Материаловедение

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения  прочности деталей, изготовленных  методами холодной обработки давлением (например, прокаткой, волочением, листовой штамповкой).

Снижение пластичности при  наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

3. Строение и особенности  свойств неметаллических (полимерных) материалов

Еще во второй половине XX в. в нашей стране уделялось большое  внимание применению неметаллических  материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства  в целом. Было налажено и постоянно  наращивалось производство самых различных  неметаллических материалов: синтетических  смол и пластмасс, синтетических  каучуков, заменяющих натуральный каучук, высококачественных полимеров с  заданными техническими характеристиками, включая армированные и наполненные  пластмассы. Пластические массы и  другие неметаллические материалы  обладают рядом превосходных физико-химических, механических и технологических  свойств, что обусловило их широкое  распространение в различных  отраслях промышленности — машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют  дорогостоящие металлы. Применение пластических масс дает возможность  постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также частичная комплектация различных узлов позволяют снизить  их массу, улучшить надежность и долговечность  работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется  в 2—3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных  металлов. Исходными материалами  для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки  каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию  для улучшения механических свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются такие неметаллические  материалы, как антифрикционные  полимерные и пластмас-93 совые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами. Кроме того, в качестве фрикционных неметаллических материалов применяются тормозные тканые асбестовые ленты и фрикционные асбестовые накладки — формованные, прессованные, тканые, картонно-бакелитовые и спиральнонавивные, которые могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Фрикционные асбестовые накладки применяются для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемно-транспортного оборудования и тепловозов. Ресурс таких неметаллических накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6000 моточасов, легковых автомобилей — 125 000 км, грузовых автомобилей — 75 000 км. Тормозные тканые асбестовые ленты применяются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300 °С. Неметаллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом.

2. Полимеры: строение, полимеризация  и поликонденсация, свойства В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру — без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными — без резиновых грелок, пузырей для льда и т. д. Значительно обогатить ассортимент материалов, применяемых в медицине, позволили синтетические полимеры. Полимеры существенно отличаются от металлов и сплавов: их молекулы вытянуты в длинные цепочки, в результате чего полимеры имеют высокую молекулярную массу. Молекулы полимеров получают из исходных низкомолекулярных продуктов — мономеров — полимеризацией и поликонденсацией. К полимерам поликонденсационного типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен. Высокополимерные и высокомолекулярные соединения являются основой органической природы — животных и растительных клеток, состоящих из белка. Для изготовления многих медицинских изделий широко применяют как полимерные материалы, в основе которых лежит природное сырье, так и искусственные — синтетические и полимерные материалы. Из полимерных материалов естественного происхождения изготовляют большинство перевязочных средств: вату, марлю и изделия из них, алигнин, а также нити шовных материалов (хирургический шелк). Полимеры являются основой пластмасс, используемых при изготовлении различных инструментов, частей медицинской аппаратуры и оборудования. Широкое применение в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом нашли такие полимеры, как фенолформальдегидные жидкие и твердые смолы. Фенолформальдегидные жидкие смолы резольного типа — продукт поликонденсации фенола и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих и стабилизирующих веществ или без них — поставляются в виде однородной прозрачной жидкости от красновато-коричневого до темновишневого цвета со средней плотностью 1,2 г/см3. Применяются при производстве теплозвукоизоляционных изделий, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит, абразивных инструментов на гибкой основе, стеклопластиков, асботехнических и асбофрикционных изделий, углепласта для шахтных крепей и др. Марки смол: СФЖ-303, СФЖ-305 и т. д. Твердые фенолформальдегидные смолы новолачного и резольного типов — продукты поликонденсации фенолов (или их фракций) и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих веществ или без них. Выпускаются в виде порошка, чешуек и крошки. Применяются для 95 получения резиновых смесей, прессовочных масс, слоистых пластиков, лаковых токопроводящих суспензий, антикоррозионных лакокрасочных материалов и клеев, в качестве связующих для абразивных изделий и оболочковых форм, при изготовлении поропласта, при производстве масляных лаков для лакокрасочной и пищевой промышленности. Выпускаются следующие марки смол: СФ-010А, СФ-010, СФ-010М (модифицированная), СФ-014 и т. д.

3. Пластмассы: термопластичные,  термореактивные, газонаполненные

Пластмассы — пластические массы — это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического  соединения — полимера, выполняющего роль связующего и определяющего  основные технические свойства материала. В зависимости от эластичности пластмассы делят на три группы: жесткие, модуль упругости 700 Мпа, до 70 МПа. Пластмассы выпускаются монолитными в виде термопластичных и термореактивных и газонаполненными — ячеистой структуры. К термопластичным пластмассам относят: полиэтилен низкого давления, полипропилен, ударопрочный полистирол, АБС-пластики, поливинилхлорид, стеклопластики, полиамиды и др. К термореактивным пластмассам относятся: жесткие пенополиуретаны, аминопласты и др. К газонаполненным пластмассам относятся пенополиуретаны 

— газонаполненный сверхлегкий  конструкционный материал. Термопластичная  пластмасса

 — полиэтилен низкого  давления

— продукт полимеризации  этилена, получаемый при

низком давлении с использованием комплексных металлоорганических катализаторов. Базовые марки этого полиэтилена: 20108-001, 20208-002, 20308-005 и т. д. Плотность полиэтилена

— от 0,931 до 0,970 г/см3.

Ударопрочный полистирол — продукт сополимеризации стирола с каучуком или другим пластификатором, обладающий более высокими механическими свойствами, чем полистирол общего назначения. Он обладает высокой твердостью, прочностью к ударным нагрузкам, эластичностью, сопротивлением на разрыв, стоек к действию температуры в пределах от +65 до –40 °С. Аминопласты — термореактивные пластмассы — прессовочные карбамидо- и меламиноформальдегидные массы, получаемые на основе амино смол с использованием наполнителей(органических, минеральных или их сочетания),окрашивающих и модифицирующих веществ. Их теплостойкость по Мартену составляет не менее 100—180 °С, ударная вязкость — 3,9—29,4 КДж/м2 (4—30 кгс × см/см2), усадка — 0,2—0,8%, удельное объемное электрическое сопротивление — 1 × 1011—1 × 1012 Ом × см. Из аминопластов путем горячего прессования изготовляют изделия бытового, технического и электротехнического назначения. Всего выпускается 11 марок аминопластов: КФА-1, КФБ-1 и т. д. Пенополиуретаны — газонаполненные пластмассы — сверхлегкий конструкционный материал. Исходными для их получения являются простые и сложные полиэфиры, изоцианаты, катализаторы и эмульгаторы. Эластичные пенополиуретаны (ППУ) имеют закрытые, несообщающиеся газонаполненные ячейки (пенопласты) и сообщающиеся ячейки (поропласты). Часто применяется общий термин — «пенопласты». Эластичный поропласт содержит 70% воздушных сообщающихся пор. Он имеет плотность 25—29 кг/м3, хорошо противостоит гниению, веществам, применяемым при химической чистке изделий, его предел прочности при растяжении — 0,07—0,11 МПА. Эластичный пенополиуретан применяется в производстве мягкой мебели, сидений автомобилей, тракторов и других изделий. Жесткий пенополиуретан применяется для изготовления корпусов кресел, декоративных элементов, в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов. Широкое распространение в последние годы получили наполненные пенопласты (ППУ).

4. Эластомеры

Термин «эластомеры» был  введен взамен названия «синтетические каучуки», а также «натуральный каучук». Эластомерами называют полимеры, обладающие в широком температурном интервале  высокой эластичностью — способностью подвергаться значительным (от нескольких сотен до 1000% и более) обратимым  деформациям при сравнительно небольших  действующих нагрузках. Первым эластичным материалом такого рода был натуральный  каучук, который и в настоящее  время не потерял своего значения в производстве эластомеров, в том  числе и для медицинских изделий, благодаря своей нетоксичности. Каучук получают из латекса (млечный сок бразильской гевеи), состоящего более чем наполовину из воды, в которой растворено 34—37% каучука, 2—2,7% белка, 1,65—3,4% смолы, 1,5—4,92% сахара. На плантациях, где приготовляют натуральный каучук как промышленное сырье, латекс коагулируют с помощью органических кислот, прокатывают в рифленые листы и коптят в камерах с дымом при температуре +50 °C. Составные вещества дыма играют роль антисептиков и стабилизаторов окисления каучука. Такие листы толщиной 2,5—3 мм с вафельным рисунком поверхности называют «смокетшит». Они служат наиболее употребительной формой сырого плантационного каучука. Данные элементного анализа очищенного каучука соответствуют эмпирической формуле C5H8 (изопрен). Синтетические каучуки (эластомеры) получают путем полимеризации из мономеров с участием катализаторов (ускорителей процесса). Первый советский синтетический каучук был получен С. Д. Лебедевым из технического спирта. В настоящее время выпускают несколько видов синтетических каучуков (эластомеров), в том числе изопреновый, мало отличающийся от натурального. Для изделий медицинского назначения применяется салоксановый (силиконовый) каучук, основная полимерная цепь которого состоит из атомов кремния и кислорода. Он термостоек и физиологически инертен. Сырьем для изготовления синтетических каучуков служат нефть, природный газ, каменный уголь. Превращение каучука или «сырой» каучуковой смеси в эластичную резину (материал с необходимыми эксплуатационными свойствами) осуществляют путем вулканизации. Вулканизация, подобно термообработке металлов и сплавов, приводит к изменению структуры каучука. При вулканизации осуществляется соединение («сшивание») молекул эластомера химическими связями в пространственную трехмерную сетку, в результате чего получают материал, обладающий необходимыми эластическими и прочностными свойствами (прочность, упругость, твердость, сопротивление разрыву и т. д.). Основным вулканизирующим веществом служит сера; применяют также теллур и селен. Чем больше к каучуку добавляют серы, тем более твердым и менее эластичным получается эластомер. В современном производстве, помимо вулканизаторов, широко применяют органические ускорители, присутствие которых снижает количество серы (до 2% вместо 10%) и температуру вулканизации. Существуют  ультраускорители, благодаря которым вулканизация вместо температуры в +130—150 °C протекает при комнатной температуре.

5. Резины

Резины различных видов  и марок относятся к группе эластичных материалов — эластомеров. Резины подразделяются на формовые и неформовые. К неформовым относится большая группа так называемых сырых резин. Сырые резины выпускаются под номерами (10, 11, 14 и т. д.) в виде разнотолщинных пластин, покрытых тальком (для предохранения от слипания), или в виде рулонов с тканевой прокладкой (из миткаля), которая также предохраняет резину от слипания. Неформовая сырая резина получается путем вулканизации из резиновых смесей, изготавливаемых на основе синтетических каучуков или натурального. Основным вулканизирующим веществом является сера, но еще применяют селен и теллур. В зависимости от марок сырая резина используется для получения различных формовых изделий с определенными свойствами. Например, из сырой резины получают техническую листовую резину нескольких типов: кислотощелочестойкую, теплостойкую, морозостойкую, пищевую и т. д. Морозостойкая резина сохраняет свои свойства при температуре до –45 °С. Техническую листовую резину толщиной 3—4 мм применяют для изготовления уплотнительных прокладок во фланцевых соединениях трубопроводов, транспортирующих холодную воду, а резину с тканевой прокладкой (из синтетической ткани) — и при транспортировании горячей воды температурой до +100 °С. Из сырых резин получают различные резиновые изделия — муфты, кольца, клапаны, различные прокладки и т. д., при- меняя следующие методы формования: прессование, экструзию и литье под давлением. Процесс прессования резиновых изделий проходит в вулканизационных гидравлических прессах под давлением 100—300 атм. и при температуре +140— 160 °С. При производстве мягкой мебели широко применяется пенорезина, представляющая собой материал на основе синтетического или натурального каучука. Для изготовления пенорезины используют латексную смесь, которую выдерживают 18—21 ч, вспенивают и вулканизируют с последующей сушкой. Пенорезину выпускают в виде листов или формованных элементов мебели. По показателям эластичности, упругости, остаточной деформации пенорезина является идеальным материалом для мягкой мебели. Пенорезина самовентилируется и охлаждается за счет прохождения воздуха через сообщающиеся поры. Для снижения веса мебельных элементов из пенорезны их делают с пустотами, но чтобы при этом сохранялась способность выдерживать значительные нагрузки, объем пустот не должен превышать 40% объема всего элемента. К резинам, предназначенным для изготовления отдельных групп изделий, предъявляют дополнительные требования, обеспечивающие выполнение изделиями их функционального назначения и надежность в работе. В настоящее время промышленность выпускает резину листовую трех марок: тепломорозокислотощелочестойкую (ТМКЩ); ограниченномаслобензостойкую (ОМБ); повышенномаслобензостойкую (ПМБ), которые в свою очередь подразделяются по твердости применяемой резины: мягкая (М) для работы при температурах от –45 °С до +90 °С; средней твердости (С) — при температурах от –60 °С до +80 °С, повышенной твердости (П) — при температурах от –60 °С до +80 °С.