Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 icon

Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011



Смотрите также:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Физическое металловедение и физика твердого тела»


620.22(07)

Ш


Н.А. Шабурова


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


Часть II

Неметаллические материалы


Учебное пособие


Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

2011

УДК

Ш


Одобрено

учебно-методической комиссией

физико-металлургического факультета


Рецензенты:


Шабурова Н.А.

Ш Материаловедение: часть II: Неметаллические материалы: учебное пособие / Н.А. Шабурова. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – 82 с.


Учебное пособие по курсу «Материаловедение» предназначено для студентов машиностроительных и металлургических специальностей.

В пособии подробно описаны основные характеристики неметаллических материалов, с точки зрения возможности их использования в качестве конструкционных. Приведены контрольные вопросы по разделу «Неметаллические материалы» и варианты тестовых заданий


УДК 620.22(075.8)+669.017(075.8)


© Издательский центр ЮУрГУ, 2011


ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ 5

ПОЛИМЕРЫ 6

Классификация полимеров 7

1.2. Особенности свойств полимеров 11

1.3. Вопросы по теме «Полимеры»: 21

^ ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ 21

2.1. Общая характеристика пластических масс 21

2.2. Термопластичные пластмассы (термопласты) 23

2.3. Термореактивные пластмассы (термореактопласты) 25

2.4. Газонаполненные пластмассы 27

2.5. Вопросы по теме «Пластические массы»: 28

3. РЕЗИНЫ 28

3.1. Состав и классификация резин 29

3.2. Получение изделий из резины 31

3.3. Классификация резиновых материалов по назначению и области применения 31

3.4. Факторы, влияющие на свойства резин в процессе эксплуатации 33

3.5. Вопросы по теме «Резины»: 36

4. СТЕКЛА 36

4.1. Основные свойства стекла 37

4.2. Классификация стекол по назначению 38

4.3. Ситаллы 44

4.4. Вопросы по теме «Стекла»: 46

^ 5. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 47

5.1. Общие сведения, классификация керамических материалов 47

5.2. Вопросы по теме «Керамические материалы»: 55

6. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 55

6.1. Общие сведения о композиционных материалах 56

6.2. Матрица композиционных материалов 57

6.2.1. Металлическая матрица 58

6.2.2. Полимерная матрица 59

6.3. Наполнитель композиционных материалов 63

6.3.1. Зернистый наполнитель композиционных материалов 64

6.3.2. Волокнистый наполнитель композиционных материалов 69

6.4. Вопросы по теме «Композиционные материалы»: 76

^ 7. ВАРИАНТЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ 76

8. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 82

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 84



ВВЕДЕНИЕ



Неметаллические материалы – это органические, и неорганические полимерные материалы: различные виды пла­стических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные по­крытия, а также графит, стекло, керамика. В качестве конструкционных материалов они служат важным дополне­нием к металлам, в некоторых случаях с успехом заменяют их, а иногда сами являются незаменимыми. Достоинством неметаллических материалов являются такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химиче­ская стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Трудоемкость при изготов­лении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, они в 4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических ма­териалов в машиностроении автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

Двигатели внутреннего сго­рания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что не­возможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет дела­ют только из неметаллических материалов (графит, керамика). Труд­но представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компью­теры, спортивное снаряжение, автомобили и другую технику без неметаллических материалов – пластмассы, ламината, керамики, резины, стекла и др.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). Промышленное производство пер­вых пластмасс (фенопластов) – результат работ, проведенных Г. С. Петровым (1907–1914 гг.). С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие термостойких по­лимеров связано с именем К. А. Андрианова.

В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зарубежными учеными: К. Циглером (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.

Изложенные в пособии материалы описывают наиболее популярные неметаллические материалы, используемые в качестве конструкционных.


ПОЛИМЕРЫ



Полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров), представляющих собой одинаковую группу атомов и связанных между собой химическими связями.

Макромолекулы представляют со­бой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гиб­кость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой до­вольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

^

Классификация полимеров



Классифицируются полимеры по различным признакам: составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву и т.д.

^ По природе все полимеры можно разделить на две группы – природные и синтетические. Полимеры, встречающиеся в природе – органические вещества 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.). Синтетические полимеры 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 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; nпоказатель, характеризующий степень полимеризации.

^ По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами. В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присут­ствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изме­няют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницае­мость, атомы фтора, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

Элементоорганические соединения в природе не встречаются. Этот класс материалов полностью создан искусственно. Они содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Тi, А1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу, прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, бора, фосфора, кальция и др. 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 4000 °С, а алмаз является самым твердым веществом.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис. 1, а).

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы (рис. 1, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

Макромолекула лестничного полимера (рис. 1, в) состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую основную цепь и обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Пространственные полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Редкосетчатые (сетчатые) полимеры (см. рис. 1, д) теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры (см. рис. 1, г) отличаются твердостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры (рис. 1, е).







линейная

разветвленная

лестничная







густосетчатая

редкосетчатая

паркетная


Рис. 1. Формы макромолекул полимеров


В зависимости от взаимной ориентации макромолекул поли­меры могут находиться в аморфном или кристаллическом состоя­ниях. В аморфном состоянии полимер имеет упорядоченное строе­ние только в пределах участков, размеры которых соизмеримы с размерами звеньев цепи макромолекул, т.е. в аморфных полиме­рах соблюдается ближний порядок. В кристаллических полимерах соблюдается не только ближний, но и дальний порядок на рас­стояниях, во много раз превышающих размеры звеньев цепи мак­ромолекул полимера.

В структуре реальных полимеров практически всегда содержат­ся как аморфная, так и кристаллическая части. По преобладанию той или иной структуры полимеры делят на аморфные и кристал­лические.

Характерными элементами надмолекулярной структуры поли­меров являются глобула (рис. 2, а) для аморфных структур и пачка (рис. 2, б) для кристаллических. Глобула представляет со­бой свернутые в клубок цепи макромолекул полимера или их аг­регатов. Пачка состоит из параллельно расположенных цепей, причем суммарная длина пачки, как правило, превышает длину отдельных цепей макромолекул полимера.

Аморфное состояние для большинства полимеров термодина­мически более устойчиво, что определяется энергетически более выгодной формой надмолекулярного образования аморфного по­лимера: глобула обладает минимумом свободной энергии.

Выделяющаяся в процессе полимеризации кристаллизующего­ся полимера пачка макромолекул характеризуется анизометрией, поэтому энергетически выгодным является ее расположение па­раллельно поверхности кристаллизации. Взаимосогласованная ориентация макромолекул относительно поверхности кристалли­зующихся полимеров определяет все многообразие надмолекуляр­ных структур кристаллизующихся полимеров. Термодинамически наиболее устойчивой формой надмолекулярного образования яв­ляется сферолит (рис. 2, в), сформированный тангенциально расположенными пачками макромолекул. Сферолитные структу­ры типичны для большинства кристаллизующихся полимеров.








глобула

пачка

сферолит


Рис. 2. Элементы надмолекулярной структуры полимеров


На поверхностях раздела сферолитов условия контактного вза­имодействия макромолекул различны. Экспериментально установ­лено, что прочность торцового контакта макромолекул более чем на порядок превышает прочность бокового контакта. Это откры­вает возможность управления прочностью кристаллизующихся полимеров.

Примером практической реализации влияния надмолекуляр­ной структуры на прочность может служить ориентационное уп­рочнение полимеров. В процессе вытяжки полимеров при повы­шенных температурах макромолекулы ориентируются параллель­но направлению приложения нагрузки. Полученная структура по­лимера затем фиксируется путем снижения температуры под си­ловой нагрузкой. Физико-механические свойства полимера в на­правлении ориентации увеличиваются примерно в 5 раз, а в пер­пендикулярном направлении уменьшаются до 2 раз по сравнению с исходным значением. Анизотропия прочности объясняется из­менением соотношения торцового и бокового контактов макро­молекул полимера. Ориентационное упрочнение полимеров наи­более широко применяется при получении искусственных воло­кон и пленок.

По отношению к электрическому полю (по полярности) полимеры подразделяются на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в составе полимера диполей – разобщенных центров положительных и отрицательных зарядов.

^ В полярных полимерах (рис. 3, а) имеются полярные связи (группировки –Сl, –F,–ОН) и несимметрия в их структуре: Центр тяжести электронов сдвинут в сторону более электроотрицательного атома. Центр тяжести разноименных зарядов не совпадают.

Полярные полимеры имеют повышенную прочность, жесткость, но низкую морозостойкость (хрупкость уже при -10…-20°С). Их можно сваривать током высокой частоты. Полярности полимера можно оценить по величине диэлектрической проницаемости Е. У полярных полимеров Е ≥ 3,5.








полярный

неполярный


Рис. 3 Пример полярного и неполярного полимера


Неполярные (на основе углеводородов) – высококачественные диэлектрики, обладают хорошей морозостойкостью.

Дипольный момент связей атомов в неполярных полимерах взаимно компенсируется. В макромолекулах неполярных полимеров симметричное расположение групп (рис. 3, б). Центры тяжести разноименных зарядов совпадают.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Некоторые полимеры при нагревании плавно переходят через вязкопластическое в жидкотекучее состояние. При охлаждении отмечается также плавный переход в твердое состояние. Нагревание полимера до температур ниже температуры его термической деструкции не вызывает необратимого изменения свойств материала, что позволяет многократно повторять процесс термической обработки линейных полимеров. Такие структуры макромолекул образуют класс термопластичных полимеров.

Другие полимеры под действием теплоты, минуя жидкое состояние, необратимо переходят в твердое состояние и не могут использоваться повторно. Такое поведение полимеров при нагревании называют термореактивным, а сами полимеры относят к классу термореактивных полимеров.




страница1/12
Дата конвертации29.03.2013
Размер1,54 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы