№1.Материаловедение — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение.
Материаловедение изучает зависимость свойств материалов от их строения.
Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья,проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.
Методы, используемые материаловедением: металлографический анализ, электронная микроскопия, микроскопия, рентгеноструктурный, механические свойства, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, ширография термография.
№2. Кристаллы построены из материальных частиц — ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве. Для описания порядка расположения частиц в пространстве их стали отождествлять с точками. Из такого подхода постепенно сформировалось представление о пространственной, или кристаллической, решетке как о бесконечном трехмерном периодическом образовании. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (ряд— совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла). Таким образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (решетчатое, или ретикулярное) внутреннее строение (от лат. reticulum — сеточка). Одна из главнейших особенностей кристаллических структур — закономерная повторяемость в пространстве их узлов, рядов и плоских сеток. Отсюда характерные свойства кристаллических веществ: а) однородность строения (однородностью кристалла назовём одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях его объема); б) анизотропия (в изотропных телах все свойства — теплопроводность, электропроводность, твёрдость царапания и т.д. — одинаковы в любом направлении, а в анизотропных телах все свойства неодинаковы в непараллельных направлениях, т.е., например, в одном направлении электрический ток проходит быстрее, в другом — медленнее) в) симметричность.
Аморфные тела можно рассматривать как сильно охлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. У них наблюдаются слабо выраженные свойства текучести. Например, куски воска или битума, находящиеся в воронке, со временем принимают ее форму. Поэтому, строго говоря, твердыми следует называть только кристаллические тела.
Таким образом, кристаллическими называют тела, в которых атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом порядке, а аморфными - в которых атомы и молекулы расположены беспорядочно. Стеклообразные тела также относятся к разряду аморфных, так как внутри них нет кристаллов.
№3. Способы получения полимеров разнообразны. Биополимеры являются продуктом жизнедеятельности животных и растений. Из древесины путем экстракции фракционного осаждения или другими методами кожи и шерсти животных получают протеин, целлюлозу, крахмалы, шеллак, лигнин и латекс. Как правило, процессы очистки, модификации биополимеров не влияют на структуру их основных цепей. В результате процесса переработки биополимеров получают искусственные полимеры. К ним относятся латекс, который получают из природного каучука, также целлулоид, получаемый из нитроцеллюлозы, пластифицированный камфарой с целью повышения эластичных свойств.
Особую роль в росте производства и потребления органических материалов сыграли синтетические полимеры. Как природные, так и искусственные полимеры незаменимы в области получения изделия из пластмассы, современной техники и целлюлозно-бумажной индустрии. Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ путем синтеза. Они не имеют аналогов в природе. Благодаря синтетическим полимерам произошел резкий толчок в росте производства и использования материалов органического происхождения.
№4. Полимеры состоят из повторяющихся групп атомов - звеньев исходного вещества -
мономера, образующих молекулы в тысячи раз превышающих длину неполимерных
соединений, такие молекулы называют макромолекулами. Чем больше звеньев в
макромолекуле полимера (больше степень полимеризации), тем более прочен
материал и более стоек к действию нагрева и растворителей. Из-за
невозможности эффективной переработки малоплавкого и труднорастворимого
полимера в ряде случаев получают сначала полуфабрикаты - полимеры со
сравнительно низкой молекулярной массой - олигомеры, легко доводимые до
высоко молекулярного уровня при дополнительной тепловой обработке
одновременно с изготовлением изделия.
В зависимости от состава различают группы полимерных соединений: гомополимеры
- полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров; сополимеры - полимеры,
состоящие из разных исходных звеньев мономеров; элементоорганические -
соединения с введен-ными в главную цепь или боковые цепи атомами кремния
(кремнийорганические соединения), бора алюминия и др. Эти соединения обладают
повышенной теплостойкостью.
Все свойства полимеров зависят от их химического состава и молекулярной
массы. Прочность, твердость, температура перехода, диэлектрическая
проницаемость, электрическая прочность, электросопротивление, тангенс угла
диэлектрических потерь и другие свойства у различных полимеров изменяются в
широком диапазоне (табл. 1).
Полимеры в твердом состоянии могут быть аморфными и кристаллическими. При
нагревании аморфного полимера наблюдают три физических состояния:
стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее. Эти состояния устанавливают на
основании кривой термомеханического состояния (рис. 4, кривая 1). Аморфный
полимер находится ниже температуры стеклования (Тс) в твердом агрегатном
состоянии. При температуре выше Тс полимер находится в высокоэластичном
состоянии; молекулярная подвижность при этом становится настолько большой, что
структура в ближнем порядке успевает перестраиваться вслед за изменением
температуры, а макромолекулы могут изгибаться под действием внешних сил. Общая
деформация складывается в этом случае из упругой и запаздывающей
высокоэластичной деформации. При упругой деформации изменяются средние
межцентровые, межмолекулярные расстояния и валентные углы в полимерной цепи,
при высокоэластичной деформации изменяется ориентация и перемещаются на
значительные расстояния звенья гибких цепей.
№5. Макромолекулы полимеров могут иметь различную гео. метрическую форму в зависимости от строения основной цепи (рис. 18): линейную, при которой структурные звенья соединены в длинные цепи последовательно одно за другим (именно такую структуру имеют в основном известные нам полиэтилен и полипропилен); разветвленную (с ними мы встречались при изучении крахмала); пространственную, при которой линейные молекулы соединены между собой химическими связями (например, в вулканизированном каучуке — резине). Геометрическая форма макромолекул полимеров, как увидим далее, существенно сказывается на их свойствах. Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры с помощью света, радиации или «сшивания» под действием химических реагентов. Вспомните хотя бы вулканизацию каучуков, а также отверждение фенолформальдегидных и полиэфирных смол или образование прочных пленоки покрытий из высыхающих масел и природных смол.
а) линейная
Линейные полимеры могут иметь как кристаллическую, так и аморфную структуру. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфное строение характеризуется отсутствием упорядоченности. Разветвленные и пространственные полимеры, как правило, являются аморфными. Физические свойства линейных и разветвленных полимеров очень зависят от межмолекулярного взаимодействия их макромолекул. Например, у целлюлозы они взаимодействуют между собой по всей длине, и поэтому ее волокна обладают высокой прочностью. Аналогично особо прочные волокна дают многие синтетические полимеры (полипропилен, полиэфиры, полиамиды), линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения. А вот разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками и поэтому не образуют прочных волокон.
№6. Характеристикой химического строения макромолекулы является химическое строение ее повторяющегося составного звена. По химическому строению повторяющегося звена полимеры делятся на органические, неорганические и элементоорганические.
Органические полимеры содержат в главной цепи атомы углерода, а также кислорода, азота и серы. В боковые группы могут входить водород, галогены, соединенные непосредственно с углеродом, или атомы других элементов, непосредственно не соединенных с углеродом основной цепи.
Неорганические полимеры состоят из неорганических атомов и не содержат органических боковых радикалов.
Элементоорганические полимеры -- это соединения, макромолекулы которых наряду с атомами углерода содержат неорганические фрагменты. По составу главных цепей их делят на три группы:
соединения с неорганическими цепями, обрамленные боковыми органическими группами;
соединения, в главной цепи которых находятся атомы углерода, а боковые группы содержат любые другие атомы, за исключением азота, серы, кислорода и галогенов, соединенных непосредственно с атомом углерода;
соединения с органонеорганическими цепями.
Соединения каждого класса можно разделить на гомоцепные и гетероцепные. У гомоцепных соединений цепи построены из атомов одного элемента, у гетероцепных -- на разных.
При делении на гомоцепные и гетероцепные полимеры состав боковых групп не учитывают. Например, в поливинилацетате группы --СО--О-- находятся в боковых ответвлениях
а главная цепь макромолекулы полимера образована только из атомов углерода, и поэтому это соединение относится к гомоцепным производным предельных углеводородов, имеющим боковые сложноэфирные группы. В полиэтилентерефталате группы --СО--О-- входят в состав главной цепи, которая состоит из атомов углерода и кислорода
поэтому его относят к кислородсодержащим гетероцепным соединениям.
Органические гомоцепные полимеры -- это обычно карбоцепные соединения, главные цепи которых построены из атомов углерода. Они делятся на алифатические (предельные и непредельные) и ароматические углеводороды галогенпроизводные, спирты, кислоты, эфиры и т. д,:
Неорганические гомоцепные полимеры получены только из элементов III--VI групп Периодической системы, наибольшее практическое значение имеют полимеры, состоящие из элементов IV и VI групп С увеличением номера ряда внутри каждой группы возрастает степень делокализации и обобщения электронов, резко снижается энергия о связей между атомами одного и того же элемента, т. е. способность элементов к образованию прочных связей.
Отсутствие органических обрамляющих боковых групп также оказывает существенное влияние на свойства неорганических макромолекул. В органических полимерах электронные орбитали атомов боковых групп защищают главную цепь от атаки нуклеофильных или электрофильных агентов, определяют характер межмолекулярных взаимодействий. В неорганических высокомолекулярных соединениях этот эффект не проявляется
Ниже приведены названия и формулы некоторых гомоцепных неорганических полимеров:
Число гомоцепных неорганических полимеров довольно ограничено, большее распространение получили гомоцепные элементоорганические полимеры, состоящие из неорганических цепей, обрамленных органическими радикалами, или из органических целей (карбцепные) с боковыми элементоорганическими группами
Органические гетероцепные полимеры делят на классы в зависимости от природы функциональной группы, повторяющейся в главной цепи; соответственно различают кислород-, азот-, серосодержащие соединения и др. Они могут быть алифатическими или ароматическими в зависимости от того, алифатические или ароматические группировки находятся между функциональными группами. В табл. 1.1 приведены представители органических гетероцепных полимеров.
Неорганические гетероцепные полимеры построены из атомов элементов групп III (В, Al), IV (Si, Ge, Те, Pb, Sn), V (P, As, Sb) и VI (S, Se, Те), а также кислорода и азота; возможны также сочетания элементов III группы с P, а V -- с В. Ниже приведены некоторые представители этих полимеров:
Большую группу гетероцепных полимеров образуют элементоорганические соединения, из которых наибольшее практическое значение имеют полимеры, состоящие из неорганических цепей с органическими боковыми группами. К ним относятся кремнийсодержащие полимеры, главные цепи которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода, азота, серы, металлов и т.д.
№7. Термопласты представляют собой полимерные материалы, которые размягчаются при нагревании, а при остывании вновь приобретают свои изначальные свойства. Термопласты, в отличие от реактопластов, намного легче поддаются термопрессованию. Технология изготовления термопластов довольно проста: гранулы засыпаются в камеру термопластавтомата, где, при необходимой температуре, переходят в текучее состояние, затем расплавленная масса попадает в специальную форму, где происходит прессование и дальнейшее охлаждение. Как правило, большинство термопластов может быть использовано вторично.
Данный способ изготовления полимерных изделий применяется чаще всего при производстве различных видов серийных деталей, используемых, например, в радиотехнике. В некоторых случаях с помощью термопрессования изготавливаются мелкосерийные или уникальные изделия для различных областей человеческой деятельности. К наиболее известным термопластам в настоящее время относятся полиэтилен, полипропилен, лавсан, фторопласт и поливинилхлорид. Реактопласты представляют собой полимерные материалы, которые разрушаются при достижении определенной температуры. Изготовление реактопластов, в отличие от термопластов, происходит с помощью порошкового пресс-формования. Предварительно порошок, из которого изготовляется данный полимер, засыпается в пресс-форму, где происходит прессование при определенной температуре и давлении. Данный способ изготовления полимерных материалов позволяет получить необходимое вещество с заданными характеристиками. По оценкам специалистов, в некоторых случаях получение реактопластов обходится дешевле, чем изготовление термопластов, но, с другой стороны, вторичная переработка реактопластов бывает очень сложной. В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускают различные виды реактопластов на основе фенолформальдегидных смол, а также различных видов эпоксидных материалов. Наибольшим спросом на рынке пользуются такие материалы, как бакелит и капролон.
№8. Теплостойкость характеризует верхнюю границу области температур, в которой полимерный материал может нести механические нагрузки без изменения формы. Потеря теплостойкости обусловлена физическими процессами (переход стеклообразных полимеров в высокоэластическое состояние или плавление кристаллических полимеров). Термостойкость характеризует верхний предел рабочих температур в тех случаях, когда работоспособность полимера определяется устойчивостью к химическим превращениям (обычно к деструкции полимеров в инертных или окислительных средах). Для каучуков и резин, а также для ряда твёрдых полимеров с высокими значениями температур стеклования и плавления эксплуатационные характеристики зависят от термостойкости; она особенно важна в процессах переработки при формовании изделий из полимерных материалов. В зависимости от вида изделий (покрытия, волокна, конструкционные материалы) и их назначения используют различные методы определения теплостойкости. Для конструкционных твёрдых материалов теплостойкость оценивают по изменению жёсткости; показателем служит так называемая деформационная теплостойкость — температура, при которой начинает развиваться недопустимо большая деформация образца, находящегося под определённой нагрузкой и нагреваемого с определённой скоростью. Стандартизованные в СССР методы оценки деформационной теплостойкости различаются способом измерения деформации, допустимым уровнем её развития, величиной нагрузки, скоростью нагрева. Термостойкость определяют по изменению веса образца полимера при его нагреве с заданной скоростью. Теплостойкость и термостойкость позволяют судить о верхних предельных температурах использования полимеров при кратковременном тепловом воздействии; при длительных воздействиях эти температуры обычно на несколько десятков градусов ниже.
№9. Изготовление тканей основывается на трех основных типах переплетения нитей: полотняное, саржевое или атласное. У каждого типа свои особые свойства. Если вы планируете шить себе одежду, то стоит начать с плотной, но достаточно легкой ткани, вроде обычного хлопчатобумажного полотна.
Обычное полотняное переплетение: самый простой тип переплетения нитей, где поперечная нить пропускается то под долевой нитью, то над ней (крестообразно). Марля, коленкор, тафта и поплин — все это примеры полотняного переплетения.
Саржевое переплетение: нити утка попеременно пропускаются под две или больше нитей основы и над таким же количеством нитей. В результате получается явно выраженный диагональный узор на поверхности плотно сотканных тканей, таких как тик, габардин или джинса (деним).
Атласное переплетение: дает гладкую, плотную поверхность, которая создается путем пропускания нитей утка под несколькими нитями основы, что оставляет на поверхности длинные участки нити основы (обычно таким образом ткется шелк, тонкий хлопок, ацетатное волокно или искусственный шелк), под которыми не видно нитей утка. Изнанка такой ткани матовая. Если длинные участки нити формируются нитями утка, ткань называют сатином. Однако стоит иметь в виду, что на тканях с атласным переплетением глянцевой поверхности нередко возникают затяжки.
В жаккарде соединяются полотняное, саржевое и атласное переплетения — так получается узорчатая ткань, парча и гобеленовое полотно. Эта техника была изобретена в 1801 году Жозефом Мари Жаккардом, который изобрел ткацкий станок, позволяющий ткать сложные узоры с помощью ряда карт с отверстиями. Именно революционная система жаккардового станка позже вдохновила математика Чарльза Бэббиджа на изобретение первого механического компьютера.
Трикотажное полотно
Переплетение нитей в трикотажном полотне получается за счет закрепления провязанных петель — это означает, что необработанные срезы не будут растрепываться, и материал практически не мнется. Трикотаж не всегда эластичен, например, плотная вязаная ткань и флис тянутся довольно плохо. В отличие от этих материалов трикотажные полотна, содержащие волокна спандекса, хорошо растягиваются как по прямым направлениям, так и по косой, что делает их прекрасным материалом для шитья танцевальных костюмов и спортивной одежды. Есть два основных типа трикотажа — трикотаж по утку и трикотаж по основе (он еще называется «рашель»).
Трикотаж, связанный уточной нитью. Петли выполняются с помощью одной нити, провязываемой рядами, или «горизонталями», от кромки до кромки. Переплетение рядами означает, что такой трикотаж может распуститься, если срез не закрепить должным образом. Этот вид трикотажа можно вязать на разных промышленных или домашних вязальных машинах, а затем выкраивать из них требуемые детали.
Трикотаж, связанный по долевой, создается из множества нитей пряжи, которые формируют вертикальные ряды петель отдельными рубчиками или столбиками. При этом используется специализированная машина, делающая трикотаж, который мало тянется, и петли в таком полотне не спускаются.
Трикотаж, созданный подобным образом, используется для шитья футболок, создания кружевных занавесок и одеял.
Рашель. Этот тип трикотажа имеет просветы, он имитирует кружево или ручное вязание крючком, поскольку позволяет вплетать в полотно, сотканное из тонких нитей, тяжелые текстурированные нити.
Интерлок. Так называется гладкое трикотажное полотно с близко расположенными соединяющими петлями, которые делают полотно эластичным. Он обычно используется для изготовления нижнего белья и повседневной одежды.
Разрывание. Из трех видов ткачества лучше всего рвется ткань, сотканная с помощью полотняного переплетения, потому что в этом случае нити расположены очень близко одна к другой и не могут перенаправить напряжение путем изгибания, растягивания или скручивания. Ткань, созданная с помощью полотняного переплетения, рвется точно по долевой или поперечной.
Для того что бы хорошо разбираться в тканях и знать как можно кроить или как нельзя кроить то или иное полотно, изучите как выглядят переплетения нитей в ткани, а так же виды тканей и виды переплетений.
№10. Вискозные ткани. Из искусственных тканей наибольшую популярность приобрели вискозные (получаемые на основе раствора полимера целлюлозы), ацетатные (изготавливаемые путем обработки раствора ацетилцеллюлозы), а также медно-аммиачные. Химические синтетические ткани изготавливают из капронового, лавсанового, хлоринового и нитронового волокна. По химическому составу вискозные ткани сходны с льняными и хлопчатобумажными. Равно как и последние, они отличаются гигиеничностью и имеют привлекательный внешний вид. Кроме того, их легко стирать.
Особенно популярен в швейном производстве вискозный штапель, основными характеристиками которого являются легкий шелковистый или матовый блеск, мягкость, пластичность, текучесть, благодаря которым его можно драпировать.
Главным недостатком вискозного полотна является сравнительно низкая прочность (особенно при увлажнении). К тому же после стирки оно дает значительную усадку и легко сминается.
Указанные выше негативные свойства вискозных тканей в процессе их производства уменьшают путем добавления в исходное сырье синтетического и иных видов волокна.