Оптические и электрические свойства стекол.

Основными для технического применения стекла являются его оптические свойства.

Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра оптического излучения и практически не пропускают ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) лучи.

Кварцевое стекло пропускает наиболее широкую полосу электромагнитных волн от УФ до ИК, т.е. воспринимаемый глазом видимый свет.

Стекла, легированные редкоземельными элементами, поглощают УФ-излучение.

При введении оксидов цинка, бора или алюминия получают стекла, пропускающие УФ-излучение. У окна с таким стеклом можно загорать.

Стекло, легированное легкими элементами (бор, бериллий, литий), пропускает рентгеновское излучение, тяжелыми элементами (свинец и др.) – задерживает.

Стекла, содержащие железо и фосфаты, задерживают тепловое ИК-излучение. Введение оксидов некоторых металлов делает стекло цветным: красный цвет – это оксиды никеля; желтый – оксиды германия; зеленый – оксиды хрома; синий – оксиды меди; фиолетовый – оксиды марганца.

Плотность стекла в зависимости от состава – 2,2... 8,0 г/см3.

Электрические свойства стекла характеризуются высокими значениями удельного электрического сопротивления. Введение оксидов тяжелых металлов свинца и бария приводит к повышению электроизоляционных свойств стекла. Они используются в электротехнической промышленности.

Получение стекол.

Изделия получают процессами раздувания, прокатки, прессования, литья.

За начало размягчения стекла принимают температуру, при которой его вязкость составляет определенную величину. Температура размягчения большинства стекол находится в интервале 400... 1600 °С. Максимальное значение температуры размягчения соответствует кварцевому стеклу, получаемому без добавок модификаторов, а минимальную температуру размягчения имеют щелочные стекла. Поэтому изготовление из кварцевого стекла деталей сложного профиля затруднено. Щелочные стекла более технологичны.

Механическая обработка стекла в связи с его высокой твердостью осуществляется алмазным (резка стекла) или абразивным (шлифование и полирование) инструментом. У дутых изделий края, как правило, оплавляют.

При нагреве стекло постепенно размягчается вплоть до перехода в жидкое состояние. В пластичном состоянии оно легко формуется. Чем ниже температура начала размягчения, тем стекло технологичнее. Изделия получают процессами раздувания, прокатки, прессования, литья.

43. Технологические свойства стекла определяются температурами размягчения и перехода в жидкое состояние.

Стекло как типичный представитель аморфных веществ при переходе из твердого состояния в жидкое и обратно не имеет определенных точек плавления и затвердевания.

Упрочение стекол, в т.ч. термическое.

Прочность стекла, как и всех других материалов, зависит от условий нагружения. В связи с этим важное значение приобретает состояние поверхности стекла – наличие царапин, микротрещин и других дефектов, которые являются концентраторами напряжений, резко снижает прочность стекла. Большую прочность имеют кварцевые и бесщелочные стекла, меньшую – щелочные.

Предел прочности стекол при сжатии высок и достигает 2000 МПа. Прочность стекол на сжатие до 10 раз выше сопротивления растягивающим нагрузкам. Твердость стекла близка к твердости закаленной инструментальной стали.

Методы упрочнения стекла основаны на термической, термохимической и химической обработке.

Термическая обработка стекла – это закалка, которая заключается в нагреве выше температуры стеклования и последующем быстром охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом на поверхности стекла возникают напряжения сжатия, которые компенсируют растягивающие напряжения в условиях эксплуатации. Предел прочности повышается в 2-4 раза, а термостойкость закаленного стекла возрастает в 2-3 раза.

Закалка в кремнийорганических жидкостях – термохимическое упрочнение – приводит к образованию на поверхности полимерной пленки, что дает дополнительный эффект по сравнению с обычной закалкой, особенно по увеличению сопротивления статической усталости.

Важное практическое значение имеет термостойкость стекла. При резком нагреве или охлаждении вследствие низкой теплопроводности стекла в стеклянном изделии возникают механические напряжения. Нагрев приводит к возникновению напряжений сжатия, а охлаждение создает растягивающие напряжения. Быстрое охлаждение стеклянных изделий более опасно, чем быстрый нагрев. Термостойкость характеризуют разностью температур, которую выдерживает стекло без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол термостойкость находится в пределах 90... 170 °С, а для кварцевого стекла достигает 1000 °С.

Химическая стойкость стекол.

Щелочные стекла упрочняют путем высокотемпературной химической обработки в расплаве калийсодержащей соли. При этом ионы натрия в поверхностном слое замещаются ионами калия. Поскольку геометрические размеры иона калия больше ионов натрия в поверхностном слое возникают напряжения сжатия с соответствующим увеличением прочности стекла. Прочность повышается также при травлении стекла плавиковой кислотой, так как в процессе травления удаляются или сглаживаются поверхностные дефекты (как концентраторы напряжения). Разрушение стекла сопровождается образованием большого числа острых осколков произвольной формы. Этого можно избежать при использовании триплекса.

Триплекс – это два листа закаленного стекла, склеенного прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образующиеся осколки не разлетаются, а удерживаются пленкой.

Свойством стекла является его высокая химическая стойкость к воздействию большинства химических реагентов, способствующая широкому практическому применению изделий из стекла. Стекла обладают высокой химической стойкостью к кислым средам: из кислот на стекло воздействуют только фосфорная (Н3РO4) и плавиковая (HF) кислоты. Щелочи и растворы щелочного характера воздействуют на стекло значительно агрессивнее. Наиболее устойчиво к воздействию химических реагентов кварцевое стекло. Увеличение содержания в составе стекла оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов снижает его химическую стойкость.

Применение стекол.

Стекла используют преимущественно в бытовых условиях. Замена оксидов натрия оксидами калия способствует усилению блеска и прозрачности стекол, уменьшает склонность стекол к расстекловыванию. Эти свойства находят применение в оптической промышленности, из калиевого стекла изготовляют химическую посуду и хрусталь. к повышению электроизоляционных свойств стекла. Они используются в электротехнической промышленности.

47. Композиционными называют однородные в макрообъеме материалы, получаемые путем искусственного объединения микроскопических объемов разнородных веществ.

Макрообъем КМ определяется габаритными размерами изготовленной из него детали. Например, размеры некоторых деталей химической аппаратуры из КМ достигают 10 м и более. Дискретные элементы структуры КМ в большинстве случаев имеют размеры до 10 мкм.

Композиционные материалы состоят из непрерывной матрицы, в которой равномерно распределены дискретные или непрерывные микрообъемы наполнителя зернистой или волокнистой формы.

48. Классификация композиционных материалов (КМ) по виду матрицы.

 

Металлические матрицы КМ.

Создание КМ на металлической матрице преследует цель устранить такие основные недостатки металлов, как большая плотность, низкая рабочая температура эксплуатации и низкая вязкость разрушения. В качестве матрицы КМ наиболее широкое применение получили легкие и жаропрочные металлы и сплавы. Легкие металлы и сплавы позволяют получать максимальное значение удельной прочности КМ на их основе, особенно в сочетании с низкоплотными волокнами.

Это обеспечивает максимальное уменьшение материалоемкости деталей машин, что приобретает особую важность применительно к транспортным средствам.

Их легких металлов алюминий получил наиболее широкое применение, что обусловлено наряду с ценным комплексом свойств его большими природными ресурсами. Достоинства алюминия- низкая плотность,высокая коррозионная стойкость, низкая температура плавления и высокая пластичность. Недостатком алюминия- его низкая прочность. Поэтому при использовании в качестве матрицы КМ алюминий применяют преимущественно в виде сплавов с другими элементами.

Титановые сплавы обладают максимальной удельной прочностью по сравнению со сплавами на основе других металлов.

Титана и его сплавы армируют волокнами тугоплавких соединений. Однако широкому использованию титановой матрицы препятствуют технологические трудности введения наполнителя в матрицу.

Жаропрочные сплавы используют для изготовления ответственных деталей, работающих под нагрузкой при рабочих температурах выше 700 °С. Наибольшее развитие получили жаропрочные сплавы на основе никеля. Путем сложного легирования никелевых жаропрочных сплавов удается повысить их рабочие температуры до 1100 °С. Армирование их углеродным волокном позволяет повысить жаропрочность материала еще на 150...200°С.

Пластичность жаропрочных сплавов вполне достаточна для передачи нагрузки на армирующую матрицу волокна, но недостаточна для проведения процессов совместной пластической деформации с волокном. Поэтому КМ на их основе изготовляют преимущественно жидкофазными методами, т.е. процессами литья, пропитки и др.

Наряду с легкими и жаропрочными металлами и сплавами для создания КМ используют металлы и другого назначения.

Полимерные матрицы КМ.

Термопласты (термопластичные полимеры) в качестве конструкционных материалов имеют ограниченное применение из-за относительно низких характеристик прочности и предела текучести.

Широкому использованию термопластов в качестве матрицы КМ препятствуют технологические трудности вследствие плохой смачиваемости ими поверхности большинства наполнителей. Кроме того, вязкость термопластов резко возрастает при введении зернистого или дискретного волокнистого наполнителя.

Из термопластов в качестве матрицы применяются полиамиды (более известны под названием капрон и нейлон) и фторорганические полимеры.

Полиамиды ударопрочны и обладают вибропоглощающими свойствами, химически стойки в щелочной среде, устойчивы к воздействию бензина и спирта. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения и поэтому служат матрицей КМ преимущественно антифрикционного назначения.

Из фторорганических полимеров в качестве КМ наиболее широко используют полифторэтилен (фторопласт, тефлон). Фторопласт, как и капрон, служит матрицей КМ антифрикционного назначения. Однако по механическим свойствам КМ на основе фторопласта даже с лучшими наполнителями уступают КМ на других полимерных матрицах.

У реактопластов вязкость на несколько порядков ниже, что обусловило их преимущественное использование в технологии получения КМ.

Фенолформальдегидные полимеры для формирования матрицы КМ используют в жидком и твердом виде, а также применяют бакелитовые лаки в виде раствора бакелита в этиловом спирте.

Для устранения присущих фенолформальдегидным полимерам недостатков (хрупкость, недостаточная химическая стойкость в окислительных средах) при использовании в качестве матрицы КМ их часто совмещают с полимерами других классов. Организовано промышленное производство большого ассортимента пресс-масс, которые являются готовым полуфабрикатом.

Эпоксидные полимеры наиболее широко применяют в качестве матрицы при изготовлении новых КМ конструкционного назначения. Степень наполнения эпоксидных смол наполнителем достигает 85%, что позволяет в максимальной степени реализовать высокие физико-механические свойства волокнистого наполнителя в свойствах КМ на эпоксидной матрице.

Из элементоорганических полимеров наиболее широкое применение в качестве матрицы КМ получили кремнийорганические полимеры, которые называют также полиорганосилоксаны.

В технологии КМ полиорганосилоксаны применяют в виде лаков – это раствора кремнийорганической смолы в органических растворителях.

Технологическими недостатками кремнийорганических смол является высокая температура их отверждения (около 200 °С) и антиадгезионные свойства (вследствие слабой адгезии на поверхности раздела полиорганосилоксанов с наполнителем остаются несплошности и поры, что уменьшает механическую прочность КМ с кремнийорганической матрицей).

Основным достоинством кремнийорганических полимеров для использования в качестве матрицы КМ является их высокая термоокислительная стойкость. Если большинство органических полимеров в результате выдержки на воздухе при температуре 250 °С в течение 1 сут выгорают более чем на 90 %, то потеря массы кремнийорганических полимеров в тех же условиях составляет менее 10 %. Поэтому полиорганосилоксаны нашли преимущественное применение в технологии теплостойких КМ.

Теплостойкость кремнийорганических полимеров резко возрастает при введении в них дисперсных наполнителей, в частности, порошкообразных металлов. Например, кремнийорганические лаки, дисперсно-упрочненные алюминиевой пудрой, могут продолжительное время выдерживать температуру 300 °С и кратковременное воздействие температур до 550 °С.

Однако расширение областей применения КМ с кремнийорганической матрицей ограничивается низкой механической прочностью смол.

51. Углеродная матрица. В технологии получения КМ углеродная матрица образуется в результате термического разложения как термопластичных и термореактивных, так и газообразных углеводородов.

При использовании термопластичных или термореактивных углеводородов образуется коксовый остаток. В процессе пиролиза газообразных углеводородов образуется пиролитический углерод, или пироуглерод.

В качестве сырья для получения углеродной матрицы в технологии изготовления КМ наиболее часто используют термопластичную смесь углеводородов искусственного происхождения – каменноугольный пек.

Каменноугольный пек является твердым продуктом перегонки смолы, выделяющейся в процессе коксования каменных углей. В твердом состоянии при нормальной температуре пек стеклообразен, а при температурах выше температуры плавления приобретает вязкотекучие свойства.

Среди углеродных материалов пиролитический углерод обладает максимальной устойчивостью к окислительным средам. При сопоставимых толщинах физико-механические свойства пиролитического углерода сопоставимы со свойствами высокопрочных углеродных волокон.

52. Классификация композиционных материалов по виду наполнителя:

а – с зернистым наполнителем; 6 – с дискретным волокнистым наполнителем; в – с непрерывным волокнистым наполнителем; d – диаметр зерна; l3 – межзеренное расстояние.

При введении наполнителя в матрицу и наполнении им матрицы образуется КМ.

Наполнитель обеспечивает основные конструктивные и функцио-нальные свойства КМ. Поэтому основным требованием при выборе наполнителя является соответствие его свойств целевому назначению КМ.

Наполнителями для производства КМ могут служить практически все природные и созданные в процессе деятельности человека материалы после придания им определенных форм и размеров. В качестве наполнителей КМ наиболее широкое применение получили порошкообразные и волокнистые материалы естественного и искусственного происхождения.