом обусловливают физико-механические и технологические свойства пластмассы.
Наполнители различного происхождения ‑ для повышения механической прочности полимеров, их теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции. Количество наполнителей составляет 40 – 70 %. Наполнители могут быть органическими (добавляются для упрочнения) и неорганическими (для повышения стойкости материала, изменения его физических свойств). В зависимости от форм частиц наполнители подразделяются на порошковые, волокнистые и листовые, армирующие.
Пластификаторы ‑ для улучшения формуемости пластмасс, их эластичности, текучести, гибкости и уменьшения хрупкости при переработке.
Смазывающие вещества увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиций, устраняют прилипание прессуемых изделий к пресс-формам.
Стабилизаторы предотвращают старение полимера, т.е. необратимое изменение его свойств под действием света или повышенной температуры. Например, для защиты полиэтилена от действия ультрафиолетовых лучей в него вводят сажу.
Катализаторы (известь, магнезия и др.) ускоряют отвердение пластмасс.
Красители (сурик, нигрозин и др.) вводятся в количестве 1 ‑ 1,5%, окрашивают пластмассы в требуемый цвет.
При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро- и пенопластов) в полимеры вводят газообразователи ‑ вещества, которые разлагаются при нагревании с выделением газообразных продуктов.
Иногда в состав пластмасс вводят специальные яды, придающие материалу стойкость против плесени и некоторых насекомых.
В зависимости от строения макромолекул полимерные вещества по-разному относятся к нагреванию и по этому признаку разделяются на термопластичные и термореактивные.
Термопласты ‑ эластичны, плавятся или размягчаются при нагреве и при охлаждении снова переходят в твердое состояние. Этот процесс может происходить неоднократно.
Реактопласты ‑ при нагревании легко переходят в вязко-текучее состояние, но при длительном нагреве в результате химической реакции переходят в твердое нерастворимое состояние. Отвердевшие реактопласты нельзя повторным нагревом вновь перевести в вязко-текучее состояние.
Пластмассы разделяют на жесткие, имеющие незначительное относительное удлинение и называемые пластиками (поликарбонат, гетинакс, фенопласт, стеклопластик, текстолит, асбест), и мягкие, обладающие большим относительным удлинением и малой упругостью и называемые эластиками (полиэтилен, полиуретан, паронит, капрон, поливинилхлорид).
Резина
Резина ‑ сложная смесь различных компонентов. Свойства резиновых изделий определяются различным соотношением этих компонентов, к которым относятся следующие вещества.
Каучук, натуральный или искусственный, представляет собой полимер с высоким молекулярным весом, исчисляемым обычно сотнями тысяч и миллионами. Каучук является основным носителем эластических, прочностных и других конструкционных свойств резины.
Вулканизирующие вещества (обычно сера). Количество серы определяет эластичность резиновых изделий. Так, мягкие резины содержат 1 ‑ 3% S от массы каучука; твердые резины (эбонит) ‑ до 30% S. Добавки к каучуку хлористой серы обеспечивают холодную вулканизацию.
Ускорители вулканизации. Вулканизация ‑ длительный процесс и для его ускорения вводят 0,5 ‑ 1,5% ускорителей вулканизации (окись магния, окись цинка и т. д.).
Активаторы ускорителя ‑ цинковые белила и магнезия.
Наполнители уменьшают расход каучука, улучшают эксплуатационные свойства изделий. Наполнители подразделяют на порошкообразные и ткани. В некоторых случаях для придания высокой прочности изделиям их армируют стальной проволокой или сеткой, стеклянной или капроновой тканью.
Мягчители служат для облегчения процесса смешивания резиновой смеси и придания резине мягкости и морозоустойчивости.
Противостарители ‑ для замедления процесса окисления.
Красители (охра, пятисернистая сурьма, ультрамарин и др.) вводят в смесь в количестве до 10% от массы каучука.