Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011



Министерство образования и науки Русской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский муниципальный институт

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 Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011:


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» создано для студентов машиностроительных и металлургических специальностей.

В Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 пособии тщательно описаны главные свойства неметаллических материалов, исходя из убеждений способности 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 Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 6

Систематизация полимеров 7

1.2. Особенности параметров полимеров 11

1.3. Вопросы по теме «Полимеры»: 21

^ ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ 21

2.1. Общая черта 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 систематизация резин 29

3.2. Получение Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 изделий из резины 31

3.3. Систематизация резиновых материалов по предназначению и области внедрения 31

3.4. Причины, действующие на характеристики резин в процессе использования 33

3.5. Вопросы по теме «Резины»: 36

4. СТЕКЛА 36

4.1. Главные характеристики стекла 37

4.2. Систематизация стекол по предназначению Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 38

4.3. Ситаллы 44

4.4. Вопросы по теме «Стекла»: 46

^ 5. Глиняние МАТЕРИАЛЫ 47

5.1. Общие сведения, систематизация глиняних 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. Железная матрица 58

6.2.2. Полимерная Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 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 Перечень 84



ВВЕДЕНИЕ

Неметаллические материалы – это органические, и неорганические полимерные материалы: разные Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 виды пла­стических масс, композиционные материалы на неметаллической базе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные по­крытия, также графит, стекло, керамика. В качестве конструкционных материалов они служат принципиальным дополне­нием к Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 металлам, в неких случаях с фуррором подменяют их, а время от времени сами являются неподменными. Достоинством неметаллических материалов являются такие их характеристики, как достаточная крепкость, твердость и упругость при малой Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 плотности, светопрозрачность, химиче­ская стойкость, диэлектрические характеристики, делают эти материалы нередко неподменными. Также необходимо подчеркнуть их технологичность и эффективность при использовании. Трудозатратность при изготов­лении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, они Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 в 4–5 раз дешевле по сопоставлению с металлическими. В связи с этим безпрерывно увеличивается внедрение неметаллических ма­териалов в машиностроении автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

Движки внутреннего сго­рания Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 из керамики обходятся без водяного остывания, что не­возможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет дела­ют только из неметаллических материалов (графит, керамика). Труд­но представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компью Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011­теры, спортивное снаряжение, авто и другую технику без неметаллических материалов – пластмассы, ламината, керамики, резины, стекла и др.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, приемущественно синтетические. Создателем структурной теории хим строения органических соединений является Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). Промышленное создание пер­вых пластмасс (фенопластов) – итог работ, проведенных Г. С. Петровым (1907–1914 гг.). С. В. Лебедевым в первый раз в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций и всераспространена на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие теплостойких по­лимеров связано с именованием К. А. Андрианова.

В области сотворения полимерных материалов большой вклад внесен забугорными учеными: К. Циглером Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.

Изложенные в пособии материалы обрисовывают более пользующиеся популярностью неметаллические материалы, применяемые в качестве конструкционных.


ПОЛИМЕРЫ

Полимерами именуются высокомолекулярные хим соединения, состоящие из бессчетных простых Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 звеньев (мономеров), представляющих из себя схожую группу атомов и связанных меж собой хим связями.

Макромолекулы представляют со­бой длинноватые цепи из мономеров, что определяет их огромную гиб­кость. Отдельные атомы в мономерах соединены меж собой Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 до­вольно крепкими ковалентными хим связями. Меж макромолекулами полимеров действуют существенно более слабенькие физические связи. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000000. При таких огромных размерах макромолекул характеристики веществ определяются не только Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 лишь хим составом этих молекул, да и их обоюдным расположением и строением.

^ Систематизация полимеров

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

^ По природе Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 все полимеры можно поделить 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, также Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 минеральными субстанциями (слюда, асбест, естественный графит, природный алмаз и др.). Синтетические полимеры получают из обычных веществ методом хим синтеза. Главным преимуществом синтетических полимеров перед природными являются неограниченные припасы начального сырья и Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 широкие способности синтеза полимеров с заблаговременно данными качествами. Начальным сырьем для получения синтетических полимеров являются продукты хим переработки нефти, природного газа и каменного угля. Получаемые при всем этом низкомолекулярные вещества именуют мономерами Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011. Их перерабатывают в полимеры в процессе предстоящей хим обработки.

^ По методу получения полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризация – процесс хим соединения огромного числа молекул мономера в одну огромную молекулу полимера без конфигурации Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 простого состава мономера. В процессе полимеризации не происходит выделения побочных товаров реакции. По элементному составу полимер и мономер схожи.

Поликонденсация – процесс образования полимера из молекул различных мономеров в итоге хим реакций Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 с выделением побочных товаров реакции. Элементный состав полимера отличается от состава участвовавших в реакции поликонденсации мономеров.

Схематически формулу полимера записывают в виде [М]n где М – хим строение мономера; n – показатель, характеризующий степень Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 полимеризации.

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

Органические полимеры составляют более необъятную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они именуются карбоцепными полимерами Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011. В гетероцепных полимерах атомы других частей, присут­ствующие в основной цепи, не считая углерода, значительно изме­няют характеристики полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода содействуют увеличению гибкости цепи, атомы фосфора Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 и хлора увеличивают огнестойкость, атомы серы присваивают газонепроницае­мость, атомы фтора, докладывают полимеру высшую хим стойкость и т. д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

Элементоорганические соединения в природе не встречаются. Этот класс Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 материалов стопроцентно сотворен искусственно. Они содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Тi, А1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы присваивают материалу, крепкость и упругость, а неорганические атомы докладывают Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 завышенную теплостойкость. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Базу неорганических материалов составляют оксиды кремния Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011, 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, к Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 примеру, графит и алмаз, при этом графит содержит и малозначительное количество атомов водорода. Но в отличие от органических полимеров, образующих основное молекулярное звено в большей степени в виде линейных цепей, графит Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 и алмаз образуют пространственные структуры. Это присваивает им характеристики, резко отличающиеся от параметров органических полимеров. Графит является единственным веществом, остающимся в жестком состоянии при температуре выше 4000 °С, а алмаз является самым жестким Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 веществом.

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

Гибкие макромолекулы Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 с высочайшей прочностью повдоль цепи и слабенькими межмолекулярными связями обеспечивают упругость материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (целофан, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы (рис. 1, б), являясь Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

Макромолекула лестничного полимера (рис. 1, в) состоит из 2-ух цепей, соединенных хим связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую основную цепь и Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 владеют завышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Пространственные полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул меж собой в поперечном направлении крепкими хим связями конкретно либо через хим Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 элементы либо радикалы. В итоге появляется сетчатая структура с различной густотой сетки. Редкосетчатые (сетчатые) полимеры (см. рис. 1, д) теряют способность растворяться и расплавляться, они владеют упругостью (мягенькие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры (см. рис. 1, г Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011) отличаются твердостью, завышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в базе 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


Зависимо от обоюдной ориентации макромолекул Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 поли­меры могут находиться в бесформенном либо кристаллическом состоя­ниях. В бесформенном состоянии полимер имеет упорядоченное строе­ние исключительно в границах участков, размеры которых соизмеримы с размерами звеньев цепи макромолекул Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011, т.е. в бесформенных полиме­рах соблюдается ближний порядок. В кристаллических полимерах соблюдается не только лишь ближний, да и далекий порядок на рас­стояниях, во много раз превосходящих размеры звеньев цепи мак­ромолекул полимера.

В Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 структуре реальных полимеров фактически всегда содержат­ся как бесформенная, так и кристаллическая части. По доминированию той либо другой структуры полимеры делят на бесформенные и кристал­лические.

Соответствующими элементами надмолекулярной Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 структуры поли­меров являются глобула (рис. 2, а) для бесформенных структур и пачка (рис. 2, б) для кристаллических. Глобула представляет со­бой свернутые в клубок цепи макромолекул полимера либо их аг­регатов. Пачка состоит из параллельно расположенных Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 цепей, при этом суммарная длина пачки, обычно, превосходит длину отдельных цепей макромолекул полимера.

Бесформенное состояние для большинства полимеров термодина­мически более стабильно, что определяется энергетически более прибыльной формой надмолекулярного образования бесформенного по Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011­лимера: глобула обладает минимумом свободной энергии.

Выделяющаяся в процессе полимеризации кристаллизующего­ся полимера пачка макромолекул характеризуется анизометрией, потому энергетически прибыльным является ее размещение па­раллельно поверхности кристаллизации. Взаимосогласованная ориентация макромолекул Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 относительно поверхности кристалли­зующихся полимеров определяет все обилие надмолекуляр­ных структур кристаллизующихся полимеров. Термодинамически более устойчивой формой надмолекулярного образования яв­ляется сферолит (рис. 2, в), сформированный тангенциально расположенными пачками макромолекул. Сферолитные структу­ры типичны Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 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 крепкость торцового контакта макромолекул более чем на порядок превосходит крепкость бокового Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 контакта. Это откры­вает возможность управления прочностью кристаллизующихся полимеров.

Примером практической реализации воздействия надмолекуляр­ной структуры на крепкость может служить ориентационное уп­рочнение полимеров. В процессе вытяжки полимеров при Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 повы­шенных температурах макромолекулы ориентируются параллель­но направлению приложения нагрузки. Приобретенная структура по­лимера потом фиксируется методом понижения температуры под си­ловой нагрузкой. Физико-механические характеристики полимера в на­правлении ориентации растут приблизительно в Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 5 раз, а в пер­пендикулярном направлении уменьшаются до 2 раз по сопоставлению с начальным значением. Анизотропия прочности разъясняется из­менением соотношения торцового и бокового контактов макро­молекул полимера. Ориентационное упрочнение полимеров наи­более обширно Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 используется при получении искусственных воло­кон и пленок.

По отношению к электронному полю (по полярности) полимеры разделяются на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в составе полимера диполей – разобщенных центров положительных и Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 отрицательных зарядов.

^ В полярных полимерах (рис. 3, а) имеются полярные связи (группировки –Сl, –F,–ОН) и несимметрия в их структуре: Центр масс электронов смещен в сторону более электроотрицательного атома. Центр масс Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 разноименных зарядов не совпадают.

Полярные полимеры имеют завышенную крепкость, твердость, но низкую морозостойкость (хрупкость уже при -10…-20°С). Их можно сваривать током высочайшей частоты. Полярности полимера можно оценить по величине диэлектрической проницаемости Е Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011. У полярных полимеров Е ≥ 3,5.








полярный

неполярный


Рис. 3 Пример полярного и неполярного полимера


Неполярные (на базе углеводородов) – качественные диэлектрики, владеют неплохой морозостойкостью.

Дипольный момент связей атомов в неполярных полимерах взаимно компенсируется. В макромолекулах неполярных полимеров Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 симметричное размещение групп (рис. 3, б). Центры тяжести разноименных зарядов совпадают.

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

Некие полимеры при нагревании плавненько перебегают через вязкопластическое в жидкотекучее состояние. При охлаждении отмечается Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 также плавный переход в жесткое состояние. Нагревание полимера до температур ниже температуры его тепловой деструкции не вызывает необратимого конфигурации параметров материала, что позволяет неоднократно повторять процесс термообработки линейных полимеров. Такие структуры Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011 макромолекул образуют класс термопластичных полимеров.

Другие полимеры под действием теплоты, минуя жидкое состояние, необратимо перебегают в жесткое состояние и не могут употребляться повторно. Такое поведение полимеров при нагревании именуют термореактивным Учебное пособие Челябинск Издательский центр юургу 2011, а сами полимеры относят к классу термореактивных полимеров.


uchebno-tematicheskij-plan-avtori-razrabotchiki-programmi.html
uchebno-tematicheskij-plan-disciplin-modulej-obrazovatelnaya-programma-rassmotrena-i-rekomendovana-dlya-utverzhdeniya.html
uchebno-tematicheskij-plan-disciplini-uchebno-metodicheskij-kompleks-disciplini-fiziologiya-visshej-nervnoj-deyatelnosti.html