Древесные конструкционные материалы
Древесина подразделяется на две разновидности:
лиственные породы: дуб, клен, береза, липа и др.
хвойные породы: ель, сосна, кедр сибирский и др.
Плотность древесины составляет 0,46…0,76 г/см , предел прочности при растяжении вдоль волокон 101…161 МПа.
По строению древесина является композиционным материалом из прочных волокон целлюлозы и тонких прослоек лигнина.
Основные разновидности древесных материалов:
Прессованная древесина, получаемая горячим прессованием с последующей специальной обработкой. Используют для изготовления подшипников, втулок и других деталей машин.
Древесноволокнистые плиты изготовляют горячим прессованием из- мельченной древесины, иногда со связующим. Применяют для облицовки и отделки пассажирских вагонов железнодорожного транспорта, автобусов и т.д.
Древесностружечные плиты получают горячим прессованием древесной стружки со связующим. Эти плиты используют в вагоностроении , для производства мебели и др.
Фанера представляет собой листовой материал толщиной 1…12 мм. Изготовляется путем склеивания слоев шпона, представляющего собой широкую ровную стружку древесины в виде листов толщиной 0,55…1,5мм.
Керамические технические материалы
Керамические материалы получают из синтезированных или природных тонкодисперсных порошков неорганических химических соединений (оксидов, нитридов и др.). Для приготовления керамической массы применяют и вспомогательные вещества: пластификаторы, улуч- шающие формование непластичных порошков, связующие вещества, смазывающие жидкие масла с малым поверхностным натяжением, приме- няемые для уменьшения трения и прилипания массы к поверхности прессформы, поверхностно – активные вещества (олеиновая и стеариновая кислоты), уменьшающие смачивание керамических частиц.
|
|
В приготовлении керамической массы важнейшими операциями являются: измельчение исходных материалов, составление смеси порошков, гранулирование и сушка керамических масс. Материалы в виде кусков различных размеров с различными физическими свойствами размельчают механическим путем (дробят и размалывают). Сначала производят грубое дробление до размера частиц 10…15 мм, затем среднее – до размера частиц 1мм и мелкое дробление. Измельченный материал просеивают через металлические сита, пропускают через магнитный сепаратор для отделения ферромагнитных примесей и направляют для повторного мелкого помола, обычно совмещаемого со смешиванием компонентов. Часто помол осу- ществляется с добавлением воды.
Смесь исходных материалов получают смешиванием тонкодисперсных компонентов или одновременным тонким измельчением и смешиванием исходных компонентов. Наибольшее распространение в производстве керамических изделий получили пресс-порошки, литьевые шликеры и пластичные формовочные массы. Эти массы отличаются друг от друга содержанием пластификаторов. При малом содержании пластификаторов 3…10% получают пресс-порошки, при 7…20%-ном содержании пласти- фикаторов-пластичные формовочные массы и при большем содержании пластификаторов (до 40%) – литьевые шликеры.
|
|
Процесс формования изделий из керамических масс основан на способности их к пластическому течению без нарушения сплошности под действием внешних сил и сохранении полученной формы. Свойства пластичности керамической массе обычно придают специальные вещества – пластификаторы. В производстве наиболее часто формование изделий выполняют следующими способами: прессованием, шликерным литьем, формованием из пластичных масс, прокаткой.
Сформованные заготовки подвергаются обжигу. При обжиге проис- ходит спекание керамического материала в результате протекания ряда физико – химических процессов с приобретением изделиями определенных свойств, уплотнение и упрочнение материала за счет протекания процессов переноса и перераспределения веществ. Обжиг осуществляют в печах периодического или непрерывного действия.
|
|
Керамические материалы относятся к телам кристаллического строения и состоят из большого количества зерен химических соединений. Размер зерен, как правило, 50…100 мкм и более. В зернах наблюдается упорядоченное расположение ионов в пространстве в виде некоторой кристаллической решетки. Кристаллы оксидов и других неорганических химических соединений имеют в основном ионный характер сил связи (ионные кристаллы). Основу ионной связи составляет электростатическое притяжение между ионами с положительным зарядом (катионами) и с отрицательным зарядом (анионами). Ионный характер связи в большей степени проявляется в соединениях, элементы которых относятся к наиболее удаленным друг от друга группам периодической системы элементов Менделеева (например, MgO, BeO).
Техническая керамика в зависимости от наличия в изготовленном материале определенного химического соединения и свойств подразделяется на несколько основных классов: конструкционная, режущая, электро- техническая, радиотехническая и др.
Конструкционная керамика. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлами и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей, преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость.
|
|
Высокотемпературная конструкционная керамика характеризуется умеренной пористостью и высокой термостойкостью при сохранении достаточно высоких термомеханических свойств при температурах эксплуатации 1300 С и выше. Детали из этой керамики имеют форму трубок, втулок, стержней, шайб, крюков и более сложных фасонных изделий.
В качестве конструкционной керамики используются нитриды, оксиды, карбиды Si N , Al O , ZrO , SiC и др. Керамика с содержанием более 95% Al O называется корундовой.
Наиболее перспективной технологической схемой изготовления изделий из конструкционной керамики на данном этапе ее развития считается следующая: формование подготовленной композиции – обжиг заготовок – дополнительное уплотнение методом горячего изостатического прессования (ГИП).
Например, ГИП нитрида кремния Si N проводится в оболочках из стекла при температурах 1800…2000 С под давлением аргона 100…150 МПа в течение часа. При этом предел прочности возрастает с 830 до 1030 МПа. Предварительный обжиг ведут с использованием нагрева в микроволновых печах (частота тока 28000 МГц).
Конструкционная керамика в опытном порядке применяется в автомобилестроении для верхней части толкателя клапана двигателей внутреннего сгорания (д.в.с.), рабочей поверхности кулачков распре- делительного вала д.в.с. и др. деталей.
Керамические материалы относятся к хрупким материалам, и их прочность в значительной мере зависит от состояния поверхности деталей, особенно от наличия микротрещин, которые являются концентраторами напряжений. Для деталей машин с точными размерами необходимо проведение механической обработки. Вследствие высокой твердости и хрупкости керамики используется абразивная обработка. Наиболее используемым методом обработки в настоящее время является точное шлифование с использованием кругов, имеющих в качестве абразива алмазные порошки. Изменяя такие факторы, как глубина резания и зернистость алмазного порошка в шлифовальном круге, можно контро- лировать характер разрушения керамики, а, следовательно, изготавливать изделия с рациональными параметрами шероховатости обработанной поверхности. Следовательно, структура дефектного поверхностного слоя изделия определяется как физико-механическими свойствами, так и режимами алмазного шлифования керамики.
Стекло неорганическое
Стеклообразное состояние присуще обширному классу неорганических веществ, от отдельных элементов до сложных многокомпонентных систем. Стекло как искусственный продукт, может включать в свой состав боль- шинство элементов периодической системы.
Наибольшее применение получили стекла, содержащие оксиды SiO , В О . Каждый из этих стеклообразующих оксидов может образовывать стекла в сочетании с модифицирующими оксидами: SiO -Al O ,SiO -В О , СаО-MgO -В О и др.
Многовековая история стекловарения, начиная с Древнего Египта, Вавилонии, Ассирии и по настоящее время, связана с изготовлением силикатных стекол, основывающихся на системе Si-Na O-СаО. Состав некоторых промышленных стекол представлен в табл. 22.
Таблица 22
Химический состав стекол
Вид стекла | Химический состав, % | ||||||||
SiO | Na O | CaO | B O | Al O | MgO | BaO | K O | Fe O | |
Посудное | 74 | 16 | 7.45 | - | 0.5 | - | - | 2 | 0.05 |
Химико-лабораторное | 68.4 | 9.4 | 8.5 | 2.7 | 3.9 | - | - | 7.1 | - |
Полированное (флоат-способ) | 73 | 13,4 | 8,7 | - | 0,9 | 3,6 | - | - | 0.1; 0,3SO |
Медицинское | 73 | 8,5 | 7 | 4 | 4,5 | 1 | - | 2 | - |
Термостойкое | 80,5 | 4 | 0,5 | 12 | 2 | - | - | 1 | - |
Радиационно-стойкое | 48,2 | 1 | 0,15 | 4 | 0,65 | - | 29,5 | 7,5 | - |
Стекло – это такое состояние аморфного вещества, которое получается при охлаждении переохлажденного расплава. Отличие стекла от кристаллов состоит в отсутствии в нем периодичности строения, дальнего порядка в структуре.
Температурный интервал, в котором происходит процесс стеклования, называется интервалом стеклования и ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур Т (температура размягчения), со стороны низких температур Т . Стекло обладает свойствами твердого тела с хрупким разрушением. Температура Т является границей пластического состояния и расплава. При температуре Т из стекломассы уже удается вытягивать тонкие нити.
Стекло приобретает твердость благодаря постепенному возрастанию вязкости при уменьшении температуры. Характеристические температуры Т и Т соответствуют определенным значениям вязкости (рис. 123).
Рис.123.Зависимость вязкости стекла от тем- пературы (пример). Физические состояния: -стеклообразное; -пластичное; -расплав. | Производство стекла состоит из подготовки сырых материалов и их смешивания в определенных соотношениях в однородную ших- ту. В качестве источника главного компонента промышленных стекол – кремнезема (SiO ) – используют кварцевые стекольные пески. Шихта подается в стекло- варенную печь, где ведется варка при температурах 1500…1600 С. На последней стадии температура снижается до 1000 С (Т ). |
Формование изделий из стекломассы – расплава проводится в области пластичного состояния на стеклоформующих машинах механическими способами (прессованием, прокаткой, выдуванием и др.).
Для получения листового полированного стекла формование расплава стекла в ленту происходит на ровной поверхности расплавленного олова (флоат-способ). Перемещаясь вдоль ванны, лента стекла охлаждается от 1000 С до 600 С, затем проводится отжиг в туннельной печи длиной 120 метров.
Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла - прозрачность (свето- прозрачность оконного стекла 83…90%, а оптического стекла – до 99,95%). Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным. Для повышения прочности стекло подвергают упрочнению (закалка, химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин. Для устранения влияния микротрещин применяют стравливание поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная пленка, например из полимеров.
Плотность стекла 2200…8000 кг/м , микротвердость 4…10 ГН/м , модуль упругости 50…85 ГН/м . Предел прочности стекла при сжатии равен 0,5..2 ГН/м , при изгибе 30…90 ГН/м . Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его химического состава и равен 0,7…4,3 Вт/(м К). Коэффициент преломления 1,4…2,2, диэлектрическая проницаемость 3,8…16,0.
Как материал стекло широко используется в различных областях. В соответствии с назначением известны разнообразные виды стекла: оконное, посудное, тарное, химико-лабораторное, термическое, жаростойкое, строи- тельное, оптическое, электровакуумное и многочисленные другие виды стекла технического. В пределах каждого вида стекла имеют самые разнообразные его сорта. В зависимости от условий службы каждого вида и сорта стеклу предъявляются определенные требования в отношении свойств, сформулированные в соответствующих стандартах и технических условиях.
ГЛАВА 7
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
7.1.Общие сведения. Свойства матричных материалов и волокон.
Композиционные материалы (КМ) состоят из разнородных составляющих, называемых матрицей и наполнителем, которые имеют различные физико-механические свойства. Такие КМ получают по особым технологиям путем объемного сочетания наполнителя и матрицы. Характерной особенностью КМ является наличие границ раздела между составляющими материалов, т.е. между матрицей и наполнителем.
Матрица обычно непрерывна в объеме композиционного материала, придает изделию заданную геометрическую форму, передает и пере- распределяет механические нагрузки по объему.
В качестве матриц используются полимеры, металлические материалы (Al, Ni, Ti и др.), керамические и углеродные материалы. В зависимости от рабочей температуры применяются различные материалы матриц КМ (табл.23).
Некоторые данные о характеристиках ряда матричных материалов даны в табл.24.
Таблица 23
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 452; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!