Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте основные свойства (физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные) никеля.

2. Назовите области применения никеля? Чем вызвано применение в каждом случае?

3. Перечислите основные сплавы никеля. Охарактеризуйте их свойства.

4. Где применяются сплавы никеля?

Глава 7. Неметаллические материалы

Кроме металлов и сплавов в промышленности приме­няются неметаллические материалы: пластические мас­сы, композиционные и резиновые материалы, клеи, лако­красочные покрытия, древесина, керамика и др.

Неметаллические материалы находят все возрастающее применение в различных отраслях техники. Достаточная прочность, жесткость, эластич­ность при низкой плотности, химическая стойкость во многих агрессивных средах, уровень диэлектрических свойств при их технологичности делают неметаллические материалы незаменимыми.

По происхождению неметаллические материалы различают природ­ные, искусственные и синтетические.

К природным относятся такие органические материалы, как натуральный каучук, древесина, смо­лы (янтарь, канифоль), хлопок, шерсть, лен и др. Неорганические при­родные материалы включают графит, асбест, слюду и некоторые горные породы.

Искусственные органические материалы получают из природ­ных полимерных продуктов (вискозное волокно, целлофан, сложные и простые эфиры, целлюлозы).

Синтетические материалы получают из простых низкомолекулярных соединений (этилен, стирол и др.).

Именно в искусственных и синтетических материалах возможно проек­тировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью получения заданных свойств конечного продукта и готовых изделий. В результате синтетические неметаллические материалы вытесняют природные и являются наиболее распространенными.

7.1.Высокомолекулярные соединения (Полимеры)

В настоящее время имеется огромное количество разнообразных полимерных материалов (ПМ) - пластических масс, синтетических каучуков и волокон, которые исполь­зуются практически во всех областях промышленности.

Полимерные материалы производят из простых органических соединений, источником которых являются широко распространенные и доступные виды сырья: ископаемые угли, нефть, газ, воздух.

Подавляющее большинство синтетических полимеров обладает лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с природны­ми полимерами. Это позволяет использовать их в качестве конструк­ционных материалов, с успехом заменять ими даже некоторые метал­лы. Появились полимеры, способные выдерживать высокие темпера­туры, противостоять различным излучениям. Полимеры широко про­никают в машиностроение, авто- и авиационную промышленность, ра­диоэлектронику, медицину, космическую технологию. Все более крупным потребителем полимерных материалов становится строительство. Использование различных полимеров позволило резко расширить ассортимент и улучшить качество строительных материа­лов и изделий.

Современные исследования в области химии полимеров направле­ны на создание синтетических материалов, обладающих нетрадицион­ными свойствами. Большое внимание при этом уделяется таким поли­мерам, которые не ухудшали бы экологическую обстановку.

Высокомолекулярные соединения (ВМС) или просто полимеры - это химические веще­ства, которые состоят из большого числа повторяющихся груп­пировок (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими (ковалентными) связями.

Мо­лекулы таких соединений имеют высокую молекулярную массу (от нескольких тысяч до многих миллионов) и называются макромолекулами. Они похожи на вытянутые цепочки, отдельные звенья кото­рых представляют собой атомные группировки (моно­меры).

В молекулах полимеров различают главную цепь, построенную из большого числа атомов. Боковые цепи имеют значительно меньшую протяженность (рис. 7.1.)

Рис. 7.1. Схема строения линейной молекулы.

Макромолекулы могут содержать: одинаковые, разные мономеры или чередующиеся блоки мо­номеров. В связи с этим материалы называются гомополимерами (или полимерами), сополимерами и блокосополимерами.

Своеобразие свойств полимеров объясняется структурой их молекул.

По форме макромолекулы делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные или сетчатые (Рис.7.2.).

Линейные макромолекулы полимера представляют со­бой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис. 7.2.а). Линейные 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.7.2.б), являясь так­же линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

Рис. 7.2. Формы макромолекул полимеров:

а- линейная; б – разветвленная; в -лестничная; г – сетчатая; пространственная; д – паркетная.

Макромолекула лестничного полимера (рис.7.2.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 и сетчатые, 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 (рис.7.2.г). Редкосетчатые (сет­чатые) полимеры теряют способность растворяться и пла­виться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густо­сетчатые (пространственные полимеры) отличаются твер­достью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкци­онных неметаллических материалов. К сетчатым полиме­рам относятся также паркетные полимеры (рис. 7.2.д,).

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

В аморфных полимерах макро­молекулы собраны в пачки, способные перемещаться от­носительно друг друга, что придает им эластичность, но невысокую прочность. Они могут быть построены из молекул, свернутых в гло­булы. Глобулярная структура аморфного полимера придает им невысокие меха­нические характеристики в связи с хруп­ким разрушением по границам глобул. Под воздействием температуры глобулы способны распрямляться в линейные обра­зования, что способствует повышению механических свойств полимеров.

Кристаллические полимеры имеют гибкие пачки мак­ромолекул, которые путем специальной укладки, напри­мер в процессе термической обработки, могут привести к образованию пространственных решеток кристаллов.

Формирование пространственных решеток кристаллов начинается с пере­строения внутри пачек.

Рис.7.3. Схема образования пластины (а), из лент (в), полученных из выпрямленной пачки (б).

Гибкие пачки (рис. 7.3. а) в результате многократного поворота на 180° складываются в ленты (рис. 7.3. б). Ленты, в свою очередь, присоединяясь друг к другу пло­скими сторонами, образуют пластины (рис. 7.3.а). Наложение нескольких таких пластин приводит к образованию кристалла. Таким образом, гибкие пачки имеют регулярную структуру и отличаются достаточной гибкостью.

Кристаллы полимеров могут формироваться непосредственно из их рас­плавов при охлаждении. Чаще расплав полимера с понижением температу­ры, переходя в твердое состояние, сохраняет аморфную структуру жидкости. Это стеклообразное состояние полимера устойчиво в связи с заторможенно­стью теплового движения, громоздкостью макромолекул и значительной вязкостью расплава. Кристаллическая фаза придает полимерам тепло­стойкость, жесткость и прочность.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных вещества (этилен, стирол и др.) тремя спо­собами: полимеризацией, поликонденсацией или химиче­ским превращением.

Полимеризация представляет собой процесс соедине­ния молекул (мономеров) без выделения побочных про­дуктов и изменения элементарного состава. При поли­конденсации соединяются молекулы одинакового или различного строения с выделением побочных низкомоле­кулярных веществ. Химические превращения направлены на формирование в полимерах новых структур и прида­ния им новых свойств.

По химическому составу полимеры делятся на орга­нические, элементоорганические и неорганические.

Ос­новную массу составляют органические полимеры: смо­лы и каучуки. Их молекулярная цепочка в основном об­разована атомами углерода.

В состав основной цепи элементоорганических поли­меров входят неорганические атомы кремния, титана, алюминия и других элементов. К атомам основной цепоч­ки присоединяются боковые радикальные группы. К это­му классу относятся более теплостойкие смолы, каучуки, но менее упругие и эластичные, чем органические поли­меры.

Основой неорганических полимеров служат оксиды кремния, алюминия, магния и других металлов. К ним относятся силикатное стекло, керамика, слюда, асбест, графит, отличающиеся плотностью, хрупкостью и дли­тельной теплостойкостью.

По использованию и назначению полимерные материалы делятся на:

• пластические массы (пластики) и композиты;

• эластомеры (каучуки и резины);

• химические волокна и пленки;

• полимерные покрытия, клеи и герметики.