РГПУ

Смирнов А.М.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Неметаллические, порошковые и композиционные материалы

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2. ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ И ИХ СВОЙСТВА

3. СПЕЧЕННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРАЛЫ

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время основными конструкционными материалами являются металлы и их сплавы, что обусловлено отработанной технологией их добычи и переработки. Однако производство металлических сплавов является чрезвычайно дорогим, а запасы сырья сокращаются, поэтому наблюдается общая тенденция направленная на замену их неметаллическими материалами

Неметаллические материалы являются более технологичными и имеют, как правило, меньшую стоимость. По своим характеристикам они не уступают, а в некоторых случаях и превосходят металлы. Однако ряд неметаллических материалов в процессе эксплуатации отличается нестабильностью свойств под действием нагрузки, солнечной радиации, перепадов температур и т. д. Поэтому при выборе неметаллических материалов необходимо знать и учитывать специфику их свойств.

Все неметаллические и металлосодержащие конструкционные материалы в зависимости от состава исходных компонентов и способа получения деталей можно классифицировать следующим образом:

1. пластические массы (пластмассы)

2. древесные материалы (пиломатериалы)

3. стекла

4. керамические материалы

5. спеченные порошковые материалы

6. композиционные материалы

7. резинотехнические материалы

8. защитные покрытия (лакокрасочные материалы)

Данная классификация является условной и неполной, так как например, композиционные материалы в состав которых входит несколько компонентов могут быть изготовлены как на металлической, так и неметаллической основе.

Все перечисленные материалы находят широкое применение в различных областях промышленности и строительстве.

Настоящее пособие содержит основные сведения о свойствах, областях рационального применения и способах производства изделий из наиболее распространенных неметаллических материалов.

Учебное пособие предназначено для студентов факультета «Технологии и предпринимательства», изучающих курс «Материаловедение».

1. Строение и свойства высокомолекулярных соединений

Все химические соединения в зависимости от массы молекул можно разделить на три большие группы:

1. низкомолекулярные – соединения с молекулярной массой до 500,

2. олигомеры - соединения с молекулярной массой от 500 до 5000,

3. высокомолекулярные соединения (полимеры) - соединения с молекулярной массой свыше 5000.

Полимеры, применяемые в промышленности, имеют значительные размеры молекул и состоят из очень большого числа повторяющихся групп атомов – звеньев, последовательно связанных друг с другом в виде цепи. Длинные полимерные цепи получают из низкомолекулярных соединений – мономеров в результате синтеза. Существует два основных способа синтеза – полимеризация и поликонденсация.

1. Полимеризация – это реакция последовательного присоединения мономеров к растущей полимерной цепи по схеме A_n + A  A_n+1 , где n – коэффициент полимеризации (число повторяющихся звеньев в молекуле). Например, при полимеризации этилена CH₂=CH₂ получается полиэтилен …- CH₂ - CH₂ - CH₂ - CH₂ - … или в компактном виде: -CH₂ - CH₂-_n .

2. Поликонденсация, в отличие от полимеризации, заключается в постепенном объединении участков цепи со свободными валентностями на концах по схеме A_n + A_m  A_n+m . Например реакция этерификации:

R – COOH + HO – R^  RCOOR^ + H₂O ,

Где R и R^ - два участка полимерной цепи. Для продолжения роста цепи после этой реакции, т.е. объединение c другими такими же соединениями, необходимо наличие на внешних концах участков R и R^ функциональных групп типа COOH и OH:

HOOC - R - COOH + HO - R^ - OH  HOOC - R - COO - R^ - OH + H₂O и т.д.

Следует отметить, что при реакции поликонденсации, как правило, выделяются простейшие низкомолекулярные вещества (H₂O, O₂, HCl и др.) К высокомолекулярным соединениям поликонденсационного типа относятся полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты и др.

Все полимеры условно можно разделить на три класса:

• природные полимеры (выделенные из природных продуктов);

• искусственные полимеры (полученные воздействием химических реагентов на природные полимеры);

• синтетические полимеры (полученные из мономеров).

По химическому составу полимеры бывают органические, неорганические и элементорганические. Органические полимеры содержат связи C–H и функциональные группы, включающие атомы азота, кислорода, галогенов (йод, хлор, бром, фтор). Неорганические полимеры не содержат связи C–H. Элементорганические полимеры содержат как органические, так и неорганические группы.

Кроме химического состава и порядка чередования элементарных звеньев макромолекул полимера необходимо знать и геометрическую форму молекулы. По этому признаку полимеры подразделяются на линейные, разветвленные и сшитые (сетчатые).

По степени упорядоченности расположения макромолекул между собой различают два типа полимеров:

• аморфные полимеры (с хаотическим расположением макромолекул);

• кристаллические полимеры (с упорядоченным расположением отдельных частей макромолекул).

Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Стеклообразное состояние характеризуется наиболее прочными силами связи между макромолекулами и вследствие этого наименьшей гибкостью макромолекул. В этом состоянии преобладают упругие деформации. При низкой температуре, когда реализация гибкости цепей невозможна, такие полимеры ведут себя подобно низкомолекулярным стеклам. Переходу в такое состояние соответствует температура хрупкости Т_хр. В определенном интервале температур (обычно 10 – 20 ^оС) стеклообразное состояние полимера сменяется высокоэластическим. Средняя температура при которой это происходит называется температурой стеклования Т_с. Температура стеклования зависит от химического состава полимера, молекулярной массы, структуры макромолекул и от межмолекулярного взаимодействия.

Высокоэластическое состояние характеризуется менее прочными связями между макромолекулами и большей их гибкостью. В высокоэластическом состоянии небольшие напряжения вызывают бурную смену форм молекул и их ориентацию в направлении действия силы. После снятия нагрузки макромолекулы под влиянием тепловых движений принимают наиболее энергетически выгодные формы, вследствие чего первоначальные размеры полимера восстанавливаются.

Вязкотекучее состояние характеризуется исчезновением сил связи между макромолекулами полимера, вследствие чего макромолекулы могут перемещаться друг относительно друга. Возникновение этого состояния происходит при нагреве полимера до температуры текучести Т_т. Полимеры в этом состоянии под нагрузкой претерпевают пластические (необратимые) деформации.

Смена одного физического состояния другим при нагревании и постоянной нагрузке у аморфных полимеров с линейной структурой макромолекул иллюстрируется термомеханической кривой, т.е. графиком зависимости предельной деформации  _max от температуры Т (рис. 1.1.).

 _max III

II

I

Т_хр Т_с Т_т Т

Рис. 1.1. Термомеханическая кривая аморфного полимера

I - стеклообразное состояние;

II - высокоэластическое состояние;

III - вязкотекучее состояние.

Температурные пределы каждого физического состояния зависят от строения полимера, в частности от его молекулярной массы. У соединений с низкой молекулярной массой стеклообразное состояние быстро сменяется вязкотекучим. Наличие высокоэластического состояния является характерным признаком высокомолекулярных веществ – полимеров, у которых широкая температурная область высокой эластичности и переход в вязкотекучее состояние смещается в сторону более высокой температуры. Переход аморфного полимера из одного состояния в другое обычно происходит плавно в достаточно широком интервале температур.

Кристаллические полимеры в отличии от кристаллических веществ имеют две фазы: кристаллическую (до 90%) и аморфную. К числу кристаллических полимеров относятся полиэтилен, полипропилен, полиамид и др. Кристаллические полимеры при нагреве до определенной температуры переходят их хрупкого состояния непосредственно в вязкотекучее. Причем этот переход обычно совершается в меньшем температурном интервале, чем переход в вязкотекучее состояние аморфных полимеров. Их физико-механические свойства меняются скачкообразно.

Основными характеристиками, определяющими свойства полимеров, являются температура стеклования – Т_с и текучести Т_т. Так формостабильность и жесткость конструкции из неметаллических материалов на основе полимеров при эксплуатации может быть обеспечена в стеклообразном состоянии. Высокие упругоэластические свойства обеспечиваются в высокоэластическом, а технологическая переработка в вязкотекучем состоянии.

Процесс перехода полимеров из одного физического состояния в другое при нагреве в соответствии с термомеханической кривой (Рис. 1.1.) характерен, главным образом, для линейных полимеров. Причем этот процесс обратим, т.е. при охлаждении происходят обратные изменения состояний. Такие полимеры называются термопластичными или термопластами. Термопластичные полимеры допускают вторичную переработку, так как многократное нагревание и охлаждение не изменяют их строения и поведения при изменении температуры. У них может наблюдаться лишь незначительное изменение физико-механических свойств. К термопластам относятся полиэтилен, полистирол, полипропилен и другие линейные полимеры.

Термореактивные полимеры имеют принципиальное отличие в поведении при нагревании. С повышением температуры они из хрупкого состояния переходят в вязкотекучее, а затем под действием температуры, давления или инициаторов переходят в твердое жесткое состояние. При этом возростает степень полимеризации, макромолекулы становятся сетчатыми. Этот процесс необратим, повторная переработка невозможна.