7.1. Полимеры
Неметаллические материалы все чаще заменяют металлы. Достоинством этих материалов является сочетание необходимых химических, физических и механических свойств с низкой их стоимостью и высокой технологичностью.
В основе неметаллических материалов лежат полимеры – высокомолекулярные химические соединения с большой молекулярной массой (порядка 103), состоящие из многочисленных низкомолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. В мономерах отдельные атомы соединены прочными ковалентными связями. Между макромолекулами полимеров действуют более слабые связи. Соединения с малым количеством звеньев называются олигомерами. К природным полимерам относятся: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, шерсть и др. Наиболее распространены синтетические полимеры. Для создания которых применяются следующие мономеры: этилен, винилхлорид, винилацетат, пропилен, стирол, фенол, мочевина, меламин и формальдегид. Полимеры различают по способу образования.
П олимеризация – процесс соединения низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные с образованием длинных цепей. Например, мономеры этилена C2H4 или винилхлорида C2H3Cl после разрыва двойных ковалентных связей образуют полимерные цепи из мономерных звеньев – полиэтилен и поливинилхлорид (рис. 7.1). Полимеризацией получают полипропилен, полистирол, полибутадиен и др.
Поликонденсация – ступенчатая реакция соединения большого количества одинаковых или разных мономеров в макромолекулы (поликонденсаты) с одновременным образованием побочных продуктов (вода, аммиак, хлороводород, диоксид углерода, метиловый спирт и др.). С помощью такой реакции получают полиамиды, полиэстеры, фенопласты, аминопласты, поликарбонаты, силиконы и др.
Полиприсоединение – реакция множественного присоединения мономеров, содержащих предельные группы, к мономерам, содержащим непредельные группы (двойные связи, активные циклы). Такие реакции протекают без выделения побочных продуктов. К ним относят получение полиуретанов, процесс отверждения эпоксидных смол.
По составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры – наиболее обширная группа соединений – состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. В состав основных цепей элементоорганических соединений входят дополнительно атомы кремния, титана, алюминия и др. Это только синтетические полимеры. Например, основные цепи кремнийорганических соединений построены из атомов кремния и кислорода. Неорганические полимеры (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест и др.) не содержат атомов углерода. Их основой являются оксиды кремния, алюминия, магния и др.
С воеобразие свойств полимеров обусловлено их различной структурой (рис. 7.2). Полимеры с линейной структурой (например, полиэтилен) представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки. Для цепочек характерна гибкость, что обусловливает высокую эластичность полимеров и отсутствие хрупкости в твердом состоянии. Полимеры с линейно-разветвленной структурой (полипропилен, полиизобутилен) имеют боковые ответвления. Полимеры с лестничной структурой (кремнийорганические) состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. При соединении макромолекул полимеров между собой в поперечном направлении образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Такие полимеры с пространственной структурой обладают большой жесткостью и теплостойкостью и являются основой конструкционных неметаллических материалов.
Полимеры состоят из кристаллических и аморфных областей. Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении макромолекул. Монокристаллы полимеров состоят из элементарных ячеек. Из них образуются более сложные структуры – ленты. Из лент строятся плоскости – основной структурный элемент кристаллического полимера. Когда образование правильных кристаллов затруднено, формируется сферолитная структура. Сферолиты состоят из лепестков, образованных последовательным чередованием кристаллических и аморфных участков. Аморфное состояние полимера характеризуется ближним порядком в расположении молекул. Аморфные полимеры по строению подобны жидкостям с большим коэффициентом вязкости. Кристаллическая фаза способствует повышению механических характеристик полимера (твердости, прочности, модуля упругости), но снижает гибкость молекул. Аморфная фаза уменьшает жесткость и делает полимер более пластичным. Отношение объема кристаллической фазы к общему объему называют степенью кристалличности.
- Введение
- 1. Строение и свойства материалов
- 1.1. Классификация материалов
- 1.2. Кристаллическое строение материалов
- 1.3. Кристаллизация металлов
- 1.4. Деформация и разрушение металлов
- 1.5. Свойства материалов и методы их испытаний
- 2. Основы теории двойных сплавов
- 2.1. Строение сплавов
- 2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- 2.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- 2.4. Углеродистые стали
- 2.5. Чугуны
- 3. Основы термической обработки сталей
- 3.1. Механизмы основных превращений
- 5. Особенности мартенситного превращения.
- 3.2. Отжиг стали
- 3.3. Закалка и отпуск
- 4. Поверхностное упрочнение деталей
- 4.1. Упрочнение методом пластической деформации
- 4.2. Упрочнение методом поверхностной закалки
- 4.3. Химико-термическая обработка
- 5. Легированные стали
- 5.1. Маркировка легированных сталей
- 5.2. Классификация легированных сталей
- 6. Цветные металлы и сплавы
- 6.1. Титан и его сплавы
- 6.2 Алюминий и его сплавы
- 6.3. Магний и его сплавы
- 6.4. Медь и ее сплавы
- 6.5. Другие цветные металлы и сплавы
- 7. Неметаллические и композиционные материалы
- 7.1. Полимеры
- 7.2. Пластмассы
- 7.3. Композиционные материалы
- 7.3. Керамические материалы
- 8. Металлургическое производство
- 8.1. Основные сведения о производстве чугуна
- 8.2. Производство стали
- 8.3. Разливка стали
- 9. Литейное производство
- 9.1. Литейные свойства сплавов
- 9.2. Литье в песчано-глинистые формы
- 9.3. Плавильные печи
- 9.4. Специальные способы литья
- 9.5. Сплавы для изготовления отливок
- 10. Обработка металлов давлением
- 10.1. Прокатка
- 10.2. Волочение и прессование
- 10.3. Ковка
- 10.4. Штамповка
- 11. Обработка металлов резанием
- 11.1. Основы резания металлов
- 11.2. Обработка на токарных станках
- 11.3. Обработка на сверлильных станках
- 11.4. Обработка на фрезерных станках
- 11.5. Обработка на строгальных и долбежных станках
- 11.6. Обработка на шлифовальных и отделочных станках
- 11.7. Точность и качество поверхности при обработке
- 12. Сварка, резка и пайка
- 12.1. Сварка металлов плавлением
- 12.2. Сварка металлов давлением
- 12.3. Термическая резка и пайка металлов
- Области применения способов термической резки
- 13. Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов
- 13.1. Электрофизические способы
- 13.2. Электрохимические способы
- 14. Основы рационального выбора материалов
- 14.1. Выбор материала
- 14.2. Основные направления экономии материалов
- Литература
- Оглавление
- Евгений Петрович Чинков
- Андрей Геннадьевич Багинский
- Материаловедение и технология
- Конструкционных материалов
- Подписано к печати.