Основы технологии производства заготовок и деталей машин из
Неметаллических материалов
Особенности строения и классификация неметаллических материалов
Неметаллическими называют материалы, состоящие из конденсированных веществ с неметаллической химической связью (ковалентной (направленной), ионной или молекулярной).
Не только неорганические, но и органические неметаллические материалы имеют полимерное строение. Поэтому одним из основных отличий неметаллических материалов от металлов, сплавов и графита, имеющего также металлическую связь между плоскостями металлической решетки, являются их тепло- и электроизоляционные свойства. Другим важнейшим отличием основной массы неметаллических материалов от металлов и сплавов являются существенно меньшие значения их плотности.
Получение деталей из неметаллических материалов в большинстве случаев сводится к пластической деформации исходной сырой композиции или расплава и закрепления полученной формы последующей термообработкой или охлаждением. Такая, практически лишенная отходов, технология выгодно отличается от получения металлических деталей путем механической обработки заготовок.
Все неметаллические материалы подразделяются на два больших класса:
1) органические, т. е. на основе химических соединений (синтез) атомов углерода с H2; O2; N2 и другими элементами; а также атомов кремния и углерода с другими элементами (кремний органические):
| | | | | | | | | | | |
– С – С – С – С – С – – C – Si – C – Si – C – Si – C –
| | | | | | | | | | | |
органические кремний органические
Эти материалы применяют в качестве конструкционных материалов при изготовлении корпусов микросхем, футляров, ручек управления, декоративных деталей, каркасов, подложек, колодок, стоек и т. д.
Существуют следующие материалы органического происхождения: полимеры; пластмассы; каучуки и резины; лаки и эмали; клеи и герметики.
2) материалы неорганического происхождения – оксиды металлов и соединения различных оксидов, т. е. материалы на основе минеральных веществ. Эти материалы не взаимодействуют с кислородом, не горючи, обладают высокой механической прочностью (гораздо больше, чем органические).
Их применяют для изготовления деталей электротехники с высокими диэлектрическим свойствами и высокой механической прочностью при высоких температурах: основания микромодулей, высокотемпературные резисторы, подложки микросхем и т. д.
К материалам неорганического происхождения относятся:
1. Графит – одна из полимерных модификаций углерода (гальванические элементы, электроды, предохранители, осветительные угли, электрощетки).
2. Стекла – аморфные вещества, получаемые переохлаждением жидких расплавов высокой вязкости кислых и основных окислов. Стекла обрабатывают: полировкой, стравливанием поверхности. Внутреннюю структуру улучшают за счет создания стеклокристаллических материалов – ситаллов. Их получают путем полной или частичной кристаллизации. Это промежуточные материалы между стеклом и керамикой.
3. Керамика – неорганические кристаллические материалы, получаемые специальной обработкой минеральных композиций с последующим спеканием отформованного изделия (температура спекания 1500 – 25000С).
В более чем 80 % развитых стран в качестве средств пожаротушении используют порошки на основе неорганических материалов. Размер частиц и удельная поверхность частиц порошка оказывают влияние на ингибирование реакций горения и антиокислительный эффект, способствуют разрыву реакционных цепей внутри пламени (пропорционально площади удельной поверхности частиц). Применяемые в настоящее время огнетушащие порошки содержат в качестве основы неорганические соли (карбамид и его соединения, фосфаты, сульфаты, карбонаты магния, бария, кальция. диоксид кремния и др. Для повышения эффективности порошковых материалов для пожаротушения стремятся уменьшить размер частиц порошков до 4,5 нм. Этого достигают с помощью специальных технологий диспергирования, основанных на механохимической обработке глин с использованием специальных ПАВ.
Полимеры и их классификация
Полимеры (высокомолекулярные соединения) – это вещества, молекулы которых состоят из очень большого количества повторяющихся одинаковых элементарных звеньев, соединенных между собой химическими связями. Полимеры получают из мономеров – исходных веществ.
Соединение мономеров в полимер происходит при определенных давлении, температуре и в присутствии катализатора (т. е. вещества, способствующего протеканию реакции полимеризации).
H H неполярный
| | гомоцепный
этилен [ – С – С – ]n
полипропилен | |
бутадиен H H
стирол
О полиамид (капрон, нейлон)
| гетероцепный,
[– С – N – ]n полярный
|
Н
Н H поливинилхлорид
| | гомоцепный
[ – С – С – ]n полярный
| |
Н Cl
F F фторопласт
| | гомоцепный
[– C – C – ]n неполярный
| |
F F
полиформальдегид
H гетероцепный
| неполярный
[– C – O –]n
|
H
По методам получения полимеры подразделяют на:
1) полимеризационные, т. е. получаемые без выделения побочных продуктов n · A’ → [ - A - ]n
Полимеризация – это процесс соединения мономерных молекул в макромолекулы за счет перераспределения связей в молекуле мономера.
Например: этилен, мономолекула (CH2 = CH2)
n(CH2 = CH2) → CH2 – CH2 – CH2 – CH2 → ( – CH2 – CH2 – )n
H H H H
| | | |
n ( C = C ) → ( – C – C – )n n – степень полимеризации
| | | |
H H H H
2) поликонденсационные, т. е. получаемые с выделением побочных продуктов n · A’ → [– B ]n + n · C
Конденсация – образование высокомолярных соединений из низкомолярных с выделением побочных веществ (воды, хлора, аммиака и др.). В название добавляется слово “смола”, например, фенол + формальдегид = фенолформальдегидная смола.
Полимеры классифицируют по форме макромолекулы (рис. 1):
а) линейные;
б) разветвленные (полиизобутилен);
в) лестничные (кремний органические полимеры);
г) сетчатые; высокая хрупкость,
д) пространственные. не способны размягчаться.
Рисунок19 - Макромолекулы полимера
Линейные и разветвленные – термопластичны, т. е. обратимо изменяют свойства при изменении температуры, их можно многократно переводить из жидкого (мягкого) состояния в твердое при сохранении исходных свойств. Они хорошо растворяются в растворителях.
Лестничные, сетчатые и пространственные – термореактивные, т. е. необратимо меняют свойства при изменении температуры. Они нерастворимы в растворителях.
Основной недостаток полимеров – разрушение основной цепи макромолекулы (деструкция) под действием внешних факторов (тепла, света, кислорода, радиации, механического воздействия).