Лекции по курсу материаловедение. ТКМ для студентов специальности подземная разработка МПИ (стр. 7 )

Глазурованные облицовочные (фаянсовые) плитки изготовляют способом полусухого прессования на прессах-автоматах из огнеупорных глин с добавкой кварцевого песка и плавней. После сушки плитки глазуруют и обжигают. Плитки имеют пористый черепок белого или желтоватого цвета. Покрытие лицевой поверхности белой или цветной глазурью улучшает внешний вид плиток, придает им водонепроницаемость и стойкость против воздействия слабых растворов щелочей и кислот. Лицевая поверхность плиток может быть плоской, рельефной, офактуренной с многоцветным рисунком, наносимым сериографическим или шелкографическим методами. Тыльная сторона плиток должна быть рифленой.

Плитки для внутренней облицовки выпускают различной формы - квадратные, прямоугольные и фасонные. Размер квадратных плиток 150х150 мм, прямоугольных- 150х100 и 150х75 мм, толщина их - 4-6 мм.

К качеству плиток для внутренней облицовки стен предъявляют высокие требования. Плитки должны иметь правильную геометрическую форму, четкие грани и углы, гладкую и ровную поверхность, глазурованную без выпуклостей, выбоин, трещин, недоливов, натеков и пузырьков. Плитки должны быть термически стойкими, водопоглощение их не должно превышать 16 %.

Плитки сортируют по типам, сортам, размерам, цвету и хранят в закрытых помещениях.

Коврово-мозаичные облицовочные плитки изготовляют методом литья. По ленте конвейера движутся керамические пористые подставки (формы), в которые поочередно заливаются три слоя шликера: разделительный, основной и глазурный. Пористые подставки впитывают воду из шликера. Окрепшую массу разрезают на плитки заданной величины роликовыми ножами, затем сушат и обжигают в совмещенной щелевой печи-сушилке.

Коврово-мозаичные литые плитки выпускают 20 типоразмеров: квадратные со сторонами 25, 35, 50, 75, 100 и 125 мм и прямоугольные 25х100 мм и т. д., толщина их 2,5 мм. Их лицевая поверхность различных цвета и фактуры.

Наборные ковры из плиток применяют для облицовки панелей одновременно с их изготовлением, а также для отделки интерьера и т. д.

Керамические плитки для полов изготовляют из глиняной массы с отощающими добавками и окрашивающими примесями или без них путем прессования и последующего обжига до спекания. Полы из керамических плиток водонепроницаемы, хорошо сопротивляются истирающим усилиям, легко моются, долговечны, кислото - и щелочестойки. Недостатками полов из керамических плиток являются большая теплоусваеваемость, низкая сопротивляемость ударам и высокая трудоемкость настила.

Полы из керамических плиток устраивают в вестибюлях общественных зданий, в банях, прачечных, санитарных узлах, производственных помещениях некоторых предприятий и др.

Керамические плитки для полов выпускают двух видов: керамические крупные плитки и мозаичные плитки. Керамические крупные плитки по форме бывают квадратные, прямоугольные, треугольные, шестигранные, четырехгранные (половинки шестигранных), пятигранные и восьмигранные. Размер плиток (длина граней) 50-150, толщина 10-13 мм. По виду лицевой поверхности различают плитки гладкие, шероховатые и тисненые. Обратную (тыльную) сторону плиток делают рифленой. Плитки бывают одноцветные и многоцветные. Водопоглощение плиток не должно превышать 4 %, а потеря в массе при истирании должна быть не более 0,1-0,25 г/см3.

Керамические плитки упаковывают в пачки и хранят в закрытых складских помещениях.

При устройстве пола плитки крепят к основанию цементным раствором или битумными мастиками.

В последние годы новый вид керамических плиток - крупноразмерные плитки (200х200х11 мм) с сериографическим нанесением рисунка широко применяют для настилки полов в различных помещениях общественных зданий.

Мозаичные плитки квадратные и прямоугольные со сторонами 23 и 48 мм изготовляют толщиной 6 и 8 мм. Цвет плиток может быть белым, желтым, красным, серым и др. Водопоглощение их до 4%. Мозаичные плитки на заводе наклеивают водорастворимыми клеями на квадратные листы крафт-бумаги с раскладкой по определенному рисунку. Листы с наклеенными плитками упаковывают в пачки до 10 шт. в каждой и хранят в закрытых помещениях, не допуская пересыхания или размягчения клея. Различные варианты рисунков пола можно получать путем резки листов на части и соединения этих частей в различных комбинациях.

Применение ковров из мозаичных плиток дает возможность значительно снизить трудоемкость настилки полов, а частые швы делают полы менее скользкими по сравнению с полами из крупных керамических плиток.

Керамические материалы и изделия специального назначения

Глиняная черепица представляет собой кровельный материал, получаемый из легкоплавких глин путем формования сырца, сушки его и последующего обжига. В настоящее время керамические заводы выпускают черепицу нескольких видов: пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную и коньковую.

Черепица как кровельный материал прочна, долговечна и огнестойка. Кровля из нее не требует частых ремонтов. Недостатки черепичной кровли - большая масса, необходимость устройства значительных уклонов для стока воды, а также большая трудоемкость возведения. Черепицу применяют обычно в малоэтажном строительстве.

Канализационные и дренажные трубы. Канализационные трубы изготовляют из огнеупорных или тугоплавких глин. Формуют трубы вместе с раструбом на трубных прессах. После сушки на внутреннюю и наружную поверхности труб наносят глазурь и обжигают. Наличие тонкого слоя глазури предопределяет водонепроницаемость и высокую стойкость труб к воздействию кислот и щелочей. Канализационные трубы выпускают внутренним диаметром 150-600 и длиной мм. Высокая химическая стойкость керамических труб позволяет широко применять их для отвода промышленных вод, содержащих щелочи и кислоты.

Дренажные трубы - керамические неглазурованные изделия с гладкой поверхностью и сквозными канавками или прорезями для повышения водопроницаемости. Длина их до 500, внутренний диаметр 25-250 мм. Трубы должны иметь правильную цилиндрическую форму, гладкую внутреннюю поверхность, обладать достаточной механической прочностью. Сырьем для их производства служат легкоплавкие глины и суглинки. Дренажные трубы используют для осушения заболоченных земель, а также для понижения уровня грунтовых вод.

Кислотоупорные изделия в отличие от обычных керамических изделий имеют черепок повышенной плотности, а также высокие механическую прочность и термостойкость. Они способны выдерживать длительное воздействие концентрированных кислот и щелочей. К этой группе керамических изделий относят кислотоупорный кирпич, кислотоупорные и термокислотоупорные плитки и кислотоупорные трубы.

Кислотоупорный кирпич изготовляют в виде прямоугольного параллелепипеда размером 230х113х65 мм и клиновидным. Применяют его для кладки фундаментов химических аппаратов, футеровки аппаратов и газоходов, настилки полов и сточных желобов предприятий химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Кислотоупорные и термокислотоупорные плитки могут быть квадратными, прямоугольными и клиновидными со стороной размером от 50 до 200 мм и толщиной от 10 до 50 мм. Кислотоупорные плитки употребляют для футеровки аппаратов, газоходов и сточных желобов, для устройства полов в цехах с агрессивными средами, а термокислотоупорные, кроме того, - для футеровки варочных котлов.

Кислотоупорные трубы имеют плотный спекшийся черепок; наружную и внутреннюю стороны труб покрывают кислотостойкой глазурью. Применяют их на предприятиях химической промышленности.

Санитарно-технические изделия. Санитарно-технические изделия - раковины, умывальники, унитазы, смывные бачки и т. д. изготовляют в основном из беложгущихся фаянсовых или полуфарфоровых масс, в состав которых входят каолин, огнеупорная глина, кварц, шамот. Формуют изделия методом литья в гипсовые формы. После извлечения из форм изделия сушат, глазуруют и обжигают. Санитарно-технические изделия должны иметь правильную форму, ровную, гладкую и чистую поверхность, равномерно покрытую глазурью. Их применяют для оборудования кухонь, санитарных узлов и специальных помещений (лабораторий, парикмахерских и др.).

Пористые керамические заполнители. Основными видами искусственных пористых керамических заполнителей для легких бетонов являются керамзит и аглопорит.

Керамзит - легкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге глинистых легкоплавких пород, способных вспучиваться при быстром нагревании до С. Вспучивающими агентами являются газы, которые выделяются при разложении различных веществ, содержащихся в исходном сырье. Вспучиваемость глинистого сырья можно повысить добавлением в сырьевую шихту тонкомолотого угля, опилок, рыхлой железной руды, пиритовых огарков и др.

Процесс изготовления керамзита состоит из следующих основных операций: добычи глинистого сырья, его складирования и доставки к месту производства; переработки сырья и приготовления исходного полуфабриката в виде гранул, обжига гранул; охлаждения керамзита; сортировки и (при необходимости) дробления заполнителя; складирования и выдачи готового продукта. В качестве формующих машин для изготовления гранул используют дырчатые вальцы и барабанные грануляторы, а также ленточные прессы, у которых выходное отверстие мундштука перекрыто перфорированной перегородкой и имеется специальное устройство для резки выходящих жгутов. Подсушивают сырец в сушильном барабане. Обжигают керамзит в большинстве случаев во вращающихся печах длиной 12-40 и диаметром 1,2-2,5 м. Длительность обжига керамзита во вращающейся печи 25-45 мин.

Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, плотностью и прочностью. В зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят наследующие фракции: 5-10, 10-20 и 20-40 мм. Зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. В зависимости от насыпной плотности гравий делят на марки 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800. Предел прочности при сжатии керамзитового гравия в зависимости от его марки 0,3 - 5,5 МПа. Водопоглощение керамзитового гравия%, морозостойкость должна быть не менее 15 циклов.

Керамзит применяют также в качестве теплоизоляционного материала (в виде засыпок).

Аглопорит представляет собой пористый кусковой материал, получаемый спеканием (агломерацией) гранул из смеси глинистого сырья с углем. Спекание гранул происходит за счет сгорания угля, содержащегося в сырьевой шихте. Одновременно с выгоранием угля вся масса частично вспучивается. При изготовлении аглопорита влажное глинистое сырье смешивают с молотым углем, гранулируют и подают в агломерационную установку. Продолжительность агломерациимин. Пористую легкую глыбу аглопорита после охлаждения дробят на щебень с последующей сортировкой на фракции.

Насыпная плотность аглопоритового щебня кг/м3, прочность 0,3 - 3 МПа. Содержание в аглопорите несгоревшего угля обычно не превышает 3%, что вполне допустимо для применения его в качестве заполнителя для легких бетонов.

Огнеупорные материалы характеризуются способностью при эксплуатации в промышленных тепловых установках длительное время выдерживать различные механические и химические воздействия при температуре выше 15000С. По степени огнеупорности эти материалы разделяют на : огнеупорные (С), высокоогнеупорные (С), высшей огнеупорности (выше 20000С). Огнеупорные материалы изготовляют в виде кирпича, блоков, плит и различных фасонных элементов путем прессования, сушки и обжига.

В зависимости от химико-минералогического состава огнеупорные материалы разделяют на : кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезитовые, хромистые и углеродистые. Наиболее распространены в строительстве кремнеземистые и алюмосиликатные огнеупоры.

Кремнеземистые (динасовые) огнеупоры изготовляют из кварцитов или кварцевого песка с добавкой глины. Огнеупорность динасовых материалов 1710 – 17500С, предел прочности при сжатииМПа. Динасовые огнеупоры широко применяют для кладки и футеровки наиболее ответственных частей различных промышленных печей (мартеновских, коксовых, электроплавильных, стекловаренных и др.), которые подвергаются одновременному воздействию высоких температур и значительных нагрузок.

Алюмосиликатные огнеупоры получают из огнеупорных глин и каолинов, отощенных шамотом или различными кварцевыми добавками. В зависимости от содержания SiO2 и Al2O3 в обожженном продукте алюмосиликатные огнеупоры разделяют на : полукислые, шамотные и высокоглиноземистые.

Сырьем для полукислых огнеупоров служат в основном естественные отощенные глины. Огнеупорность их 1610 – 17100С, предел прочности при сжатии не менее 10 МПа. Полукислыми огнеупорами футеруют вагранки, коксовые печи, стеклоразливочные ковши и пр.

Для изготовления шамотных огнеупоров используют смесь огнеупорной глины и шамота. Огнеупорность их 1710 – 17300С, предел прочности при сжатииМПа. Шамотные огнеупоры, кроме того, щелочестойки. Используются они для кладки доменных печей, стен и пода керамических печей, футеровки топок паровых котлов и т. д.

Высокоглиноземистые огнеупоры изготовляют из сырья (боксита, корунда и др.) с содержанием Al2О3 более 45%. Огнеупорность их обычно 1770 – 20000С. Применяют высокоглиноземистые огнеупоры в стекольной промышленности для кладки печей.

15 Композиционные материалы

1.Классификация, строение и свойства

2.Композиционные материалы с металлической матрицей

3.Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Композиционные материалы (КМ) — это не встречающиеся в природе искусственные материалы, в состав которых входят компоненты — конструктивные элементы, разделенные выра­женной границей, нерастворимые друг в друге и существенно различающиеся по свойствам.

Компонент, непрерывный во всем объеме КМ, называется матрицей; компонент прерывистый, разъединенный в компози­ции, — армирующим элементом.

КМ обладает свойствами, которые не имеет ни один из его компонентов в отдельности. По свойствам КМ превосходит любой из своих компонентов или резко отличается от них.

1.Классификация, строение и свойства

Принципиально важными свойствами композиционных материалов являются более высокий предел прочности, предел выносливости, более высокая удельная прочность (отношение предела прочности к удельному весу), модуль упругости, коэффи­циент жесткости (отношение модуля упругости к удельному ве­су) и меньшая склонность к трещинообразованию, чем у обыч­ных материалов. Применение КМ для деталей машин позволя­ет существенно снизить материалоемкость, так как удельная мрачность КМ в 2,5 раза больше, а коэффициент использова­ния материала в 1,8 раза больше, чем у стали.

Классификация КМ ведется по материалу матрицы, виду наполнителя, по структуре и по применению.

По материалу матрицы разделяют КМ с металлической матрицей и неметаллической матрицей.

По характеру армирующих элементов разделяют КМ, уп­рочненные волокнами (волокнистые КМ); КМ, упрочненные тонкодисперсными частицами (дисперсно-упрочненные КМ); слоистые КМ рис 1.

Рис.1. Схемы строения КМ

а - дисперсно-упрочненные; б – волокнистые; в – слоистые.

По структуре и в зависимости от взаимной расположения армирующих элементов КМ подразделяются на изотропные и анизотропные.

По применению КМ делятся на следующие группы:

конструкционные — для несущих конструкций, оболочек, кузовов, труб, работающих в условиях умеренных температур;

жаропрочные — для применения в энергетических установках;

теплозащитные — для защиты конструкций от мощных тепловых потоков;

фрикционные и антифрикционные—для работы в узлах трения;

материалы со специальными свойствами (электромагнитными, сверхпроводящими, оптическими и т. д.).

2.Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы на металлической основе об­ладают высокой прочностью и жаропрочностью, но они мало­пластичны. Однако в волокнистых композиционных материа­лах волокна уменьшают скорость распространения трещин, за­рождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение.

Наибольшее применение из металлических композицион­ных материалов, армированных волокнами, получили КМ на основе А1, Mg, Ti, Ni и их сплавов.

Для армирования используют стальную, бериллиевую или вольфрамовую проволоку, нитевидные кристаллы оксидов алю­миния, магния, карбида кремния, а также неорганические волок­на (углеродные, борные).

Нередко применяют в качестве волокон проволоку из вы­сокопрочных сталей. Металлические волокна используют с це­лью увеличения тепло - и электропроводности КМ.

Армирование алюминия и его сплавов стальной проволокой повышает их прочность, увеличивает модуль упругости, сопро­тивление усталости и расширяет электротехнический темпера­турный интервал службы материала.

Композиционный материал алюминий — волокна бора ха­рактеризуется сочетанием высокой прочности, предела вынос­ливости, модуля упругости с высокой работой разрушения.

Композиционный материал алюминий —углеродные волок­на обладает высокой удельной прочностью и жесткостью.

Из дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия достаточно широкое распространение по­лучили КМ типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными ча­стицами оксида алюминия. Материалы типа САП обладают весь­ма высокой жаропрочностью.

Для упрочнения А1, Mg и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из карбидов, боридов, нитридов и оксидов.

Для армирования Ti и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна карбида кремния и борида титана.

Для армирования сплавов Ni с целью повышения жаропрочности применяют вольфрамовую и молибденовую проволоку. Уровень рабочих температур дисперсно-упрочненнык никелевых сплавов достигает 1300 °С.

Все перечисленные материалы нашли применение для высоконагруженных деталей и в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов, конвейеров) Табл.1

Таблица 1

Свойства композиционных материалов с металлической матрицей

Материал	σ в	σ -1	Е, ГПа	Удельная прочность σв/γ , км Y	Удельная жесткость Е/ γ*103км
МПа
Al-борное волокно (ВКА-1А)	1300	600	220	500	84,6
Mg-борное волок­но (ВКМ-1)	1300	500	220	590	100
Al-углеродное во­локно (ВКУ-1)	900	300	220	450	100
А1-стальная прово­лока (КАС-1 А)	1700	350	ПО	370	24,4
Ni - вольфрамовая проволока (ВКН-1)	700	150	—	—	—

3.Композиционные материалы с неметаллической матрицей

В качестве неметаллической матрицы используют поли мерные, углеродные и керамические материалы.

Из полимерных матриц наибольшее применение получит эпоксидная, фенолформальдегидная и полиамидная.

Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, неорганические (нитевидные кристаллы оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.); металлические проволоки, а также дисперсные частицы. Полимерные КМ по наименованию упрочнителя разделяют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах (рис. 10.1, в) волокна, нити, пропитанные связую­щим, укладываются в плоскости, которые затем собираются в пластины. В зависимости от способа укладки пластин и воло­кон в пластинах можно получить как изотропные, так и анизо­тропные материалы.

Стекловолокниты — это композиция, состоящая из синте­тической смолы и наполнителя (стекловолокна). Неориентированные стекловолокниты содержат короткое волокно. Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длин­ных волокон; это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Карбоволокниты (углепласты) — это композиции, состоя­щие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Связующим служит либо синтетический полимер—полимер карбоволокнит, либо (у карбоволокнитов с углеродной матрицей) — пиролитический углерод (кокс), полученный при пиролизе природного газа.

Бороволокниты — это композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон. Бороволокниты от­личаются высокой прочностью (прочность на сжатие в 2 раза выше, чем у карбоволокнитов), высокой твердостью, теплопроводностью, электропроводностью, высоким сопротивлением усталости и химической стойкостью. Кроме того, следует отметить высокую демпфирующую способность бороволокнитов; они су­щественно превосходят металл по вибропрочности.

Органоволокниты состоят из полимерного связующего и уп­рочнителей в виде синтетических (например, полиоксадиазольных) волокон. Они обладают сравнительно высокой удельной прочностью и жесткостью, малочувствительны к повреждениям и устойчивы в агрессивных средах.

В горном машиностроении и горном деле композиционные материалы применяются для дета­лей фрикционного и антифрикционного назначения, бурового инструмента (коронок), деталей конвейеров, комбайнов, элек­тродов, электроконтактов.

Клеевые композиционные материалы применяют для гер­метизации пористых сварочных и наплавочных швов оборудо­вания. При ремонте шахтных компрессоров полимерные клеи используются для восстановления дефектов в стенках цилинд­ров — усадочных раковин, трещин, уменьшения размеров дета­лей и др. В качестве основы полимерного композиционного клея применяются эпоксидированная наволочная смола горяче­го отверждения типа УП-643, изометилтетрагидрофталевьш ан­гидрид и ускоритель — триметиламинометилфенол. В зависи­мости от характера дефектов и условий работы деталей в клей вводят наполнители — металлический порошок, графит, алю­миниевую пудру и др.

Широкое применение получили композиционные полимер­ные материалы в качестве крепления и улучшения состояния горных выработок.

Основные свойства композиционных материалов с неме­таллической матрицей приведены в табл. .2

Таблица 2

Свойства композиционных материалов с неметаллической матрицей

Материал	σ в	σ -1	Е, ГПа	Удельная прочность σв/γ , км Y	Удельная жесткость Е/ γ*103км	КСU кДж/м2	δ %
МПа
Стекловолокнит	80-500	-	-	4,7-26	-	25-150	1-3
Карбоволокнит (КМУ-1л)	650	300	120	46	8,6	50	0,5
Бороволокнит (КМБ-1м)	1300	400	270	-	-	90	0,3-0,5
Органоволокнит (с эластичным влокном)	100-190	-	2,5-8	8-15	0,22-0,6	500-600	10-20
		—	—	—

16. Неорганические полимерные материалы.