Поведение полимеров при нагреве

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 20Следующая ⇒

Чтобы показать зависимость величины деформации ε от температуры, строят термомеханические кривые (при постоянном напряжении и скорости нагрева).

Рис. 110. Термомеханические кривые:

а – аморфный термопласт; б – кристаллический термопласт; в – термореактивный полимер

На рис. 110, а показано поведение при нагреве аморфного термопластичного полимера. При низких температурах полимер находится в стеклообразном состоянии (область I) и ведет себя как упругое твердое тело. Затем нагрев переводит его в высокоэластичное состояние (область II). Деформация полимера может достигать здесь сотен процентов (800 % у резин), но она обратима. При дальнейшем нагреве наступает вязко-текучее состояние; полимер ведет себя как вязкая жидкость (область III). Деформация необратима. Это область переработки пластмасс в изделия. Выше температуры термического разложения полимера t_разр разрываются ковалентные связи в макромолекулах, выделяются низкомолекулярные соединения, и полимер разрушается. Однако при охлаждении у термопластов происходит полимеризация, структура и свойства полимера восстанавливаются.

Рис. 110, б показывает поведение термопластичного полимера, способного кристаллизоваться. Ниже температуры кристаллизации t_кр полимер имеет упорядоченную структуру, выше – переходит в аморфное состояние. Так как на разрушение кристаллической структуры необходимо затратить энергию, кристаллический полимер становится высокоэластичным при более высокой температуре, чем аморфный.

На рис. 110, в показано поведение при нагреве термореактивного полимера. Он способен только на небольшую деформацию в упругой области, а затем, при нагреве выше t_разр, необратимо разрушается. При охлаждении полимеризации не происходит, свойства не восстанавливаются.

Область рабочих температур полимера – ниже температуры стеклования t_ст, хотя кратковременно он может работать и немного выше этой температуры. Но надо учитывать, что ниже температуры хрупкости t_хр полимер хрупко разрушается (для начала деформации здесь нужно напряжение, превышающее предел прочности). Таким образом, полимер надежно работает под нагрузкой в интервале температур от t_хр до t_ст. Чем этот интервал шире, тем лучше.

Надо представлять, что температуры переходов полимера из одного состояния в другое (t_ст и t_тек – температура текучести) не являются константами. Они зависят от условий нагружения. Чем больше скорость деформирования, тем выше эти температуры. В этом отличие от фазовых переходов в сплавах.

Поведение полимеров при нагружении (диаграммы растяжения)

Аморфный линейный полимер в стеклообразном состоянии способен на довольно большую упругую деформацию – до 20 % (область I на рис. 111, а). Модуль упругости E (tg α ) у полимеров намного меньше, чем у металлов. Высокоэластическая деформация может составлять сотни процентов (рис. 111, а, область II). Она происходит за счет разгибания свернутых макромолекул. При дальнейшем увеличении нагрузки начинается смещение макромолекул друг относительно друга. Это – вязко-текучее состояние (рис. 111, а, область III).

При механическом нагружении полимер проходит до разрушения те же стадии, что и при нагреве, только энергию для перехода в новое состояние он получает за счет работы деформирования, а не за счет подвода тепла.

Рис. 111. Диаграммы растяжения полимерных материалов:

а – аморфный линейный полимер; б – термореактивный полимер;

в – кристаллический термопласт

Термореактивный полимер с сетчатой структурой способен испытывать только упругую деформацию, после чего наступает разрушение (рис. 111, б). Такие полимеры имеют большую жесткость E и прочность σ _в, чем термопласты.

Кристаллический полимер при температуре ниже t_кр после равномерной упругой деформации (рис. 111, в, область I) образует местное сужение – «шейку», которая постепенно распространяется на весь образец. При этом идет изменение кристаллической структуры; деформация получается остаточная. Жесткость и прочность кристаллического полимера выше, чем у такого же полимера в аморфном состоянии.

Применение полимеров

Примеры применения пластмасс прочитать самостоятельно.

Надо заметить, что наиболее широко применяются не так уж много пластмасс из всего их разнообразия. Например, современный автомобиль имеет порядка 400 пластмассовых узлов и деталей. Но, в основном, они изготовлены из 5 полимерных материалов: полиуретанов, поливинилхлорида, стеклопластиков (наиболее прочные и жесткие, σ _в до950 МПа), полипропиленов, и АБС-пластиков (акрилонитрильный сополимер с добавкой СКС – бутадиенстирольного каучука в виде дискретной фазы, повышающей ударную вязкость пластмассы примерно в 15 раз).

Лекция 21

Керамические материалы

Керамика – неорганические твердые материалы, получаемые высокотемпературным обжигом из отформованных минеральных масс. Можно сказать, что керамика – это все материалы, не являющиеся полимерами и металлами. В керамических материалах между атомами существует ковалентная или ионная связь.

Для получения керамики имеется огромное количество природных соединений; они составляют до 85 % земной коры. Только на долю кремния приходится около 40 %. В Томской области имеются собственные ресурсы для производства керамики: глинозем в Ачинске, Туганское месторождение циркониевых песков.

Современная техника использует более 7000 различных изделий из керамики: от ферритов, величиной с булавочную головку, и тонких пленок для сенсорных устройств до огромных изоляторов ЛЭП.

Структура керамики

Основа строительной, бытовой и художественной керамики – природные глины. Техническая керамика имеет более однородный состав, изготавливается из оксидов или безоксидных соединений.

При обжиге (1200-2500 °С) одновременно формируются структура и свойства керамических материалов. Керамика всегда многофазна: она содержит кристаллическую, стекловидную и газовую фазы в различных пропорциях (рис. 112).

Кристаллическая фаза представляет собой химические соединения или твердые растворы. Она является основной и определяет прочность, жаропрочность и другие важнейшие свойства керамики.

Стекловидная, или аморфная фаза – это связка; ее количество может колебаться в широких пределах: от 1 до 40 %. Она снижает прочность и термостойкость, но облегчает технологию производства.

Газовая фаза находится в порах керамики. По доле пор в объеме материала керамика делится на пористую и плотную. В технике чаще используется плотная керамика. Но и она содержит определенную долю пор.

Свойства керамики

Достоинствами керамики являются:

· высокая твердость и износостойкость;

· высокие рабочие температуры (до 3500 °С);

· высокая коррозионная стойкость в различных средах;

· низкая тепло- и электропроводимость: керамические материалы – диэлектрики и теплоизоляторы;

· малая плотность, легкие материалы.

Основной недостаток керамики:

· высокая хрупкость. Ударная вязкость керамики примерно в 40 раз меньше, чем у металлов. Это ограничивает ее применение в технике. Керамика имеет низкую прочность при растяжении и изгибе. Пластически не деформируется.

Высокие твердость и температуры плавления керамических материалов обусловлены большой энергией связи между атомами. Это ковалентные или ионные соединения. Сильная межатомная связь определяет высокое сопротивление деформации, поэтому специальной упрочняющей обработки для керамики не требуется.

Для повышения ударной вязкости керамики применяют различные способы. Прежде всего, в керамическом материале должно быть как можно меньше пор, являющихся зародышами трещин. На сегодняшний день разработаны следующие основные способы увеличения вязкости керамики:

· легирование или модифицирование,

· упрочнение дисперсными частицами,

· упрочнение нитевидными кристаллами более прочной керамики,

· «затупление» трещины за счет создания множества микротрещин: тогда магистральная трещина не развивается.

Над решением актуальной проблемы – повышением трещиностойкости (вязкости) керамики – работают ученые-материаловеды во всем мире, в том числе и ученые Томского Института физики прочности и материаловедения.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 16 171819 20 Следующая ⇒