Лабораторная работа № 7

Общее знакомство с композиционными и неметаллическими материалами

Цель работы: изучить композиты и неметаллы как материалы конструкционного назначения.

Общие сведения

Композиты – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (армирующие элементы и скрепляющая их матрица) и обладающие свойствами, отличными от суммарных свойств компонентов. При этом компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом не поглощать друг друга.

Композиционные материалы представляют собой широкий класс материалов, объединяющий металлы, полимеры, керамики.

По характеру структуры композиты делятся:

1. Волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами или нитевидными кристаллами;

2. Дисперсно-упрочненные материалы, полученные путем введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей;

3. Слоистые материалы, созданные путем прессования и прокатки разнородных материалов.

Неметаллические материалы находят широчайшее применение во всех отраслях промышленности, в частности, в машиностроении и приборостроении, что обусловлено их ценными специфическими свойствами. К неметаллическим материалам относятся: пластические массы (пластмассы), резина, стекло, керамика, клеи, лако-красочные материалы, цементы и бетоны, древесные материалы и пр.

В основе неметаллических материалов лежат полимеры. Полимеры – это природные или синтетические высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых состоят из связанных друг с другом многократно повторяющихся частиц (элементарных звеньев) – мономеров. Отличительной особенностью полимеров является гибкость макромолекулы.

Мономеры – низкомолекулярные вещества, молекулы которых способны вступать в реакцию друг с другом или с молекулами других веществ с образованием полимеров. Члены гомологических рядов, занимающие по размеру молекул область между мономерами и полимерами, называются олигомерами. Количество мономеров в макромолекуле соединения влияет на его свойства и состояние. Так, молекула газа этилена состоит из шести атомов (СН₂ = СН₂) и имеет вес 28 кислородных единиц. При соединении молекул этилена в цепочку из 20 звеньев образуется полиэтилен ‑ жидкость. Увеличение цепочки до 1500 ‑ 2000 элементарных звеньев приводит к образованию твердого и упругого пластичного материала. Дальнейшее увеличение числа звеньев в цепи макромолекул полиэтилена приводит к увеличению жесткости материалов.

а б	г
в	д е

Рис.1. Структура полимеров:

а – линейная; б – разветвленная; в – лестничная; г – сетчатая;

д – пространственная; е – паркетная.

Свойства полимеров зависят также от расположения мономеров в крупных молекулах. В зависимости от химической природы исходных веществ и технологии производства макромолекулы полимеров могут иметь линейное, разветвленное, лестничное, сетчатое и пространственное строение (рис. 1). Макромолекулы линейных полимеров представляют собой цепи, имеющие длину, в сотни и тысячи раз превышающую размеры поперечного сечения. При разветвленной структуре полимера макромолекулы имеют боковые ответвления, длина и число которых могут быть различными.

Полимеры отличаются гибкостью и большой механической прочностью, пригодны к переработке в тонкие пленки и волокна. Из них получают самые разнообразные изделия ‑ мелко- и крупногабаритные детали машин и механизмов, строительные конструкции, весьма прочные покрытия, устойчивые к действию агрессивных сред, а также высоких и низких температур, изоляционные материалы. Полимеры заменяют легированную сталь и различные металлы, стекло, а вспененные полимеры ‑ пенопласты ‑ используются вместо войлока и ваты в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов.