Классификация. ?металлические материалы находят все возрастающее приме­нение в разных отраслях техники благодаря ряду свойств

Неметаллические материалы находят все возрастающее приме­нение в разных отраслях техники благодаря ряду свойств, кото­рые делают такие материалы незаменимыми. В числе этих свойств химическая стойкость во многих агрессивных средах, достаточная прочность и жесткость при меньшей стоимости по сравнению с металлическими материалами, эластичность при низкой плотно­сти и др.

По происхождению неметаллические материалы подразделяют на природные, искусственные и синтетические.

Полимеры — химические соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся структурных единиц, представляющих собой одинаковую группу атомов и связанных между собой химическими связями.

Природные полимеры представлены достаточно широко орга­ническими веществами растительного (хлопок, шелк, натураль­ный каучук и др.) и животного (кожа, шерсть и др.) происхожде­ния, а также минеральными веществами (слюда, асбест, есте­ственный графит, природный алмаз и др.), составляющими груп­пу неорганических природных материалов и являющихся природ­ными полимерами неорганического происхождения, называемых неорганическими полимерами. Потребительские свойства природ­ных полимеров издавна имеют техническое применение.

Однако в современной технике наиболее широко применяют­ся синтетические полимеры, которые получают из простых ве­ществ путем химического синтеза. Основным преимуществом син­тетических полимеров перед природными являются неограничен­ные запасы исходного сырья и широкие возможности синтеза полимеров с заранее заданными свойствами.

Исходным сырьем для получения синтетических полимеров являются продукты химической переработки нефти, природного газа и каменного угля.

Получаемые при этом низкомолекулярные вещества называют мономерами. Их перерабатывают в полимеры в процессе дальней­шей химической обработки.

По способу получения (полимеризация или поликонденсация) полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризация — процесс химического соединения большого числа молекул мономера в одну большую молекулу полимера без изменения элементарного состава мономера. В процессе полиме­ризации не происходит выделения побочных продуктов реакции. По элементному составу полимер и мономер идентичны.

Поликонденсация — процесс образования полимера из молекул разных мономеров в результате химических реакций с выделени­ем побочных продуктов реакции. Элементный состав полимера отличается от состава участвовавших в реакции поликонденсации мономеров.

Схематически формулу полимера записывают в виде [М]n, где М — химическое строение мономера; n — показатель, характери­зующий степень полимеризации. Относительная молекулярная масса [М]_м полимеров, равная произведению относительной молеку­лярной массы мономера М_м на степень полимеризации п, дости­гает 5 • 10³... 1 • 10⁶. Поэтому молекулу полимера называют макро­молекулой.

По химическому составу структурных единиц в макромолекуле полимеры делят на органические, неорганические и элементоор- ганические.

1.1 Органические полимеры являются производными простейших углеводородов, т.е. обязательными компонентами органических полимеров являются углерод и водород. Углерод образует основ­ное молекулярное звено полимера, которое имеет линейное стро­ение

и в котором ненасыщенные связи атомов углерода соединяются с атомами водорода и химически активными группами R атомов, которые получили название органические радикалы. Кроме углерода в состав основного молекулярного звена могут входить также ато­мы серы, азота или кислорода, например Наличие этих атомов существенно изменяет свойства полимеров.

1.2 Неорганические полимеры имеют основное молекулярное зве­но, состоящее из атомов бора, кремния, фосфора, алюминия и многих других элементов. Основное молекулярное звено может быть построено из атомов как только одного элемента, так и двух и более разных элементов. Органические радикалы в составе неорга­нических полимеров отсутствуют.

К неорганическим относятся и полимеры, основное молеку­лярное звено которых, как и в случае органических полимеров, состоит из атомов углерода, как, например, графит и алмаз, при­чем графит содержит и незначительное количество атомов водо­рода. Однако в отличие от органических полимеров, образующих основное молекулярное звено преимущественно в виде линейных цепей, графит и алмаз образуют пространственные структуры. Это придает им свойства, резко отличающиеся от свойств органичес­ких полимеров. Графит является единственным веществом, оста­ющимся в твердом состоянии при температуре свыше 4 000°С, а алмаз является самым твердым веществом.

1.3 Элементоорганические полимеры в отличие от органических и неорганических полимеров, представленных природными соеди­нениями, в природе отсутствуют. Этот класс материалов полно­стью создан искусственно.

Основное молекулярное звено элементоорганических полиме­ров состоит из атомов титана, алюминия или кремния, напри­мер и к основному звену присоединены бо­ковые органические радикалы.

Наряду с определяющим влиянием химического строения мо­номера свойства полимера зависят также от степени полимериза­ции мономера, формы макромолекулы, надмолекулярной струк­туры.

Влияние степени полимеризации п наиболее отчетливо прояв­ляется на физико-механических свойствах полимеров, в частно­сти на их прочности а (рисунок 1). До определенной степени поли­меризации, которая для разных классов полимеров находится в пределах 40...80, полимер не обладает измеримой механической прочностью. При большей степени полимеризации полимер при­обретает прочность, и величина о растет пропорционально сте­пени полимеризации. Наибольшее влияние на о степень полиме­ризации оказывает до значений около 250, далее оно ослабевает и по достижении степени полимеризации более 500, т.е. при даль­нейшем увеличении относительной молекулярной массы макро­молекулы, прочность полимера изменяется незначительно.Характерной особенностью полимеров является наличие в их составе молекул с разной степенью полимеризации, т.е. разных размеров. Это свойство полимеров называют полидисперсностью.

Рисунок 1 - Влияние степени полимеризации n на прочность полимеров:

заштрихованная область — диапазон прочности σ полимеров

 

Поведение полимера в качестве конструкционного материала определяется его деформируемостью (податливостью). Для харак­теристики деформируемости полимеров используют термомеха­нические кривые (рисунок 2), которые получают для нагруженного образца полимера в процессе его нагревания с заданными скоро­стью нагревания и величиной нагрузки.

При низких температурах все полимеры деформируются упру­го (см. рисунок 2, область I стеклообразного состояния). Выше темпе­ратуры стеклования t_c деформационное поведение полимеров иное, чем, например, у нагруженных металлов при их нагревании. Вид термомеханической кривой полимера зависит от его фазового и структурного состояния.

Аморфный полимер с линейной структурой (кривая 1) при температуре выше t_c переходит в высокоэластичное состояние (об­ласть II), и его деформация в стеклообразном и высокоэластичном состояниях обратима. Нагрев выше температуры текучести t_T переводит данный полимер в вязкотекучее состояние (область III). Деформация полимера в вязкотекучем состоянии необратима.

Рисунок 2 - Термомеханические кривые полимеров:

1- аморфных с линейной структурой; 2— аморфных с пространственной струк­турой; 3 — кристаллических; I — область стеклообразного состояния полимера; II—область высокоэластичного состояние полимера; III — область вязкотекучего состояния полимера; t_c — температура стеклования; t_k -температура крис­таллизации; t_T — температура текучести; t_p -температура разложения; t-темпе­ратура; ∆l-деформация

 

Аморфный полимер с пространственной структурой 2 (напри­мер, макросетчатой) в процессе нагревания не претерпевает вяз- котекучего состояния. Для него температурная область высокоэла­стичного состояния полимера расширяется вплоть до температу­ры термического разложения полимера t_p. Такое поведение харак­терно для материалов типа резин.

Кристаллический полимер 3 вплоть до температур кристалли­зации t_k деформируется практически упруго (при температуре на­гревания выше t_c переход аморфной составляющей кристалличес­кого полимера в высокоэластичное состояние уменьшает его же­сткость, виден перелом на кривой 3). При t_K кристаллическая часть полимера 3 плавится и он переходит в высокоэластичное состоя­ние. При нагревании выше t_T кристаллический полимер 3 так же, как и полимер 1, находится в вязкотекучем состоянии.

Другой особенностью механического поведения полимеров, отличающей их от металлов, является их пластическая деформа­ция ∆l (рисунок 3, кривая 1) под воздействием больших напряже­ний, вызванных постоянной механической нагрузкой Р. Напря­жение, при котором полимер в упругой области деформации пе­рестает воспринимать возрастающую нагрузку, называют преде­лом вынужденной эластичности и обозначают σ_вэ. Величина его для конкретного полимера зависит от температуры и скорости приложения нагрузки Р.

Металлы аналогично претерпевают изменение размеров под воздействием постоянной механической нагрузки Р (рисунок 3, кри­вая 2). Напряжение, при котором происходит пластическая де­формация металла, обозначают σ_т и называют пределом текучести. Однако металл выдерживает дальнейшее повышение нагрузки, деформируясь пропорционально приложенной нагрузке вплоть до предела прочности металла. Полимер же более высокую нагрузку не воспринимает, а только эластично удлиняется со скоростью деформации, пропорциональной увеличению нагрузки.

Рисунок 3 - Диаграммы деформации полимера (1) и металла (2): Р-нагрузка; ∆l - деформация (удлинение)

 

С течением времени в процессе эксплуатации или при хране­нии происходит необратимое изменение строения полимеров, что приводит к ухудшению их потребительских свойств: снижается прочность и эластичность, повышается хрупкость. Изменение стро­ения и свойств полимеров во времени называют старением. Отме­тим, что старение полимеров не повышает их прочностные ха­рактеристики, тогда как для металлов старение является одной из технологических операций упрочнения.

Отмеченные особенности физико-механического поведения полимеров следует учитывать при использовании их в качестве конструкционного материала.

Для улучшения конструкционных свойств в их состав вводят специальные добавки. Большинство синтетических полимеров в технике в чистом виде не применяются, а являются основой для производства пластмасс. Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны фор­моваться и сохранять после охлаждения или отверждения задан­ную форму.

Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное. Кроме специальных добавок в полимерную основу пластмасс вво­дят до 70 % зернистого или волокнистого наполнителя, т. е. пласт­массы следует рассматривать как композиционные материалы (для краткости — композиты).