НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ограничения в применении металлов

Металлические конструкционные материалы прочны и надежны в эксплуатации, технологичны и во многих случаях экономически эффективны. Но металлы обладают, тем не менее, рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение.

Во-первых, многие металлы и сплавы подвержены коррозии в агрессивных средах. Высокая тепло- и электропроводимость металлов тоже не всегда является достоинством, так как необходимы и теплоизолирующие, и электроизолирующие материалы. Металлические материалы не всегда обеспечивают необходимую твердость и износостойкость в условиях трения. Во многих случаях недостаточной оказывается жаропрочность и жаростойкость металлов. Наиболее прочные металлические материалы имеют большую плотность, т. е. не позволяют получить высокую удельную прочность, необходимую для авиа- и космической техники. Наконец, технологическая цепочка от добычи руды до готового металлического изделия очень длинна по времени, включает огромное число операций и является весьма трудоемкой.

Поэтому во многих случаях применяют неметаллические материалы. Их обычно подразделяют на полимеры (пластмассы), керамики и стекла, о чем говорилось на первой лекции.

Полимеры, или пластмассы

Пластмассы – искусственные твердые материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Имеют большую молекулярную массу (свыше 10 000).

Состав пластмасс

1) Связующее – обязательный компонент. Это синтетические смолы или эфиры. Простые пластмассы (органическое стекло, полиэтилен, полипропилен) состоят почти из одного связующего.

2) Наполнители. Их содержание может доходить до 70 %. Могут быть порошковыми (сажа, графит, тальк, древесная мука), волокнистыми (хлопковые, стеклянные, асбестовые волокна), листовыми (бумага, ткани, древесный шпон). Наполнители повышают механическую прочность, снижают стоимость пластмасс и придают им нужные эксплуатационные свойства.

3) Стабилизаторы. Они нужны, чтобы макромолекулы полимеров не изменяли свою пространственную структуру, и свойства пластмасс с течением времени не менялись.

4) Пластификаторы. Их добавляют в количестве до 20 %. Они улучшают формуемость пластмасс, снижают хрупкость. Это обычно олеиновая кислота, стеарин, дибутилметафталат.

5) Отвердители. Их добавляют в пластмассы на основе термореактивных смол в качестве катализаторов отверждения. Это органические перекиси.

6) Специальные добавки – красители, смазки, антистатики, добавки против горения, против плесени и др.

Свойства пластмасс

Достоинствами пластмасс по сравнению с другими конструкционными материалами являются:

· малая плотность;

· высокая удельная прочность σ _в/γ ;

· химическая стойкость;

· электроизоляционные свойства;

· теплоизоляционные свойства;

· меньшая трудоемкость переработки пластмасс по сравнению с переработкой металлов: изделие и материал создаются одновременно;

· меньшее количество отходов, чем при переработке металлов (коэффициент полезного использования материала не менее 0, 9);

· как правило, не нужны отделочные операции.

При замене металлических деталей пластмассовыми масса снижается в 4–5 раз, трудоемкость уменьшается тоже в 4–5 раз, число операций уменьшается в 5–6 раз. Себестоимость снижается в 2–3 раза.

Основные недостатки пластмасс:

· ограниченная теплостойкость: максимальная температура эксплуатации термопластов – 250 °С (фторопласт-4), а термореактивных пластмасс – около 400 °С (стеклотекстолит);

· малая жесткость и вязкость;

· склонность к старению, т. е. к изменению свойств с течением времени.

Структура полимеров

Структурной единицей в полимерах является макромолекула, состоящая из огромного числа одинаковых групп атомов – звеньев. Каждое звено – это измененная молекула исходного низкомолекулярного вещества – мономера. В полимере молекулы мономера объединяются друг с другом и образуют длинные цепочки, в которых атомы соединены ковалентными связями.

К примеру, полимер полиэтилен (–CH₂–CH₂–)_n, макромолекулы которого состоят из звеньев CH₂, получают полимеризацией n-го числа молекул мономера – газа этилена CH₂=CH₂. Число n составляет тысячи.

На схематичных изображениях макромолекул ковалентная связь показывается черточкой: «–» (рис. 104).

Рис. 104. Схематичные изображения макромолекул

полиэтилена и поливинилхлорида

Свойства полимеров определяются не только химическим составом, но и строением и взаимным расположением молекул.

Линейные макромолекулы – это цепочки с отношением длины к поперечному размеру свыше 1000 (рис. 105, а). Они могут образовывать зигзаги, спирали или перепутываться. Между макромолекулами действует слабая межмолекулярная связь, обусловленная силами Ван-дер-Ваальса. Такую форму имеют молекулы термопластов.

У полимеров с разветвленным строением силы притяжения между макромолекулами слабее, полимеры менее прочны (рис. 105, б). Они более плавкие, рыхлые.

В полимерах с лестничным строением имеются ковалентные связи между молекулами (рис. 105, в). Они прочные, неплавкие, нерастворимые (могут только размягчаться и набухать).

В полимерах с сетчатым строением все линейные участки связаны поперечными ковалентными связями. Все изделие представляет собой гигантскую пространственную молекулу (рис. 105, г). Такие полимеры хрупкие, стойкие к нагреву и растворителям (не размягчаются, не набухают). Это – термореактивные полимеры.

Строение линейной макромолекулы схематично показано на рис. 106.

Рис. 106. Схематичное

изображение линейной

макромолекулы

Энергия ковалентной связи между атомами в главной цепи велика: E_связи = 350 КДж/моль. А энергия межмолекулярной связи примерно в 30 раз меньше. Поэтому макромолекулы сравнительно легко могут быть сдвинуты друг относительно друга. Кроме того, макромолекула – гибкая структурная единица: сегменты могут вращаться друг относительно друга, сохраняя валентный угол α (рис. 107). В этом причина нестабильности свойств полимеров: огромные гибкие макромолекулы не могут сохранять раз навсегда заданное пространственное положение.

В полимерах могут возникать надмолекулярные структуры, т. е. участки упорядоченного расположения макромолекул. Надмолекулярная структура появляется под влиянием сил притяжения между молекулами и теплового движения самих молекул. Это уменьшает суммарную внутреннюю энергию системы.

Один вариант упорядоченной укладки – образование пачечных структур. Пачки представляют собой последовательное расположение макромолекул друг за другом (рис. 108). Пачки перемещаются как единое целое, но при нагреве и напряжениях нестабильны.

Более сложные и устойчивые упорядоченные участки называются кристаллами. Вначале макромолекулы «складываются» в ленты за счет многократного поворота сегментов на 180°. Ленты соединяются в пластины, которые наслаиваются и образуют кристаллы. В объеме полимера происходит чередование аморфных и кристаллических областей (рис. 109). Стопроцентной кристаллизации полимер никогда не достигает. Кристаллические полимеры прочнее при нагрузке и нагреве.

а б в

Рис. 109. Разные формы кристаллов:

а – образование кристалла из пластин; б – сферолит; в – фибриллы

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 161718 19 20 Следующая ⇒