Неметаллические материалы

Шпон  — широкая ровная стружка древесины, получаемая путем лущения или  строгания. Толщина листов шпона  от 0,55 до 1,5 мм. Шпон является полуфабрикатом для изготовления фанеры, древесных  слоистых пластиков и выклейки гнутых деталей. Шпон с красивой текстурой (дуб, бук и др.) используется в  качестве облицовочного материала  для изделий из древесины.

Фанера  — листовой материал, получаемый путем  склейки слоев шпона. Толщина  фанеры от 1 до 12 мм, более толстые  материалы называют плитами. В зависимости  от склеивающего шпон клея и степени  водостойкости фанера выпускается  следующих марок: ФСФ на фенолоформальдегидном  клее с повышенной водостойкостью, ФК — на карбамидном и ФБА на альбуминоказеиновом клеях со средней  водостойкостью и ФБ на белковых клеях  ограниченной водостойкости. 
Березовая фанера имеет вдоль волокон рубашек ?в = 6,5 -г 8 кгс/мм2.

Прессованная  древесина получается при горячем  прессовании брусков, досок, заготовок, при этом она подвергается специальной  термообработке в уплотненном состоянии.

Прессованная  древесина имеет следующие свойства: объемную массу 1,1-1,42 г/см3, предел прочности  вдоль волокон при растяжении 14-23 кгс/мм2, при сжатии 9-13 кгс/мм2, при  изгибе 15-20 кгс/мм2, ударную вязкость 60-80 кгс- см/см2.

Прессованная  древесина является заменителем  черных и цветных металлов и пластмасс. Она широко применяется для изготовления деталей машин, работающих при ударных  нагрузках (кулачки, сегменты зубчатых передач, подшипники, втулки и т. д.). Вкладыши из древесины по сравнению  с бронзовыми имеют вдвое меньший  износ, снижается расход смазочного масла.

Древесностружечные  плиты изготовляют горячим прессованием древесной стружки со связующим. Плиты выпускают однослойными (ПС-1, ПТ-1), трехслойными (ПС-3, ПТ-3) и облицованными  шпоном, фанерой, бумагой (ЭС, 
ЭМ).

. Древесностружечные  плиты легкие, имеют объемную  массу 0,35-0,45 г/см3, 
?и = 0,5 кгс/мм2, обладают теплоизоляционными свойствами [? = = 0,045 ккал/(м ? ч°С)]. Для тяжелых и сверхтяжелых плит объемная масса достигает 
0,75—1,1 г/см3 и ?„ = 2,1 - 5,3 кгс/мм2. Древесностружечные плиты применяют для пола и бортов грузовых машин и прицепов, в вагоностроении, в строительстве, для производства мебели и т. д.

Древесноволокнистые плиты изготовляют из древесных  волокон (размельченной древесины), иногда с добавками связующих  составов. Под действием высокой  температуры и большого давления древесные волокна спрессовываются  в равнопрочный материал. Плиты подразделяют на мягкие пористые (М-4, М-12, М- 
20), полутвердые (ПТ-100), твердые (Т-350 Т-400) и сверхтвердые (СТ-500). В обозначении марки плит цифры означают ?„ в кгс/см2. В промышленности выпускают также акустические плиты, имеющие коэффициент звукопоглощения 0,2- 
0,3 при частоте колебаний 300 Гц и 0,4-0,5 при 1000 Гц. Древесноволокнистые плиты применяют для облицовки пассажирских вагонов, внутренней отделки автобусов в радиотехнической промышленности, в строительстве и т.д.

_______НЕОРГАНИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ_______

Неорганическим  материалам присущи негорючесть, высокая  стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они  обладают повышенной хрупкостью, плохо  переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям и имеют большую плотность По сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным  образом окислы и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство  неорганических материалов -содержит различные соединения кремния с  другими элементами, эти материалы  объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют  не только соединения кремния, но и  чистые окислы алюминия, магния, циркония и др., обладающие более ценными  техническими свойствами, чем обычные  силикатные материалы.

Неорганические  материалы подразделяют на неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы  — ситаллы и керамику.

 
1. НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

Неорганическое  стекло следует рассматривать как  особого вида затвердевший раствор  — сложный расплав высокой  вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное  состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При  переходе стекла из расплавленного жидкого  состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и  нарастания вязкости беспорядочная  структура, свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается;). В связи  с этим неорганические стекла характеризуются  неупорядоченностью и неоднородностью  внутреннего строения.

Стеклообразующий  каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами [SiO4]4- 
. На рис. 8 (а) показана такая сетка кварцевого стекла. При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например, на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного [SixAlO4]z- ~ или боросиликатного [SixBO4]z- стекол. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных 
(Са, Mg, Ва) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (рис. 8(б)). 
Введение Na2O или других модификаторов разрывает прочные связи Si — О — Si и снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

[pic]

Рис. 8. Структура неорганического стекла: а - кварцевого;

6 - натрийсиликатного

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие окислы кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку  и модифицирующие окислы натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят окислы алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие и этим сообщать стеклу нужные технические  характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла  классифицируют по ряду признаков: по стекло образующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости  от химической природы стекло образующего  вещества стекла подразделяют на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (А12О3 —SiO2), боросиликатные (В2О3 — SiO2), алюмоборосиликатные (А12ОЭ — В2О3 — SiO2), алюмофосфатные (А12О3—РгО5) и др.

По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими окислы 
Na2O, К2О), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические,, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные 
(оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные,

бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся  к алюмоборосиликатной группе и  отличаются разнообразием входящих окислов. Стекла выпускаются промышленностью  в виде готовых изделий, заготовок  или отдельных деталей!

Общие свойства стекла. При нагревании стекло плавится в некотором температурном  интервале, который зависит от состава. Для промышленных силикатных стекол температура стеклования te = 425 - 600"С, температура размягчения tp лежит  в .пределах

600 —  800сС. В интервале температур между  t0 и tр стекла находятся в  высоко

вязком  пластическом состоянии. При температурах выше tp (1000—1100°С) проводятся все технологические  процессы переработки стекломассы  в изделия.

Свойства  стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность колеблется от 2,2 до 6,5 г/см3 (с окислами свинца, бария  —до 8 г/см3).

Механические  свойства стекла- характеризуются высоким  сопротивлением сжатию (50 — 200 кгс/мм-2), низким пределом прочности при растяжении (3 — 9 кгс/мм2) и изгибе (5 —15 кгс/мм2).. Модуль упругости высокий (4500 до 104 кгс/мм2), коэффициент Пуассона ?. = 0,184 -0,26. Твердость  стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапания по минералогической шкале Мооса и равна 5—7 единицам (за 10 единиц принята твердость алмаза, за единицу — талька). Ударная  вязкость стекла низкая, оно хрупкое {а = 1,54-2,5 кгс-см/см2). Более высокие  механические характеристики имеют  стёкла бесщелочного состава и кварцевые.

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

Термостойкость  стекла характеризует его долговечность  в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать  без разрушения при его резком охлаждении в воде 
(0°С). Коэффициент линейного расширения а стекла составляет от 5,6-10" 7 
1/°С (кварцевое) до 90-10~7 1/°С (строительное), коэффициент теплопроводности—от 0.57 до 1,3 ккал/(м-ч°С). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800 — 1000°С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих" их компонентов: окислы SiO2, ZrO2 , TiO2, B2O3, AI2O3, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а окислы Li2O, Na2O, K2O, BaO u 
РЬО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут' быть повышены путем закалки и термохимического упрочнения.

Закалка, заключается в нагреве стекла до температуры выше tc и последующем  быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в. масле. При этом сопротивление статическим  нагрузкам увеличивается в 3 — 6 раз, ударная вязкость в 5 —7 раз. При закалке  повышается также термостойкость стекла..

Термохимическое упрочнение основано на 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, по сравнению с результатом обычной  закалки, упрочнение. Повышение прочности  и термостойкости можно получить травлением за* каленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются  поверхностные дефекты, снижающие  его качество.

Силикатные  триплексы представляют собой два  листа закаленного стекла 
(толщиной 2 — 3 мм), склеенные прозрачной, эластичной полимерной пленкой. 
При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими' и гнутыми.

Термопан  — трехслойное стекло, состоящее  из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка  обеспечивает теплоизоляцию.

Применение  технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно  триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические  стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты— с высоким содержанием  окиси свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые  флинты не пропускают рентгеновские  и лучи. 
Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление  кабин и.помещений, где находятся  пульты управления мартеновских и электрических  дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими  окислы железа и ванадия, которые  поглощают около 70% инфракрасного  излучения в интервале длин волн 0,7 — 3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической  и химической стойкости применяют  для тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. 
Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т.д.

Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое  применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционные  стекловолокнистые материалы. Эти  материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим количеством  воздушных прослоек, волокна в  них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (от 20 до 130 кг/м3) и низкую теплопроводность [?= 0,030-0,0488 ккал/(м-ч-0С)].

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных  между двумя слоями стеклоткани  или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале  температур от — 60 до 450 —600°С. Иногда стекловолокна  сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру 
(материал АТИМСС), рабочие температуры — до 150°С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна и синтетических смол, называются плитами. Коэффициент звукопоглощения плит при частоте 200-800 Гц равен 
0,5; при частоте 8000 Гц - 0,65.