Неметаллические материалы

1. Лекция 13 Неметаллические материалы

Содержание
1. Керамические материалы
2. Полимеры

2. Керамические материалы

• Керамикой называют материалы, которые получают спеканием
порошков оксидов металлов. Для всех керамических материалов
характерным является высокая твердость и хрупкость. Поэтому при
конструировании изделий из керамики необходимо учитывать
возможность разрушения при действии динамических и циклических
сил, а также тепловом воздействии. Однако в последние десятилетия
разработаны новые конструкционные керамические материалы,
которые могут заменять металлы и металлические сплавы,
обеспечивая более высокие характеристики изделия.
• Число различных видов керамики, как и число металлических
сплавов, огромно. Однако особый интерес представляют следующие
классы
керамических
материалов:
аморфные
керамические
материалы (глины), которые используются для изготовления
сантехники, огнеупоров, плитки и т.д.;
новые керамические
материалы, которые применяются для изготовления деталей машин и
режущих инструментов;
стекло на основе диоксида кремния;
природные камни и минералы; многофазные керамики - цемент и
бетон.

3. Типы керамических материалов

1. Аморфная керамика
Типичный состав
Область применения
Фарфор
Водные алюмосиликаты
Электроизоляторы
Глина
Al2(Si2O5)(OH)4 в смеси с другими
Строительство зданий
Кирпичи
материалами
Огнеупоры.
2. Кристаллическая керамика
Химический состав
Область применения
Оксид алюминия
Al2O3
Режущий инструмент,
Карбид кремния
SiC, Si3N4
Износоустойчивые материалы,
Оксид циркония
ZrO + 5 вес. % MgO
броня
Типичный состав
Область применения
3. стекла
Натриевое стекло
70% SiO2 ,10% CaO, 15%Na2O
Оконное стекло
Боросиликатное стекло
80% SiO2, 15% B2O3, 5% N2O
Огнеупорное стекло
4.Строительные минералы
Известняк (мрамор)
Песчаник
5. Гранит
6. Цемент
Химический состав
Основа CaCO3
Основа SiO2
Алюмосиликаты
CaO +SiO2 + Al2O3
Область применения
Строительные
конструкции
Литые конструкции

4. Атомно-кристаллическая структура керамики MgO. (Ионный тип связи)

• Структуру оксида магния можно охарактеризовать, как ГЦК решетку
кислорода с одним ионом магния, расположенном в каждом
октаэдрическом межузлие. Тогда каждый ион магния будет иметь
шесть соседей ионов кислорода и наоборот.

5. Атомно-кристаллическое строение керамики SiC. (Ковалентный тип связи)

6. Механические свойства керамических материалов

• Величина модуля упругости большинства керамик выше, чем у металлов,
что связано с жесткостью ионной связи оксидов металлов и ковалентной
связи в силикатах. Так как керамические материалы в основном состоят из
легких атомов (кислорода, углерода, алюминия, кремния), а их
кристаллическая структура не является плотноупакованной, плотность
керамических материалов невелика.
• Ионные и ковалентные межатомные связи в керамических материалах
обусловливают сильное сопротивление решетки движению дислокаций. Так в
случае ковалентной связи образующие ее электроны сосредоточены в
области между связанными атомами. При движении дислокации через такую
структуру необходимо разорвать и вновь сформировать эти связи. При
ионной связи сопротивление движению дислокации сильно зависит от
направления.
• Величина напряжения, необходимого для перемещения дислокаций в
керамиках, обычно составляет примерно Е/30(~5ГПа), в то время как у таких
металлов как медь или свинец это напряжение составляет Е/103. Поэтому
важным недостатком керамических материалов заключается в их низкой
пластичности. Как следствие, величина рассеянной энергии мала и вязкость
разрушения низкая. В результате КС керамических материалов оказывается
примерно в пятьдесят раз ниже, чем у металлов. Необходимо учитывать
также, что в керамиках всегда присутствуют микротрещины и поры.

7. Структура керамики

8. Схема микроструктуры керамики

9. Химический состав стекла

Стеклом называются аморфный материал, получаемый путем
переохлаждения расплава. Независимо от состава и температурной
области затвердевания стекло обладает, в результате постепенного
увеличения вязкости, механическими свойствами твердого тела.
Переход из жидкого состояния в твердое является обратимым.
В состав стекла входят кремнезем SiO2, оксиды натрия Na2O,
калия K2O, кальция СаО, магния MgO, алюминия Al2O3, свинца PbO,
бора B2O3 и др. Каждый оксид придает стеклу определенные
свойства. В состав современных стекол включают от 3 до 10 и более
оксидов, так как к стеклам предъявляются самые разнообразные
требования. Например, художественное стекло для декоративной
обработки должно быть чистым, прозрачным, хорошо преломляющим
световые
лучи,
окрашивающимся
в
различные
цвета.
Составы стекол выражают обычно в процентах по массе оксидов,
входящих в данное стекло. Например, состав свинцового хрусталя, %
по массе: SiO2 — 57,5; Al2O3 — 0,5; K2O — 15,5; B2O3 — 1,5; PbO —
24; ZnO — 1.

10. Структура кварцевого стекла

11. Свойства керамических материалов и стекла

Материал
Плотность,
кг/м3
Модуль
упругости,
ГПа
Прочность
(сжатие)
МПа
Прочность
( изгиб)
МПа
Температура
плавления,ºC
(размягчения)
Натриевое стекло
Стекло боросиликатное
2,5
2,23
74
65
1000
1200
50
55
(1200)
(1300)
Оксид алюминия
3,9
380
3000
400
2600
Карбид кремния
Нитрид кремния
3,2
3,2
410
310
2000
1200
500
600
3400
2400
Оксид циркония
5,6
200
2000
400
3100
Цемент
Известняк
Гранит
2,4
2,7
2,6
20
63
70
50
60
100
7
20
23
----

12. Технология изготовления деталей из керамики

Способы изготовления керамик разных типов несколько различаются.
Тем не менее основные стадии процесса изготовления являются
общими для большинства керамических материалов. Сначала
измельчают шихту до очень тонкого размола, затем добавляют воду или
специальные органические пластификаторы и связующие для придания
смеси пластичности. Полученную пластическую массу обрабатывают в
вакуум-прессах для удаления включений воздуха, после чего получают
гомогенную массу, которую подвергают формовке, прессованию или
экструдированию. Полученные заготовки сначала сушат на воздухе, а
затем спекают в высокотемпературной печи до конечного твердого
состояния. При изготовлении заготовок необходимо учитывать их усадку
в процессе спекания. В некоторых случаях после высушивания заготовок
на воздухе или в специальных обогреваемых камерах их можно
подвергать обработке резанием перед окончательным спеканием.

13. Схемы формообразования деталей из керамики

Прессование

14. Керамические детали

15. Керамические детали

16. Применение керамики

Свойство
Материал
Применение
Твердость
Оксид алюминия
Режущий инструмент
Износостойкость
Оксид алюминия
Подшипники
Термостойкость
Карбид кремния
Детали двигателей
Твердость и вязкость
разрушения
Карбид бора
Броня, лопатки
Износостойкость
Оксид циркония
Протезы суставов

17. Полимеры

Полимеры это химические соединения с высокой молекулярной массой,
молекулы которых состоят из большого числа регулярно или нерегулярно
повторяющихся звеньев одного или нескольких типов.
Современные полимеры обладают благоприятным сочетанием жесткости,
прочности и легкости. Путем кристаллизации, поперечной сшивки и
ориентации молекул создаются полимеры, жесткость которых не уступает
жесткости металлов, например алюминия.
Полимеры классифицируют в зависимости от их свойств.
1. Термопласты – полимеры, легко размягчающиеся при нагревании,
например полиэтилен.
2. Реактопласты – полимеры, которые отверждаются после смешивания
их с отвердителем.
3. Эластомеры – полимеры, которые способны к большим обратимым
деформациям.
Полимеры состоят из длинных молекул, в которых роль основы играют
атомы углерода, ковалентно связанные друг с другом. Длинные полимерные
молекулы соединены гораздо более слабыми Ван-дер-Ваальсовскими
связями, а иногда редкими поперечными ковалентными (сшивками). Энергия
разрушения слабых межмолекулярных связей невысока ( 10 – 20 дж/моль).

18. Схема молекулы полиэтилена

— CH2—CH2—CH2—CH2— . . . →
[CH2]n

19.

20. Схема структуры аморфного полимера

21. Термопласты

• Термопласты — это
полимеры, которые
при нагревании в процессе
переработки переходят из твердого агрегатного состояния, в
жидкое:
высокоэластическое или вязкотекучее, что обеспечивает возможность
формования их различными методами. Эти переходы обратимы и могут
повторяться многократно, что позволяет, в частности, производить переработку
бытовых и производственных отходов из термопластов в новые изделия.
• Полимеры-термопласты могут иметь: линейное или разветвлённое строение,
быть аморфными (полистирол, полиметилметакрилат), полукристаллическими
(полиэтилен, полипропилен).
• Линейные
(или
разветвленные)
полимеры,
т.
е.
полимеры,
макромолекулы которых представляют собой цепочечные последовательности
повторяющихся звеньев. Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки
и эластичны, большинство из них легко размягчается и расплавляется.
• В большинстве случаев термопласты являются аморфными полимерами или
имеют аморфно-кристаллическое строение. Как правило, они не растворимы в
воде, растворимы в близких по природе органических растворителях, стойки к
кислотам и щелочам и мало гигроскопичны.

22. Применение термопластов

Полимер
Состав, формула
Применение, свойства
Полиэтилен (ПЭ)
(—СН2СН2—)n
Частично кристаллический
Трубы, пленка, упаковка,
электроизоляция.
Полипропилен (ПП)
[-CH2-CH(CH3)-]n
Частично кристаллический
Используется как ПП. Легче,
жестче, устойчивее ПП.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ)
(тефлон, фторопласт)
(-C2F4-)n
Частично кристаллический
Термостойкий полимер,
низкий коэффициент трения
Полистирол (ПС)
[-СН2-С (С6Н5)Н-]n
Аморфный
Легкая упаковка, посуда.
Поливинилхлорид (ПВХ)
(полихлорвинил)
[-CH2-CHCl-]n
Аморфный
Строительные изделия,
шланги,
заменитель кожи, линолиум.
Полиметилметакрилат
(ПММА)
(оргстеко)
[-CH2C(CH3)(COOCH2)-]n
Аморфный
Прозрачные листы,
иллюминаторы.

23. Реактопласты

В отличие от полимеров-термопластов, в которых отдельные
макромолекулы не связаны друг с другом, в термореактивных
полимерах реализуется высокая степень поперечной сшивки,
поэтому при нагревании эти нити не меняют свое положение, как
в термопластах, и такой полимер при нагревании не размягчается.
Эти поперечные сшивки приводят к увеличению прочности и
химической устойчивости термореактивного полимера, что
позволяет использовать термореактивные полимеры в различных
областях промышленности – от электронной до аэронавтики, но
эти же сшивки, равно как и высокая устойчивость термореактивных
полимеров, делает их весьма сложными объектами для вторичной
переработки.

24. Свойства и применение реактопластов

Фенолформальдегид (ФФА) отличается высокими прочностью,
жесткостью, твердостью, а также низкой ползучестью.
ФФА
характеризуется
небольшим
коэффициентом
теплового
расширения. Из ФФА чаще всего производят такие изделия, как
корпуса
электрооборудования,
детали
насосов,
шкивы.
Эпоксидные смолы (ЭС) Для ЭС характерны большая адгезионная
способность, высокая прочность, а также отличные диэлектрические
свойства. Кроме того, они обладают низкой степенью усадки и
высокой химической стойкостью, а также стойкостью к образованию
трещин под действием внешних нагрузок. К наиболее типичным
изделиям из ЭС относятся детали выключателей и рубильников,
корпуса
электрооборудования,
защитные
оболочки.
Сшитые полиуретаны (ПУ) Сшитому ПУ присущи большая
адгезионная способность, высокая ударная прочность, быстрое
отверждение, малая усадка и низкая стоимость. К наиболее
распространенным сферам применения ПУ относится производство
корпусов теле- и радиоприемников, копировальной техники и
компьютеров.

25. Эластомеры

Эластомеры (каучуки) – это линейные полимеры с небольшим количеством
поперечных сшивок. Поперечные сшивки обеспечивают «память формы»
материала, который после снятия нагрузки возвращает начальную форму.
Полиизопре́н [-CH2-C(CH3)=CH-CH2-]n Известны природный и синтетический
полиизопрены. Природный полиизопрен является основным компонентом
натурального каучука. Синтетический полиизопрен является аналогом
натурального каучук.
Полибутадие́н [-CH2CH=CHCH2-]n — синтетический полимер, продукт
полимеризации бутадиена. В зависимости от природы катализатора, способа
и условий полимеризации молекулы бутадиена могут соединяться в цепи
полибутадиена в трех различных положениях.
Широко применяются
каучукоподобные полибутадиены — бутадиеновые каучуки.
Полихлоропрен — синтетический каучук, получаемый сопопимеризацией
хлоропрена с добавкой 5...30% других мономеров. Хлоропреновый каучук
обладает хорошими клеящими свойствами, поэтому его используют в клеящих
мастиках. Вулканизированные каучуки обладают высокой масло-, бензо- и
теплостойкостью.

26. Факторы определяющие свойства полимеров

1. Сополимеризация - полимеризация, в которой участвуют два или несколько
различных мономеров. В результате сополимеризации образуются
сополимеры, макромолекулы которых состоят из двух или более разнородных
структурных
звеньев.
Сополимеризация
позволяет
получать
высокомолекулярные вещества с разнообразными свойствами.
2. Степень полимеризации – это число мономерных звеньев в молекуле
полимера. Обычно степень полимеризации порядка 102—104. Увеличение
степени полимеризации приводит к увеличению прочности.
3. Увеличение степени кристалличности. Полимеры в кристаллическом
состоянии обладают большей прочностью, меньшей текучестью. Однако
всегда сохраняются области с неупорядоченной, аморфной структурой.
4. Поперечная сшивка. Процесс образования дополнительных ковалентных
связей между атомами соседних молекулярных цепочек полимера.
5. Ориентированное состояние, в котором длинные цепные молекулы имеют
преимущественное расположение своих осей вдоль некоторых направлений.
Простейший и наиболее часто встречающийся на практике вид ориентации —
одноосная ориентация.

27.

28. Влияние температуры на деформируемость полимера

29. Физические состояния полимеров

• СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние, в котором полимер обладает
физ-мех. свойствами твердого тела при сохранении структурной
неупорядоченности, присущей жидкому или высокоэластичному
состоянию. Полимерные стекла состоят из длинных макромолекул с
заторможенным внутренним вращением.
• Высокоэластическое состояние проявляется
у полимеров,
макромолекулы которых прочно связаны в пространственную сетку,
имеющую достаточно длинные и гибкие отрезки цепного строения
между узлами. Полимеры в В. с. отличаются способностью к большим
обратимым деформациям и выделением тепла при растяжении.
• ВЯЗКОТЕКУЧЕЕ СОСТОЯНИЕ, одно из основных физических состояний
полимеров, при котором они обладают текучестью. Переход в B.C.
возможен при температурах, превышающих т-ру текучести (Tт)
полимера. Для эластомеров Tт обычно ниже комнатной т-ры, для
пластиков - выше.

30. Производство деталей в вязкотекучем состоянии полимера

• Прессование
• Литье под давлением

31. Изготовление деталей из полимеров в высокоэластичном состоянии

Механическая вытяжка
Вакуумная формовка

32. Разрушение полимеров

Предел прочности полимерных материалов невелик по сравнению с
прочностью металлов и керамик. Как правило, термореактивные
полимеры (в которых имеется густая сетка поперечных связей)
разрушаются хрупко. Проще говоря, процесс разрушения происходит
таким образом, что трещина образуется в области, в которой имеет место
концентрация напряжений (т.е. царапины, надрезы и полости). Как и в
случае металлов, напряжения возрастают в вершине трещины, что
приводит к ее распространению и, в конечном счете, к разрушению. При
этом в момент разрушения образца ковалентные связи в сетке или в
структуре
поперечных
сшивок
разрываются.
Разрушение термопластичных полимеров возможно как по
пластичному, так и по хрупкому механизму, причем для многих полимеров
может наблюдаться переход от пластичного к хрупкому разрушению.
Хрупкому разрушению способствуют такие факторы как понижение
температуры и увеличение скорости деформации, а также наличие
острых надрезов, увеличение толщины образца и любая модификация
химической структуры полимера, которая приводит к увеличению
температуры стеклования (Tg). Стеклообразные полимеры разрушаются
хрупко
при
температуре
ниже
температуры
стеклования.

33. Свойства полимеров и металлов

Материал
Е, ГПа
ρ,кг/см3
σВ , МПа
К1С,МПа/м3/2
Сталь
210
7,8
500-1000
50- 100
Алюм. Спл.
70
2,7
300 - 700
20 – 40
ПЭ
0,2 – 0,7
0,9
20 - 30
1–2
Эпоксиды
2-3
1,2
30 - 120
0,1 – 0,3
полистирол
3–4
1,1
30 – 40
2-3