Меню

Урок 1
Технология изготовления изделий из порошков (порошковая металлургия). Пластики и керамика

Технологии получения современных материалов
§2. Пластики и керамика

Пластики и керамику называют современными многофункциональными материалами из-за широкого их применения во многих областях человеческой деятельности.

Пластики

В 5 и 6 классах вы кратко ознакомились с искусственными материалами — пластмассами.

Пластики, или пластмассы (пластические массы) — это органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение нашли пластмассы на основе синтетических полимеров.

Синтетическими полимеры называют потому, что их получают с помощью технологий синтеза (синтез — процесс соединения веществ в единое целое) определённых химических веществ.

Полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Термореактивные полимеры при нагреве не плавятся, а разрушаются.

Кроме полимера, пластмассы содержат наполнители (для придания пластмассе таких свойств, как прочность и термостойкость), пластификаторы (для повышения пластичности материала) и красители (для окрашивания пластмасс в разные цвета).

Способ производства пластмасс был открыт учёными-химиками в середине XIX в. В настоящее время во многих областях деятельности человека недорогие пластмассы заменили дорогостоящие металлы и другие материалы (рис. 3).

Наиболее распространённой технологией получения изделия из пластмассы является технология литья под давлением, которая заключается в том, что расплавленная пластмасса впрыскивается в металлическую пресс-форму и при остывании образует готовую деталь.

Достоинством пластмасс является меньший, чем у металлов, вес, они не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и растворителей, не оказывают вредного воздействия на человека. Однако, многие пластмассы являются более хрупкими и менее прочными, чем металлы.

Благодаря полезным свойствам пластмассы широко применяют в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении и в быту.

Из-за широкого распространения пластмасс в мире возникла проблема утилизации их отходов, которые обязательно должны перерабатываться, поскольку при сжигании пластика выделяются токсичные вещества, а разлагается пластик в течение 100-200 лет.

В 1988 г. была введена система международных универсальных кодов переработки пластмасс (табл. 1).

Таблица 1

Международные универсальные коды переработки пластмасс

Сегодня на базе пластиков создано углеродистое волокно, в 15 раз превосходящее по прочности самую лучшую сталь. Для этого изготовленное на основе целлюлозы вискозное волокно смешивают с синтетическими волокнами, искусственными смолами, другими высокомолекулярными соединениями и нагревают до высокой температуры в среде инертных газов. Получившееся волокно содержит более 85 % углерода, откуда и происходит его название. Благодаря прочности, устойчивости к воздействию высоких температур и химических веществ его используют в авиастроении, также из него изготавливают изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жёсткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь, защитные костюмы.

Керамика

Керамические изделия (керамику) получают из порошка, состоящего из соединений металлов с кислородом, азотом или углеродом, уплотнённого в пресс-форме и нагретого до 2000 °C в специальной печи. Детали из керамики, в отличие от металлов, могут выдерживать сильный нагрев, не теряя прочности, поэтому их стали широко использовать в двигателях внутреннего сгорания, установленных на современных автомобилях (клапаны, поршни, толкатели, шарики для шарикоподшипников и др.) (рис. 4). Причём эти детали легче стальных. Кроме того, керамика отличается высокой твёрдостью и стойкостью к истиранию. Учёными успешно испытан в лабораторных условиях полностью керамический двигатель, работающий при очень высоких температурах.

В металлообработке режущие инструменты с пластинами из корундовой керамики (корунд — искусственно синтезированный очень твёрдый минерал) легко обрабатывают высокопрочные стали.

В электротехнике и электронике керамические материалы используют для изготовления изоляторов, конденсаторов, для монтажа микропроцессоров, а также во многих полупроводниковых приборах.

В атомной энергетике керамику применяют вместо металлов в ядерных реакторах, где рабочие температуры слишком высоки для металлов.

Высокотехнологичная керамика, которая использовалась в космической индустрии, стала применяться в стоматологии при зубном протезировании. Эта керамика прочней обычного пломбировочного материала, имеет высокую биологическую совместимость с организмом человека, обладает идеально гладкой поверхностью.

В настоящее время в домашнем обиходе всё чаще появляются керамические ножи, овощечистки и др., имеющие лезвия, изготовленные на основе диоксида циркония (рис. 5). Лезвия таких кухонных инструментов не ржавеют и долго не требуют заточки, но очень чувствительны к ударам и падениям. Ножом нельзя резать на твёрдой поверхности во избежание выкрашивания режущей кромки.

Биоматериалы — это синтетические или естественные материалы, используемые в медицине. Биоматериалы применяют для улучшения качества и продолжительности жизни человека путём замены повреждённых участков его организма: отдельных органов и тканей, которые по разным причинам утратили способность выполнять возложенные на них функции. В настоящее время биоматериалы используют для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокна, костную ткань. На смену металлическим биоматериалам пришли биокерамические материалы (биокерамика) и синтетические полимеры, которые обладают необходимой биологической совместимостью с человеческими органами.

Практическая работа № 1

Подготовка к образовательному путешествию

1. Сделайте информационное сообщение о подготовке к образовательному путешествию на предприятие, где применяются современные материалы (по результатам самостоятельной домашней работы). Сравните результаты вашего поиска информации с результатами одноклассников.

2. Выберите маршрут и составьте в рабочей тетради перечень того, на что следует обратить внимание при исследовании работы выбранного предприятия: вид производственного помещения, выпускаемая продукция, применяемые технологии, используемые современные материалы, оборудование и инструменты, транспортные средства, специальности работников и др.

Проверяем свои знания

1. Что, кроме полимеров, содержится в составе пластмасс?

2. Чем термопластичные пластмассы отличаются от термореактивных?

3. Назовите области применения промышленной керамики.