Новые неметаллические материалы

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: пластмассы, композиты на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные материалы, графит, неорганическое стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, химическая стойкость, оптическая прозрачность, высокие диэлектрические свойства, делают эти материалы незаменимыми.

Полимеры

Полимеры – вещества с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев ( мономеров ) одинаковой структуры.

Их молекулярная масса составляет от 5 до 1000 кг/моль. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом, но и строением и взаимным расположением макромолекул.

Так как длина макромолекулы значительно больше ее поперечного сечения, то макромолекулам свойственна гибкость. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической связью ( 330…370 кДж/моль против 5…40 кДж/моль для сил межмолекулярного взаимодействия ).

Полимеры встречаются в природе: натуральный каучук, слюда, целлюлоза, асбест и др. ( естественные полимеры ). Но ведущей группой являются синтетические полимеры ( искусственные ).

Классификация полимеров

1. По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры. Образованы с участием органических радикалов ( CH3, C6H5, CH2 ). Это смолы и каучуки.

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы ( Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель – кремнийорганические соединения.

Неорганические полимеры. Их основу составляют оксиды Si, Al, Mg, Ca и др. Углеводородный скелет отсутствует. К ним относятся керамика, слюда, асбест.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания отдельных групп полимеров. Это композиционные материалы ( например, стеклопластики ).

2. По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные, ленточные, пространственные, плоские.

3. По фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.

Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачки могут перемещаться относительно других элементов.

Кристаллические полимеры образуются тогда, когда их макромолекулы достаточно гибкие и образуют структуру.

4. По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.

5. По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры ( полиэтилен, полипропилен, полистирол ) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, а затем, по причине протекания химических реакций, затвердевают ( образуя пространственную структуру ) и в дальнейшем остаются твердыми.

Особенности свойств полимерных материалов.

Органические полимеры могут находится в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Они не способны переходить в газообразное состояние, образовывать жидкости, а термостабильные полимеры даже не размягчаются.

Различные физические состояния полимера обнаруживаются по характеру изменения его деформации с температурой. Графическая зависимость деформации, развивающейся за определенное время при заданном напряжении, от температуры называется термомеханической кривой.

Схема термомеханической кривой для линейного полимера дается рисунком:

Температурные переходы Тст и Тт – основные характеристики полимеров.

Стеклообразное состояние ( 0…Тст ), твердое, аморфное или кристаллическое; перемещения макромолекул не происходит.

Высокоэластичное состояние ( Тст…Тт ) присуще только высокополимерам и сопровождается способностью полимера к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках: макромолекулы могут изгибаться.

Вязкотекучее состояние ( Тт…Тх ) напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью: макромолекула подвижна.

Пластические массы.

Пластмассами ( пластиками ) называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ.

Эти материалы способны при нагреве размягчатся, что открывает возможность придания им под давлением заданной формы.

Обязательным компонентом пластмасс является связующее вещество. В этом качестве главным образом используются синтетические смолы.

Другой важный компонент пластмасс – наполнитель ( порошки, волокна и др. ).

После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывают в монолитную массу.

Классификация пластмасс.

1. По природе связующего вещества пластмассы подразделяются на термопласты, получаемые на основе термопластичных полимеров ( полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт ), и реактопласты, получаемые на основе термореактивных смол ( фенолфталииновая, кремнийорганическая, эпоксидная смолы и пр. ).

2. По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые ( карболиты ) с наполнителями в виде древесной муки, графита и др.; волокнистые с наполнителями в виде очесов хлопка, льна ( волокниты ), стеклянных волокон ( стекловлокниты ), асбеста ( асбоволокниты ); слоистые ( листовые наполнители, например листы бумаги в гетинаксе, ткани в текстолите и др. ); газонаполненные ( наполнитель – воздух или нейтральные газы – пенопласты и поропласты ).

3. По применению пластмассы делят на силовые ( конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные ) и несиловые ( оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные ).

Особенности свойств пластмасс.

Особенностями пластмасс является: малая плотность ( 1*10³…2*10³ ), низкая теплопроводность ( 0,1…0,3 Вт/м*К ), значительное тепловое расширение ( в 10 – 30 раз больше, чем у стали; ( 15…100)*10^-6 К^-1 ), хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность силовых пластмасс сопоставима с прочностью стали и выше.

Недостатками пластмасс являются: невысокая теплостойкость ( жаропрочность ), низкие Е и ударная вязкость и, в ряде случаев, склонность к старению.

Экономическая эффективность использования пластмасс.

Пластмассы снижают материалоемкость в связи с малой массой, что существенно, так как затраты на материал составляют 40 – 75% всех затрат на изготовление машин.

Детали из пластмасс по этой причине в 4 – 9 раз дешевле аналогичных из цветных металлов и в 2 – 6 раз – из черных металлов.

Примеры применения: в конструкциях самолетов, вертолетов и ракет от 20 до 50% их массы приходится на пластмассы и другие неметаллические материалы.

В черной металлургии 1т листа из полиэтилена позволяет экономить 16…20т легированной стали.

Сайт создан в системе uCoz