Неметаллические и композиционные материалы

Неметаллические материалы

Основными видами неметаллических материалов, широко используемых в различных областях деятельности человека, являются:

• стекло,
• керамика,
• полимеры.

Полимер представляет собой высокомолекулярное соединение с большой молекулярной массой. У данных веществ большие молекулы состоят из одинаковых групп атомов, называемых звеньями. Самыми распространенными видами полимеров являются:

1. Полипропилен, который хорошо выдерживает изгибающие нагрузки, устойчив по отношению к действию щелочей и кислот и обладает высокой износостойкостью.
2. Полиэтилен, который выпускается никого и высокого давления. Данный материал обладает хорошими прочностью, теплостойкостью и химической стойкостью.
3. Полистирол, который является продуктом полимеризации стирола. Данный материал прозрачен, прочный и хрупкий. Он хорошо поддается переработке и окрашиванию.
4. Политетрафторэтилен, который является линейным полимером. В Российской Федерации производится фторопласт-4, у которого низкий коэффициент трения.
5. Полиметиленоксид, который является линейным полимером и обладает высокой износостойкостью, низкой температурой ползучести и высокой сопротивляемостью к динамическим и усталостным нагрузкам.
6. Полифениленсульфид, который характеризуется высокой устойчивостью к окислению, высокой термической стойкостью и радиационной стойкостью.
7. Полифениленоксид, который является ароматическим полиэфиром с линейным строением. Данный материал нетоксичен и устойчив к воздействию агрессивной среды.
8. Поликарбонат, который является линейным полиэфиром фенола и угольной кислоты. Поликарбонат лучший заменитель стекла в светопрозрачных конструкциях. В нем сочетаются небольшой вес, высокая прочность, хорошие оптические свойства и широкий температурный диапазон использования, составляющий от -40 до 120 градусов по Цельсию.

Стекло является изотропным твердым веществом, которое образуется в результате охлаждения составляющих расплава, одна из которых, минимум, стеклообразующая. Стеклообразующими элементами являются некоторые бескислородные соединения селена, теллура и мышьяка, также оксиды фосфора, кремния и бора. Основу стекла образует объемная сетка структурных однородных элементов. В составе самого простого стекла-кварцевого данными элементами являются тетраэдры, соединенные вершинами. Из этих тетраэдров также образована структура кристаллического кварца. Подавляющее большинство промышленных стекол составляют силикатные стекла с добавками оксидов. Кроме кислорода и кремния в состав объемной сетки входят титан, германий, алюминий, бериллий.

К керамике относятся материалы, которые получают в результате высокотемпературного спекания порошков различных минералов. При нагреве исходные вещества взаимодействуют с друг другом, в результате чего образуется аморфная и кристаллическая фазы. Керамика пористый материал, в котором содержатся ионные или ковалентные кристаллы. Такие кристаллы представляют собой сложные карбиды, оксиды или твердые растворы на их основе.

Композиционные материалы

Композиты представляют собой гетерофазные системы, которые состоят минимум из двух разнородных компонентов, имеющих границы раздела между собой. Связующим компонентов или матрицей является тот компонент, который непрерывен по всему объему материала. Наполнителями являются компоненты, которые распределены в матрице. Матрицы могут быть на полимерной, керамической или металлической основе. Матричный материал более вязкий, чем материал наполнителя, он обеспечивает защиту наполнителя от влияния внешней окружающей среды, обеспечивает перераспределение нагрузки, а также определяет стойкость к старению, технологические, электрофизические и теплофизические свойства. В композиционных материалах наполнители вводятся с целью улучшения электрических, теплофизических, магнитных и прочих свойств. В зависимости от характера взаимодействия между матрицей и наполнителем последние делятся на упрочняющие, инертные и активные. Такое взаимодействие определяется состоянием поверхности наполнителя и химической природой материалов. Максимальный эффект усиления достигается в результате возникновения между ними химической связи или адгезионного взаимодействия. Наполнители, которые способны к такому взаимодействию называются активными, а не способные инертными. Инертные наполнители используются в том случае, если необходимо облегчить процесс переработки или уменьшить конечную стоимость готового изделия.