Руководство по производству материалов: типы, определения, примеры и применение | CNCLATHING

Большинство материалов, используемых в обрабатывающей промышленности, попадают в одну из трех широких категорий: металлы, керамика или полимеры. Их механические и физические характеристики различаются, что влияет на производственные технологии, которые могут использоваться для создания продуктов. Наряду с тремя основными категориями существует еще один тип материалов — композиты, которые представляют собой неоднородные комбинации трех других основных категорий, а не одну категорию. 

1. Металлы 

Металлы, используемые в производстве, часто представляют собой сплавы, состоящие из двух или более элементов, по крайней мере один из которых является металлическим. Металлы и сплавы подразделяются на две основные категории: черные и цветные черные металлы. 

– Черные металлы состоят из железа и включают сталь и чугун. Хотя чистое железо имеет ограниченное экономическое применение, в сочетании с углеродом оно имеет больше применений и коммерческой ценности, чем любой другой металл. Сплавы железа и углерода используются для производства стали и чугуна. Сталь – это сплав железа и углерода, содержащий от 0.02 до 2.11 процента углерода. Чугун – это сплав, содержащий от 2% до 4% железа и углерода, который используется в литье. Эти металлы популярны благодаря своей прочности на разрыв и долговечности. Углеродистая сталь является основным материалом в строительной отрасли и используется для самых высоких небоскребов и самых длинных мостов. Черные металлы также используются в контейнерах, промышленных трубопроводах, автомобилях, железнодорожных путях и многих коммерческих и бытовых инструментах.

– Цветные металлы – это металлы или сплавы, которые не содержат значительного количества железа. Цветные металлы, которые часто дороже черных металлов, используются из-за желаемых характеристик, таких как уменьшенный вес, лучшая проводимость, немагнитные свойства или коррозионная стойкость. Существует несколько цветных материалов, которые включают в себя все металлы и сплавы, не содержащие железа. Алюминий, медь, свинец, никель, олово, титан и цинк являются примерами цветных металлов, как и медные сплавы, такие как латунь и бронза.

2. керамика

Керамика относится к материалу, состоящему из металлических, полуметаллических и неметаллических компонентов. Керамика классифицируется как кристаллическая керамика и аморфные твердые тела (стекла). Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит, современная керамика включает карбид кремния и карбид вольфрама.

– Кристаллическая керамика: обычно изготавливается из порошков, а затем обжигается при температурах ниже точки плавления для достижения связи между частицами. 

– Стекло: термин «стекло» противопоставляется кристаллическому состоянию в керамической технологии, и его называют «сверхохлажденной жидкостью», стекло можно расплавить и отлить, а затем придать ему форму с помощью классических методов выдувания стекла. Когда образуются кристаллические материалы, молекулы имеют возможность ориентироваться в выбранном шаблоне во время замораживания, тогда как случайная ориентация молекул фиксируется в твердом теле в стекле. Стекло является предпочтительной структурой в керамике, и оно развивается спонтанно из-за быстрых циклов охлаждения. Циклы охлаждения в природе медленные, и горная порода кристаллизуется в результате длительного времени, в течение которого она должна охлаждаться.

3. Полимеры

Полимер — это вещество, состоящее из повторяющихся структурных единиц, называемых мерами, атомы которых делят электроны, чтобы построить чрезвычайно массивные молекулы. Углерод часто сочетается с одним или несколькими дополнительными элементами, такими как водород, азот, кислород и хлор, образуя полимеры. Термопластичные полимеры, термореактивные полимеры и эластомеры — это три типа полимеров. 

– Термопластичные полимеры могут подвергаться многократным циклам нагревания и охлаждения без существенного изменения молекулярной структуры полимера; к распространенным термопластам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и нейлон.

– Термореактивные полимеры химически преобразуются в жесткую структуру при охлаждении из нагретого пластичного состояния. К представителям этого типа относятся фенольные аминосмолы и глубокие окси. Хотя используется название термореактивные, некоторые из этих полимеров отверждаются с помощью механизмов, отличных от нагревания. – Эластомеры – это полимеры, которые демонстрируют значительные эластичные свойства, к ним относятся натуральный каучук, неопреновый силикон и полиуретан. 

4. Композитный

Композитный материал состоит из двух или более фаз, которые обрабатываются независимо, а затем связываются вместе для получения характеристик, превосходящих характеристики их частей. Термин фаза относится к однородной массе материала, такой как совокупность зерен с похожей структурой элементарных ячеек в твердом веществе. Типичная структура композита состоит из частиц или волокон из одной фазы, объединенных с матрицей из второй фазы. Композитные материалы присутствуют в природе, например, в древесине, и могут быть синтезированы синтетически. Свойства композитного материала определяются его составляющими, их физической формой и способом их смешивания для получения конечного вещества. Некоторые композиты сочетают в себе высокую прочность и легкий вес, что делает их идеальными для таких применений, как детали самолетов, кузова автомобилей, корпуса лодок, теннисные ракетки и удочки. Другие композиты прочные и твердые, со способностью сохранять эти свойства при повышенных температурах, например, режущие инструменты из цементированного карбида. Металлические матричные композиты, керамические матричные композиты и полимерные матричные композиты — это три вида композитов. 

– Композиты с металлической матрицей: металлическая матрица и дисперсная фаза составляют композиты с металлической матрицей. MMC создаются путем распределения армирующего вещества по металлической матрице. Композиты на основе алюминия, магния, титана, меди и суперсплава являются наиболее широко используемыми композитами с металлической матрицей. 

– Композиты с керамической матрицей состоят из керамической матрицы и дополнительных материалов, включенных в нее. Как волокна, так и матрица могут быть изготовлены из любого керамического материала, причем углерод и углеродные волокна также считаются керамическими материалами. КМЦ часто используются в аэрокосмической и энергетической промышленности. 

– Композиты с полимерной матрицей: композиты с полимерной матрицей состоят из ряда коротких или непрерывных волокон, которые удерживаются вместе органической полимерной матрицей. PMC предназначены для передачи нагрузок между волокнами матрицы. Термореактивные пластики и термопласты – это два вида полимеров, которые используются в качестве матричных смол при производстве композитов.