Глава 9 неметаллические материалы

9.1. Общее понятие о неметаллических материалах

Неметаллические материалы широко применяют в машиностроении, автомобилестроении, судостроении, авиации, строительстве и народ­ном хозяйстве. Это обусловлено их высокими физико-механически­ми свойствами: удельной прочностью, эластичностью, химической и коррозионной стойкостью, теплостойкостью, изоляционными свой­ствами, которые сочетаются с высокой технологичностью при пере­работке.

Основу неметаллических материалов составляют синтетические полимерные материалы, пластические массы (пластмассы), компо­зиционные материалы с полимерной матрицей, получаемые перера­боткой синтетических и природных полимеров с добавками напол­нителей.

К неметаллическим материалам относят усы, волокна (керамиче­ские, углеродные, борные), каучук, резину, целлюлозу, клеи, лакокра­сочные материалы, древесину, графит, стекло, техническую керамику и различного рода композиционные материалы на неметаллической основе.

9.2. Полимеры

Полимеры представляют собой высокомолекулярные вещества, макро­молекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев, или мономеров, одинаковой структуры. Макромолекулы образуют цепи, состоящие из отдельных звеньев и простирающиеся в длину на расстояния, в тысячи раз большие их поперечных размеров. Проч­ность, тепло-, термо- и морозостойкость полимеров определяют тем­пературные границы эксплуатации. Верхнюю границу характеризует потеря теплостойкости либо термостойкости, а нижнюю -хрупкость или морозостойкость. Полимерные материалы надежно эксплуати­руются (без размягчения и хрупкого разрушения) в интервале между температурой стеклования и температурой хрупкости.

При получении композиционных материалов полимеры исполь­зуются либо в чистом виде (в форме порошков, гранул, листов, пле­нок), либо в виде связующих. Полимерное связующее представляет собой двух- или многокомпонентную систему, состоящую из синте­тической смолы (полимерной либо олигомерной составляющей) и от-вердителей или инициаторов, катализаторов и ускорителей отверде­ния. Часто полимерные связующие содержат также пассивные или активные растворители (разбавители), пигменты и красители, пла­стификаторы, стабилизаторы и другие компоненты (смазки, антипи-рены, антистатики, антимикробные агенты), вводимые с целью при­дания связующим и композиции необходимых технологических и эксплуатационных свойств.

От полимерной матрицы зависят тепло- и влагостойкость, стой­кость к действию агрессивных сред, прочностные, диэлектрические и другие свойства полимерного композиционного материала (ПКМ). Поэтому полимерную матрицу для ПКМ выбирают исходя из условий эксплуатации изделия. Типом полимерной матрицы определяются также методы переработки ПКМ в изделия.

9.2.1. Строение и классификация полимеров

По происхождению полимеры могут быть природными и синтетиче­скими. Природными полимерами являются целлюлоза, крахмал, нату­ральный каучук, слюда. К синтетическим полимерам относятся син­тезированные высокомолекулярные вещества, синтетические смолы, волокна" каучуки и т. д.

По характеру строения макромолекул полимерных цепей различа­ют полимеры линейного, разветвленного и сетчатого (пространст­венного) строения. Макромолекулы линейных полимеров представля­ют собой длинные или закрученные в спираль цепочки (рис. 9.1, а). Макромолекулы разветвленных полимеров имеют основную молеку­лярную цепь и побочные ответвления - боковые цепи (рис. 9.1, б). Макромолекулы линейных и разветвленных полимеров имеют слабые межмолекулярные связи, что обеспечивает полимеру эластичность и делает его способным размягчаться и плавиться при нагревании, а при охлаждении вновь затвердевать. Такие полимеры называют термо­пластичными. К ним относятся полиэтилен, полиамид, поливинил-хлорид и т. д.

У сетчатых полимеров помимо межмолекулярных имеются и хими­ческие связи между линейными цепями макромолекул (рис. 9.1, в). Наличие химических связей обусловливает потерю способности рас­творяться и плавиться при дальнейших нагревах выше характерных для данного полимера температур. Их относят к группе термореак­тивных полимеров. В процессе отвердения термореактивных полиме­ров происходит необратимый переход от линейной к сетчатой (про­странственной) структуре. К ним относятся фенолформальдегидная смола, эпоксидная смола, политетрафторэтилен и др.

Рис. 9.1. Схемы строения макромолекул полимеров: а - линейных; б - разветвленных; в - сетчатых

В зависимости от строения макромолекул различают собственно полимеры и сополимеры., У полимеров макромолекулы образованы из одинаковых по химическому строению мономеров, а у сополиме­ров - из разнородных.

Если главная цепь соединения образована только атомами угле­рода, то такой полимер называется карбоцепным. Примером карбо-цепного полимера является натуральный каучук. В макромолекулах гетероцепных полимеров в состав главной цепи кроме углерода, входят атомы других элементов, которые существенно Изменяют свойства полимера. Например, атомы кислорода повышают гибкость цепи, фосфора и хлора - огнестойкость, серы - газонепроницаемость, атомы фтора придают полимеру высокую химическую стойкость. К гетероцепным полимерам относятся природные (кроме натураль­ного каучука) и многие синтетические полимеры.

По составу полимеры делят на органические, элементоорганиче-ские и неорганические. Большинство полимеров, в том числе смолы И каучуки, относятся к органическим соединениям. В состав главной цепи элементоорганического полимера входят неорганические атомы кремния, титана, алюминия и органические радикалы СН3, C6HS, СН2. Радикалы придают полимеру прочность и пластичность, а неор­ганические атомы - повышенную теплостойкость. К элементноорга-ническим полимерам относятся кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, асбест, ке­рамика, слюда. В состав неорганических материалов входят оксиды кремния, алюминия, магния и других элементов. Неорганические по­лимеры отличаются более высокой плотностью, повышенной тепло­стойкостью и хрупкостью.

По фазовому состоянию полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические. В аморфных полимерах макромолекулы образуют структуры в виде пачек либо глобул, которые построены из свернутых в клубки цепей, К ним относятся эпоксидные смолы ЭД1-0, ЭД-14, полиамиды, полистирол и т. д. Аморфная структура термически не­стабильна и обладает малой живучестью. Кристаллическую структуру могут образовывать полимеры со строго регулярным строением ли­нейных цепей. Кристаллическим полимерам присущи более высокие температуры плавления, повышенные механические и химические свойства.

Обычно полимеры находятся в двухфазном состоянии: аморфном и кристаллическом одновременно. Содержание в полимере кристал­лического вещества, выраженное в процентах, называется степенью его кристалличности.

Полярность полимеров определяется наличием диполей. В соот­ветствии с этим признаком полимеры подразделяются на полярные и неполярные. Полярные полимеры имеют повышенную жесткость и теплостойкость, но низкую морозостойкость. Неполярные полимеры относятся к высокочастотным диэлектрикам.