Лекции по "Металлургии"

Технология изготовления ферритов во многом сходна с технологией производства порошковых материалов. При изготовлении ферритов компоненты шихты смешивают с водой, смесь сушат и прессуют, затем производят отжиг при 900 - 950°С, размол с добавками пластификатора (10%-ный поливиниловый спирт), прессование изделий, сушка и спекание при 1350°С в течение 2 часов. В процессе изготовления ферритов требуется особая чистота и тщательное соблюдение технологического режима.

 

3.2.4  ГРАФИТ

 

Графит является одной  из аллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения. Он образован параллельными слоями гексагональных сеток (плоскостей). Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обуславливает анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях.

Графит не плавится при атмосферном  давлении, а при 3700°С сублимирует (испаряется), минуя стадию плавления, с затратой значительной тепловой энергии на этот процесс (жидкое состояние углерода может быть достигнуто лишь при 4000°С и давлении выше 10 МПа).

Графит встречается  в природе, а также получается искусственным путем. Качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, свойства почти изотропны. Поэтому его применяют лишь как антифрикционный материал и в электротехнике.

Искусственные виды графита: технический и пиролитический (пирографит). Эти виды графита обладают совершенной кристаллической структурой, высокой анизотропией свойств и являются высокотемпературными конструкционными материалами.

В качестве исходных материалов при производстве технического графита применяют твердое сырье - нефтяной кокс и каменноугольный пек в качестве связующего вещества. Заготовки формуются в процессе прессования или протяжки (выдавливания). Процесс графитизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных при температуре 1200°С) до 3000°С. Технический графит имеет степень анизотропии физико-механических свойств 3:1.

Пиролитический графит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана), который осаждается на нагретых до 1000 - 2500°С поверхностях формы из технического графита или керамики. Полученные пирографит можно отделить от подложки и получить деталь или наносить его в виде покрытия на различные материалы с целью защиты их от действия высоких температур. Пирографит характеризуется степенью анизотропии, равной 100 (и более): 1.

Промышленностью выпускаются следующие марки графита: ПРОГ на основе нефтяного кокса, ПГ - 50 - пористый  пирографит.

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами, поэтому он применяется в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способность работать без смазывания в условиях высоких или низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т.п.

Графит применяют в высоконагреваемых  конструкциях летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах, для изготовления неплавящихся электродов при сварке и плавлении металлов и в виде углеграфитовых волокнистых изделий.

 

3.3  ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории  химического строения органических соединений является А.М.Бутлеров (1826 – 1886 гг.). Промышленное производство первых пластмасс (фенопластов) - результат работ, проведенных Г.С.Петровым (1907 – 1914 гг.). С.В.Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н.Н.Семеновым разработана теория цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации.   В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зарубежными учеными: К.Циглером (Германия), Д.Наттом (Италия) и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых  состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

При больших размерах макромолекул свойства вещества определяются не только химическим составом молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в несколько тысяч раз длине их поперечного сечения, поэтому макромолекулам свойственна гибкость. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической ковалентной связью.

Полимеры встречаются  в природе (натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит). Однако ведущей группой являются синтетические полимеры.

Для удобства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам:

• составу;
• форме макромолекул;
• фазовому состоянию;
• полярности;
• отношению к нагреву.

По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические (рассмотрены ранее).

Органические  полимеры составляют наиболее обширную группу. Если  основная группа молекул - углеродные атомы, то они  называются карбоцепными полимерами.

В гетероцепных полимерах присутствуют атомы других элементов, это приводит к изменению свойств полимера. Например, атомы кислорода повышают гибкость цепи; фосфора и хлора - повышают огнестойкость; сера - газонепроницаемость; фтор - химическую стойкость.

Органическими полимерами являются смолы  и каучуки.

Элементоорганические соединения содержат в составе  основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами - СH₃, C₆H₅, CH₂. Неорганические атомы повышают теплостойкость. Представители элементоорганических соединений - кремнийорганические соединения.

Своеобразие свойств  полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на:

• линейные (цеповидные);
• разветвленные;
• плоские;
• ленточные (лестничные);
• пространственные (сетчатые), (рис. 3.4).

Линейные макромолекулы  представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки. Обеспечивают эластичность, способность размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвляющиеся макромолекулы  отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

 

Рисунок 3.4 – Формы макромолекул полимеров:

                             а – линейная; б – разветвленная;

                             в – лестничная; г – пространственная, сетчатая;

                             д – паркетная

 

Макромолекулы лестничного  полимера состоят из двух цепей, соединенных химическими связями.

Обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Пространственные или  сетчатые полимеры образуются при соединении макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями, непосредственно или через химические соединения - радикалы.

Теряют способность  растворяться и плавиться, обладают упругостью (мягкие резины). К сетчатым полимерам относят также пластинчатые (паркетные) полимеры - графит.

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей - разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов.

Неполярные полимеры являются диэлектриками, обладают хорошей морозостойкостью. Полярность сообщает полимерам жесткость, теплостойкость, но морозостойкость у полярных полимеров  низкая.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Структура таких полимеров линейная или разветвленная.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем, вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Охлажденное состояние называют термостабильным.

ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем.

Стеклообразное состояние - твердое, аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи совершают колебательной движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит).

Высокоэластичное состояние - присуще только высокополимерам. Характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются  звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться).

Вязкотекучее состояние - напоминает жидкое состояние, но отличается от него большей вязкостью (подвижна вся макромолекула). С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии. Редкосетчатая структура  позволяет получить полимеры в стеклообразном и высокоэластичном состоянии. Различные физические состояния полимера обнаруживаются при изменении его деформации с температурой.

 

3.3.1  ПЛАСТМАССЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Пластические массы (пластмассы) занимают особое место среди синтетических полимерных материалов. Некоторые из них обладают такими ценными свойствами: хорошей удельной прочностью, электроизоляционностью, теплозвукоизоляционностью, химической стойкостью и т.д.

Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.

Основной компонент  полимерного связующего - смола. От ее природы, реакционной способности, молекулярной массы и строения молекул зависят температура размягчения, растворимость, вязкость и конечные свойства связующего. Кроме смолы в состав связующего могут входить: катализаторы или инициаторы, которые вводятся в смолы в небольших количествах и способствуют их отверждению: пластификаторы, придающие полимеру запас пластичности и упругости; красители, которые окрашивают материал в нужный цвет; стабилизаторы, предотвращающие распад полимеров под действием светового излучения и повышенных температур.

Состав композиций разнообразен: простые пластмассы - это полимеры без добавок; сложные пластмассы - это смеси полимеров с различными добавками (наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и т.д.).

Наполнители<span class="dash041e_0431_