Вопросы для самопроверки

1. Опишите способы получения полимеров и дайте их классификацию.

2. Опишите особенности строения линейных, разветвленных и сетчатых полимеров.

3. Дайте определение олигомеров.

4. Дайте определение термопластичных полимеров. Приведите примеры.

5. Дайте определение термореактивных полимеров. Приведите примеры.

6. Опишите фазовые состояния полимеров. Дайте определение «надмолекулярная структура полимеров».

7. Приведите основные типы надмолекулярных структур, характерных для аморфных и кристаллических полимеров.

8. Опишите физические состояния и термомеханические кривые

аморфных полимеров.

9. Опишите физические состояния и термомеханические кривые кристаллических полимеров.

10. Охарактеризуйте термомеханические кривые сетчатых полимеров.

11. Опишите способы управления структурой и свойствами полимерных материалов.

Глава 6. Основные свойства неметаллических материалов

6.1. Механические свойства

Механические (упругопрочностные) свойства полимерных материалов определяются их молекулярным строением. Механические свойства полимеров, связанные с наличием длинных макромолекул, проявляют следующие особенности:

– развивают под действием внешних механических нагрузок большие обратимые (высокоэластические) деформации;

– имеют релаксационный характер реакции тела на механическое воздействие, т.е. зависимость деформаций и напряжений от длительности (частоты) воздействия. Эта зависимость обусловлена отставанием деформации от напряжения;

– изменяют механические свойства в зависимости от условий получения, молекулярной массы, температуры, времени воздействия нагрузки, способа переработки и других факторов.

Одним из важнейших показателей механического поведения полимерных материалов является кривая напряжение-деформация, которую следует рассматривать с учетом зависимости прочности от температуры и времени действия нагрузок.

Типичные диаграммы упругопрочностных свойств полимерных материалов приведены на рис. 6. 1.

Рис. 6. 1. Кривые растяжений полимеров: 1 – хрупкие; 2 – вынужденно эластические; 3 – высокоэластические

Прямая 1 характеризует практически линейную зависимость, присущую отвержденным сшитым полимерам с густосетчатой структурой, аморфным и кристаллическим полимерам ниже температуры хрупкости, неорганическим стеклам, керамике и т.п. Материал ведет себя как хрупкое твердое тело, разрушаясь при небольших относительных деформациях.

Кривая 2 характеризует вынужденно эластическую деформацию линейных аморфных полимеров или «холодное течение» кристаллических полимеров.

Кривая 3 указывает на значительные деформации при любых самых малых напряжениях, которые присущи каучукам, резиновым материалам. Такие деформации на 3 - 4 порядка больше упругих и связаны с распрямлением, скрученных в спирали клубков длинных макромолекул, и называются высокоэластическими.

Характер разрушения неорганических, в том числе керамических, материалов хрупкий и в зависимости от их фазового состава различен. Разрушение при сжатии, изгибе или растяжении происходит либо по стекловидной фазе, либо по кристаллической. В некоторых случаях в материалах чисто кристаллической структуры разрушение наблюдается по границам зерен без нарушения их целости. В керамике кристаллического строения прочность связана с энергией кристаллической решетки данного вещества. В большинстве керамических материалов наиболее прочная связь – ионная. Однако для некоторых бескислородных материалов характерна ковалентная связь. В реальных керамических материалах имеется большое количество дефектов как на микро-, так и на макроуровне, приводящих к возникновению концентрации напряжений.

Кристаллическая фаза керамики практически всегда имеет дефектную структуру, обусловленную образованием микротрещин, дислокаций, внедрением в кристаллическую решетку примесных ионов, наличием вакансий.

Наибольшей прочностью, как правило, обладает окисная керамика. Например, предел прочности при статическом изгибе некоторых видов корундовой керамики достигает 500 – 600 МПа, в то время как для лучших видов высокоглиноземистой муллитокорундовой керамики этот показатель составляет 200 МПа, а для керамики с большим количеством стекловидной фазы, например фарфора, не превышает 100 МПа.

Модуль упругости оксидной конструкционной керамики лежит в пределах (1 – 4)^.10⁵ МПа.

Прочностные свойства керамики с повышением температуры, как правило, снижаются. Только в исключительных случаях наблюдается небольшое упрочнение, предшествующее дальнейшему снижению прочности. Снижение прочности керамики происходит плавно и обусловлено главным образом ослаблением структурных связей при повышении температуры.

Способность керамики выдерживать постоянные нагрузки при высокой температуре оценивают при определении температуры начала деформации 4-, 10 – и 20-процентного сжатия с нагрузкой 0,2 МПа или при измерении ползучести под действием постоянной сжимающей или изгибающей нагрузки при постоянной температуре в течение длительного времени.

С повышением пористости все прочностные характеристики керамики снижаются вследствие концентрации напряжений вокруг пор и уменьшения контактной поверхности соприкосновения отдельных зерен. Керамика мелкозернистого строения, как правило, обладает большей прочностью, чем крупнозернистого, при одном и том же фазовом и химическом составе.

Стекла в области низких температур и высокой вязкости представляют собой идеально хрупкие материалы, для которых полностью отсутствует пластическая деформация в зоне разрушения.

В интервале стеклования стекло в отличие от хрупких материалов обладает пластической деформацией, а при температурах выше Т_f стекло находится в вязкотекучем состоянии.

При обычных условиях поверхность любой детали из стекла повреждена невидимыми трещинами, которые являются очагами хрупкого разрушения. Поэтому, несмотря на то, что теоретическая прочность порядка 20 ГПа, при сжатии прочность не превышает 2,5 ГПа, при растяжении – 0,02 – 0,1 ГПа, при изгибе – 0,03 – 0,12 ГПа. Изделия из стекла способны выдерживать гораздо более высокие напряжения при сжатии, чем при растяжении.

Для силикатных стекол модули упругости и сдвига лежат соответственно в пределах 48 – 83 и 22 – 32 ГПа.

Зависимость модуля упругости от состава является сложной. При увеличении в составе стекла окислов щелочных металлов уменьшается его модуль упругости, поскольку прочность связей Ме-О значительно ниже прочности связей Si - О. Окислы щелочноземельных элементов Al₂O₃, PbО, наоборот, повышают модуль упругости. Наиболее высокие значения модуля упругости характерны для малощелочных алюмосиликатных стекол с высоким содержанием BeО, MgО, CaО.

Механизм разрушения стекол включает две последовательные стадии: рост наиболее опасной трещины; возникновение и одновременный рост большого числа вторичных трещин.

Ситаллы, как и стекла, выгодно отличаются от большинства видов керамики отсутствием пористости и вследствие этого более высокой механической прочностью. Кристаллические зерна ситаллов обладают повышенной прочностью и жесткостью по сравнению с хрупкой стекловидной аморфной фазой.

Повышенные значения модуля упругости (до 90 – 130 ГПа) и низкие значения коэффициента трения (0,1 – 0,2) обусловливают высокую износостойкость изделий из ситаллов.