Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Характеристика фазових перетворень.

Читайте также:
  1. Amp; 2. Окремі види ризиків та їх характеристика. Концепція прийнятного ризику
  2. I. ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЦИПЛИНЫ
  3. I. Этиологическая характеристика
  4. II. Общая характеристика искусства Древнего Египта, периодизация
  5. III, IV и VI пары черепных нервов. Функциональная характеристика нервов (их ядра, области, образование, топография, ветви, области иннервации).
  6. III. Характеристика миграционной ситуации.
  7. V. Механическая характеристика
  8. V. Упрощенная схема замещения трансформатора и внешняя характеристика.
  9. А Общая характеристика класса Turbellaria.
  10. А) Общая характеристика

Дамо характеристику основних фазових перетворень.

Рідкий ↔ газовий стан:

Фазове перетворення рідкого стану в газовий (пароутворення) і зворотне (конденсація) відбуваються при певній температурі і сильно залежать від тиску при tкип. Рідина може переходити в газовий стан при температурі нижчій за кипіння. Такий процес називають випарювання.

Твердий ↔ рідкий стан:

Процес переходу з твердого (кристалічного) до рідкого стану називають плавленням, а зворотній процес – кристалізацією. Тверді речовини утворюються з рідких чи газових по мірі зниження температури шляхом зближення атомів (молекул) і їх групування в кристал (центр кристалізації). Швидкість охолодження, кількість центрів кристалізації та швидкість їх росту визначають будову твердої речовини: кристалічне, аморфне чи скловидне.

Враховуючи можливість фазових перетворень кристалічних речовин в твердому стані розрізняють первинну і вторинну кристалізацію.

Перехід з рідкого стану до твердого із затвердінням є первинна кристалізація.Вона відбувається при температурі tпл що залежить від тиску. Процес плавлення – затвердіння супроводжується, відповідно, поглинанням чи виділенням теплоти.

Перетворення в будові матеріалу, що відбувається в його твердому стані називають вторинною кристалізацією або перекристалізацією. Така кристалізація можлива у поліморфних матеріалів, при зміні фазового складу сплавів внаслідок зміни розчинності компонентів, при термічній обробці сплавів.

Фазові перетворення аморфних речовин:

Характеризуються відсутністю точки плавлення. При збільшенні температури матеріали розм’якшуються, переходять до високо еластичного, а далі не до рідкого, а до в'язкотекучого стану, який характеризує плавлення матеріалу. Наприклад скло при певному температурному інтервалі плавиться, а при подальшому нагріванні стає крихким.

 

4.2.2. Формування будови металів. Кристалізація.

Первинна кристалізація починається при досягненні деякої граничної температури, яка характеризує переохолодження рідини чи насичення пару, тоді практично миттєво виникає значна кількість центрів кристалізації. З часом ці центри зростають, приєднуючи до себе інші атоми чи молекули рідини, утворюючи полікристали чи зерна. (рис. 1).



 

 

Рисунок 1. – Схема формування структури при кристалізації.

При подальшому зниженні температури, кількість утворених центрів кристалізації зменшується, швидкість зростання полікристалів знижується, тому при кристалізації можуть утворюватися різні форми і структури кристалів (багатогранні, пластинчаті, голчасті, дендритні і т.п.). Швидкість процесу первинної кристалізації і характер формування структури матеріалу значно залежить від швидкості охолодження і кількості центрів кристалізації, що виникають в одиницю часу в одиниці об’єму. Тому чим більше швидкість охолодження, утворення центрів кристалізації та менше швидкість їх зростання тим менше розміри зерна, тобто більш дрібнозерниста структура.

Джерелом утворення центрів кристалізації можуть бути різні тверді частки, що є в рідині (домішки). Вони, практично не змінюючи хімічного складу, можуть служити центрами кристалізації й призводити до утворення дрібного зерна. В металургійних процесах штучно вводять в розплав тверді домішки, щоб отримати максимальне число зародків зерен і дрібнозернисту структуру, що забезпечує гарні фізико-механічні характеристики матеріалу.



В твердому стані металеві матеріали являють собою полікристалічну речовину, що складається з значного числа по-різному орієнтованих по відношенню один до одного кристалітів (зерен), розміри, форма і взаємне розташування яких формується при охолодженні в процесі кристалізації.

В процесі кристалізації неминуче виникають різні дефекти будови. Ці дефекти впливають на форму та розташування зерен в матеріалі призводячи до анізотропії будови твердих матеріалів.

Вторинна кристалізація відбувається шляхом дифузії атомів, поглинання зерен структури новоутвореними будовами, зсувами часток кристалів внаслідок різких термодинамічних процесів тощо. Ріст зародків нової фази відбувається невпорядкованим переходом атомів шляхом дифузії через границю розділу фаз до новоутвореної фази. Якщо між вихідною і новою фазами існує структурна відповідність (когерентність), то нова фаза розміщується між вихідною у вигляді внутрішніх утворень (пластинок, голок). Якщо нова фаза по складу чи будові суттєво відрізняється від вихідної, то ця фаза є нестійкою і може бути проміжною (метастабільною), тобто може змінюватись при певних умовах і переходити до стабільного стану.

Вторинна кристалізація може відбуватися не тільки за рахунок дифузії атомів, але й шляхом впорядкованого переміщення (зсуву) атомів, молекул чи окремих частин кристалів при різкому переохолодженні високотемпературних модифікацій на відстані малі в порівнянні з міжатомними. Таке перетворення називають мартенситним, а утворену структуру – мартенсит. Мартенситне перетворення в сплавах відбувається без зміни концентрації фаз. З цим перетворення пов'язані такі явища як гартування, "ефект пам'яті форми" тощо.

Швидкість процесу вторинної кристалізації і характер утворення структури матеріалу при різних умовах підпорядковується тим же закономірностям, що й при первинній кристалізації.

 

Лекція 3

5. Будова металевих матеріалів.

5.1. Атомно – кристалічна будова металів.

Кожному металу в твердому стані відповідає певна кристалічна будова, яка описується геометричними представленнями, а саме кристалічними решітками або ґратками.

Кристалічні ґратки – просторове періодичне розташування атомів (іонів, молекул) в кристалічній речовині.

Точки кристалічних ґраток, в яких розміщуються атоми називаються вузлами.

Напрямки, що проходять крізь два вузли ґраток називають кристалографічними напрямками, а площини, що проходять через три вузли – кристалографічними (атомними) площинами.

В основі кристалічних ґраток лежить елементарна комірка – це побудований на вузлах мінімальний об’єм кристалічної речовини, що відбиває всі його особливості і його повторення дозволяє побудувати всі ґратки.

Для однозначної характеристики елементарної комірки слід знати її параметри:

- період – відстань між сусідніми атомами в одній площині;

- координаційне число – кількість атомів ґраток, які знаходяться на найменшій рівній відстані відносно одного вибраного;

- щільність упаковки – відношення об’єму зайнятого атомами до об’єму всіх ґраток;

Для більшості металів характерні три типи кристалічних ґраток (рис.2):

Об’ємно – центровані кубічні ґратки (ОЦК). Ці ґратки мають метали: Pb, K, Na, Li, W, V, Cr, Nb, Tiβ, Feα.

Гранецентровані кубічні ґратки (ГЦК). Характерні металам: Caα, Ni, Ag, Au, Cu, Coα, Feγ.

Гексагональні ґратки (ГГУ). Характерні металам: Mg, Tiα, Cd, Re, Os, Zn, Coβ, Be.

 

 

а б в

Рисунок 2. – Типи кристалічних ґраток металів: а – ОЦК, б – ГЦК, в – ГГУ.

 

Кристалічні ґратки в металі внаслідок фазових перетворень об'єднуються і утворюють полікристал або кристаліт. Сукупність полікристалів це зерно металу. Саме з зерен і складається на макроскопічному рівні структура металу.

Однак ідеальної будови в природі не існує. В наслідок фазових перетворень відбувається відхилення реальної будови матеріалу від ідеальної. Тому в металах можливі дефекти кристалічних ґраток. За геометричними ознаками їх розрізняють на точкові, лінійні, поверхневі, та об'ємні. За розташуванням та природою існують такі дефекти як вакансії, дислокації, міжвузловий атом, домішкові атоми. Властивості металів визначаються параметрами кристалічних ґраток та видом і кількістю дефектів.

 

5.2. Анізотропія властивостей кристалів.

У різних кристалографічних площинах, проведених через центри атомів у кристалічних решітках, число атомів і відстані між ними неоднакові. У зв'язку з цим властивості монокристалів у різних напрямах неоднакові. Таке явище називається анізотропією.

Анізотропія виявляється в неоднаковості опорів монокристала електричного струму і швидкості розчинення в хімічних реактивах, у відмінності механічних властивостей. Наприклад, міцність зразків, вирізаних у різних напрямах з монокристала міді, відрізняється приблизно в 3 рази, а пластичність - більше ніж у 5 разів.

Реальні метали є тілами полікристалічними, тобто складаються з великої кількості по-різному орієнтованих у просторі кристалітів (зерен). Тому властивості таких металів у будь-якому напрямі усереднені, однакові. Проте в тих випадках, коли обробка металів сприяє переважному орієнтуванню окремих кристалів (наприклад, при прокатуванні, куванні), полікристалічні метали стають також анізотропними. Наприклад, міцність зразків, вирізаних з листа вздовж і впоперек напряму прокатування, різні; температурний коефіцієнт лінійного розширення листа з цинку залежно від напряму прокатування може відрізнятися в 1,5...2 рази.

 

5.3. Будова сплавів та їх характеристика.

Сплави – макроскопічно однорідні системи, що отримані поєднанням з двох чи більше металів чи неметалів і які мають виражені металеві властивості.

Хімічні елементи, утворюючі сплав називають компонентами.

Класифікацію сплавів проводять за наступними ознаками:

- По числу компонентів – бінарні (подвійні), потрійні, багатокомпонентні;

- По виду основного компоненту – залізні, мідні, титанові тощо;

- По числу фаз – однофазні та багатофазні;

- По способу отримання – плавлені (одержані кристалізацією з розплаву), спечені (металокерамічним способом), стиснені (порошкова металургія), конденсацією з парів, дифузійним насиченням та іншими.

- По технологічним властивостям – ливарні, електротехнічні, корозійностійкі, зносостійкі тощо.

Металеві сплави на відзнаку від чистих металів мають більш складну будову, що визначається кількістю компонентів та їх хімічними ознаками. Компоненти, що входять до складу сплаву, можуть утворювати такі фази: рідкі розчини, тверді розчини, хімічні з'єднання та механічні суміші.

Металеві рідкі розчини (розплави) представляють рідкий стан сплавів, який по більшості характеристик споріднений твердому стану. Якісна відзнака розплаву у відсутності в ньому дальнього порядку в кристалічній будові.

Більшість металів необмежено розчинюються один в одному. Однак деякі повністю не розчинюються у рідкому стані і розділяються на шари по густині.

Металевими твердими розчинами називають однорідні тверді фази, які складаються з декількох компонентів, концентрації яких можуть бути змінені без порушення їх однорідності. Металеві тверді розчини утворюються в результаті проникнення в кристалічні ґратки основного металу атомів іншого металу чи неметалу. Розрізняють тверді розчини заміщення і вкорінення. Тип твердого розчину визначається різницею розмірів атомів основного металу та атомів домішки. У сплавах, будова яких є твердим розчином, співвідношення компонентів може бути перемінним, і один з компонентів зберігає свої кристалічні ґратки (розчинник) а атоми іншого розміщуються в цих ґратках, змінюючи їх параметри.

Хімічне з'єднання – це хімічно нова речовина, що суттєво різниться від вихідних компонентів і властивостями, і будовою. В цій будові у хімічній формулі завжди зберігається кратне співвідношення компонентів АтВn, температура плавлення (дисоціації) постійна, утворення хімічної сполуки завжди супроводжується значним тепловим ефектом. Хімічні з'єднання, що утворюються в сплавах, відрізняються по деяким особливостям від типових хімічних сполук тим, що не підпорядковуються законам валентності і не мають постійного складу. Від твердих розчинів відрізняються тим , що мають незмінні кристалічні ґратки до температури плавлення. Хімічні з'єднання в сплавах за будовою та властивостями розділяють на класи: електронні з'єднання (з'єднання між одновалентними металами та простими металами), інтерметаліди (з'єднання металів з неметалами, їм властивий металевий тип хімічного зв’язку), фази вкорінення (з'єднання типу карбідів, нітридів, гідридів, з переважним металевим зв'язком) тощо.

Механічна суміш – це структура сплаву, що не має спільної будови і складається з окремих фаз, які утримуються слабкими силами тяжіння чи електростатичними силами, або за рахунок хімічної природи і мають споріднені компонентам сплаву властивості.

Структура сплавів.

Розрізняють макро-, мікро- і субструктури металів і сплавів.

Макроструктура – структура сплаву, що видима неозброєним оком чи при незначному збільшенні (до 30-40 разів). Макроструктура відображає структурну і хімічну неоднорідність, наявність пор, пустот, тріщин, розшаруватість, технологічні наслідки та інше.

Мікроструктура – це структура, що досліджується при значному збільшенні, за допомогою металографічних мікроскопів. Вона відображає форму, розміри, орієнтацію та взаємне розташування зерен металу; фазовий склад, співвідношення фаз.

Субструктура (тонка структура) – структура усередині зерна сплавів, що спостерігається при дуже значному збільшенні. Субструктура визначає більшість механічних і фізичних властивостей, кінетику фазових перетворень та інше.

 

5. 4. Фазові та структурні перетворення в сплавах.

Характер фазових і структурних перетворень в сплавах при зміні температури можна прослідити за допомогою аналізу мікроструктури, бо між мікроструктурою та властивостями існує чіткий зв'язок.

При кристалізації сплавів центри кристалізації мають перемінній склад, що залежить від температури. Це призводить до виникнення неоднорідності хімічного скалу – ліквації. При цьому неоднорідність всередині окремих зерен називають дендритною.

При охолодженні з дуже малими швидкостями в сплавах структури досягають рівновісного стану, тому що при цьому дифузія в рідких і твердих фазах відбувається разом одночасно з кристалізацією і склад кристалів вирівнюється, отримана структура називається гомогенною.

Структура, що формується в сплавах при фазових перетворення може бути однофазною чи багатофазною.

Однофазна структура формується в сплавах при повному взаємному розчиненні компонентів, або у випадку, коли кількість розчиненого компоненту не перебільшує граничної розчинності. Форма зерен залежить від умов формування. Вони можуть бути поліедридні (в виді правильного багатогранника), рівноосноми (однаковими у всіх напрямах), витягнутими, стовпчастими чи пластинчатими (рис.3).

 

а б в г

Рисунок 3. – Схеми структур однофазних сплавів. Форма зерен: а – поліедридна; б – рівноосна; в – витягнута; г – пластинчата .

 

Двохфазна чи багатофазна структура характерна для сплавів з обмеженою розчинністю компонентів. Якщо в сплаві вміст розчиненого компоненту перебільшує його граничну розчинність в основному металі (розчиннику) при певній температурі, то утворюється структура, що складається з матриці (основного твердого розчину) і виділених фаз другого твердого розчину. Таку структуру називають гетерогенною або матричною. Гетерогенна структура типова для сплавів на основі твердого розчину металу-розчинника і розчиненої хімічної сполуки.

В твердому стані можуть відбуватися два типи фазових перетворень, які формують структуру сплаву. По-перше, твердий розчин потерпає вторинну кристалізацію гетерогенних зерен. По-друге, формування структури відбувається внаслідок зміни температури чи зменшення розчинності компонентів при зниженні температури. Тоді в сплавах вторинна (надлишкова) фаза при повільному охолодженні виділяється по границям зерен у виді досить крупних новоутворень, або при швидкому охолодженні у вигляді сітки (оболонки) виділеної фази по границям матричних зерен (рис.4).

 
 

 


Рисунок 4. – Схеми структур двохфазних сплавів: а – виділення всередині зерен; б – виділення по границям зерен; в – виділення у вигляді сітки.

В певних умовах кристалізації при постійній температурі і заданій концентрації компонентів в самостійну структурну складову можуть виділитися дві чи більші окремі фази, що являють собою механічну суміш. Такі механічні суміші утворюються шляхом зростання зерен між собою. При виділенні з рідкої фази механічну суміш називають евтектикою чи перетектикою, а при вторинній кристалізації – евтектоїд.

Евтектика представляє собою пластинки структурних компонентів, утворених з двох чи більше фаз, які рівномірно чергуються. Інколи в евтектиці фази хаотично розмішені, або можуть бути присутні окремі кристали твердого розчина чи хімічних сполук. Структури евтектики і евтектоїду схожі, але останній більш дисперсний.

 

5.5. Діаграми стану сплавів

Стан сплаву залежить від зовнішніх умов (температури, тиску) і характеризуються числом і концентрацією утворених фаз. Для опису фазового складу і процесів фазових перетворень в сплавах використовують діаграми стану.

Діаграма стану (фазової рівноваги) сплаву – графічне зображення співвідношення між параметрами стану (температурою, тиском, складом) термодинамічно рівноважної системи. Діаграма стану характеризує кінцевий або граничний стан сплавів, коли всі фазові перетворення повністю завершилися. Будують діаграми за результатами експериментальних досліджень, частіше аналізом критичних точок термодинамічних кривих охолодження сплавів.

Діаграми стану двохкомпонентних систем це плоске зображення в системі температура – концентрація. Лінії діаграми, що з’єднують характерні критичні точки, характеризують фазові перетворення в сплаві і відокремлюють області існуванні рівноважних фаз.

Вид діаграми компонентів визначається взаємодією її компонентів в рідкому і твердому стані, і наявністю поліморфних перетворень. Виділено три основних типи діаграм:

- першого типу – компоненти необмежено розчинюються один в одному в рідкому стані і не розчиняються в твердому стані (рис. 5, а);

- другого типу – компоненти сплаву необмежено розчиняються один в одному в рідкому і твердому стані (рис. 5, б);

- третього типу – компоненти необмежено розчиняються в рідкому стані і обмежено розчиняються в твердому стані, при цьому можуть утворюватися хімічні з'єднання (рис. 5, в).

а б в

Рисунок 5. – Діаграми стану сплавів: а – першого типу; б – другого типу; в – третього типу.

По діаграмі конкретного сплаву можна визначити температури кристалізації і перетворень в твердому стані і структуру при заданих умовах, що дозволяє оцінити механічні, фізичні, хімічні властивості сплаву і правильно призначити технологічні режими термічної обробки, обробки тиском, зварювання і в кінцевому, раціонально обрати матеріал для тих чи інших виробів в залежності від поставлених вимог.

 

Лекція 4

6. Склад, будова та структура полімерних речовин.

6.1. Класифікація однорідних полімерних речовин

При класифікації полімерів враховують походження, фізичний стан, електричні властивості і відношення до нагріву.

За походженнямоднорідні полімерні речовини ділять на природні і штучні (синтетичні).

Природні полімери - білки і нуклеїнові кислоти, з яких побудовані клітини живих організмів, природні смоли (янтар, копал, шелак), натуральний каучук, целюлоза, слюда, азбест, природний графіт і ін.

Синтетичні полімери утворюються в результаті хімічного синтезу. Існує два основні методи їх отримання - полімеризація і поліконденсація.

За фізичним станомдля полімерів виділяють скловидний, високо еластичний і в'язкотекучий стан.Через високу молекулярну масу полімери не здатні утворювати низько в'язкі рідини або переходити в газоподібний стан.

По електричним властивостямполімери діляться на полярні і неполярні. Полярність визначається наявністю диполів і несиметричністю їх в будові. В неполярних полімерах дипольні моменти зв'язків атомів компенсуються, тому вони є високо якісними діелектриками.

По відношенню до нагрівурозрізняють термопластичніі термореактивніполімерні речовини.

Термопластичними називають такі полімери або пластмаси, які з підвищенням температури розм'якшуються, плавляться, при формуванні не зазнають ніяких хімічних змін, у міру охолоджування тверднуть і зберігають здатність пластично деформуватися при повторному нагріві.

Термореактивними називають такі полімери і пластмаси, які при нагріві і формуванні зазнають істотних хімічних змін, тверднуть і втрачають здатність пластично деформуватися при повторному нагріві.

 

6.2. Будова полімерних речовин

До групи однорідних полімерних речовин відносяться мономери, олігомери, смоли і власне полімери.

Мономер- речовина, кожна молекула якої може утворювати одну або декілька складових ланок, які повторюються.

Олігомер- речовина, молекули якої містять складові ланки, сполучені чином, що повторюється, один з одним, а комплекс властивостей змінюється при додаванні (або видаленні) одного або декількох складових ланок.

Смола- твердий, напівтвердий або псевдо твердий органічний матеріал, який має визначену і звичайно відносно високу молекулярну масу і який під впливом тепла розм'якшується або плавиться в певному діапазоні температур.

Полімер- речовина, що характеризується багатократним повторенням одного або більш складових ланок, сполучених між собою в кількості достатній для прояву комплексу властивостей, який залишається практично незмінним при додаванні або видаленні одного або декількох складових ланок.

Будову полімерних речовин визначають молекули.

Молекула- якнайменша частинка речовини, що володіє його основними хімічними властивостями, яка складається з атомів, сполучених між собою хімічними зв'язками. Число атомів в молекулах складає від двох (Н2, О2, КС1) до сотень і тисяч.

Атоми в молекулі зв'язані між собою в певній послідовності і певним чином розташовані в просторі. Розташування атомів в молекулі завжди володіє певною симетрією. Загальні характеристики молекули - молекулярна маса, склад і структурна формула, що вказує на послідовність хімічних зв'язків.

Молекула полімерної речовини, що складається з тисяч і одиниць (однакових або близьких по будові груп атомів), що більш повторюються, називається макромолекулоюі її хімічна будова практично відповідає хімічній будові структурної одиниці. Елементами макромолекули є основний ланцюг, складова ланка і бічні групи

Під основним ланцюгомполімеру розуміють таку послідовність хімічно зв'язаних атомів, яка має істотно більшу довжину, ніж довжина бічних груп.

Складова ланка- група атомів, за допомогою якої можна описувати будову всього ланцюга макромолекули, що виділяється.

Бічними групами (радикалами) є атоми (водню, галогенів), групи атомів (ОН, СN, - С6Н5 і ін.) або відрізки полімерних молекул різної довжини. Бічні групи уздовж головного ланцюга можуть розташовуватися безладно (атактично) або мають впорядковану розстановку. Полімери з впорядкованою розстановкою бічних груп називаються регулярними.

По хімічному складу основного ланцюга існує класифікація на органічні, элементорганічні і неорганічні полімерні речовини.

В органічних полімерних речовинах (карболанцюгові полімери, каучук) основний ланцюг утворений, головним чином, вуглецевими атомами. Разом з вуглецем, в них можуть бути присутні атоми кисню, фосфору, фтору, хлору чи сірки. Атоми кисню сприяють підвищенню гнучкості ланцюга, атоми фосфору і хлору підвищують вогнестійкість, атоми сірки додають газонепроникність, атоми фтору надають полімеру високу хімічну стійкість.

Елементорганічні (гетеро ланцюгові) полімерні речовини містять у складі основного ланцюга, окрім вуглецю, атоми неорганічних елементів (А1, Тi, Si і ін.), що поєднуються з органічними радикалами СН3, С6Н3, СН2 і ін. Атоми неорганічних елементів, знаходячись в основному ланцюзі, істотно впливають на властивості полімерів, наприклад, збільшують теплостійкість. Органічні радикали в таких полімерах додають матеріалу міцність і еластичність. Елементорганічних полімерів в природі не зустрічається. Їх одержують штучним шляхом, наприклад, кремнійорганічні з'єднання.

Неорганічні полімери - полімери, основний ланцюг яких не містить вуглецю, не має органічних бічних груп. Основний ланцюг неорганічних полімерів складений з оксидів кремнію, алюмінію, магнію, кальцію і ін. Виняток становлять деякі модифікації вуглецю, вуглецеві ланцюгові неорганічні полімери, (графіт). Неорганічні полімери відрізняються більш високою густиною і тривалою теплостійкістю, але вони не можуть існувати у високо еластичному стані, крихкі і погано переносять динамічні навантаження. Неорганічні полімери можуть мати природне (азбест) і штучне (кераміка) походження.

Макромолекули можуть бути побудовані з однакових по хімічному складу (мономери)або різних (сополімери) складових ланок.

В макромолекулах полімерних речовин існують наступні види зв'язків: ковалентні (хімічні) і водневі зв'язки, а також Ван-дер-ваальсова взаємодія. Ковалентні і водневі зв'язки реалізуються між атомами основного ланцюга; Ван-дер-ваальсова взаємодія розповсюджується на атоми основного ланцюга і бічних груп також на зв'язок макромолекул в цілому.

6.3. Види структури полімерів та їх характеристика

Макромолекули полімерів утворюють певну просторову конфігурацію. По виду цієї конфігурації розрізняють чотири групи будови полімерів: лінійну, розгалужену, стрічкову (сходову) і сітчасту (рис. 6). Просторова конфігурація макромолекул визначає фізичні стани і властивості полімерів.

а б в г

Рисунок 6. – Форми макромолекул полімерів: а – лінійна; б – розгалужена; в – сходова (стрічкова); г – сітчаста.

Лінійні макромолекули полімеру є довгими зигзагоподібними або закрученими в спіраль ланцюжками (глобули).

Розгалужені макромолекули, будучи також лінійними, відрізняються наявністю бічних відгалужень, що перешкоджає їх щільній упаковці (поліізобутилен).

Полімери, що мають лінійну або розгалужену конфігурації макромолекул (поліетилен, полівінілхлорид, полістирол і ін.), при нагріванні володіють здатністю розм'якшуватися, а при охолоджуванні тверднути називають термопластичні. Лінійній конфігурації макромолекул відповідають високо еластичний (макромолекула володіє здатністю згинатися) і в'язкий (вся макромолекула рухома) стани.

Макромолекула стрічкового полімеру складається з двох ланцюгів, сполучених хімічними зв'язками. Сходові полімери мають більш жорсткий основний ланцюг і володіють підвищеною теплостійкістю, більшою жорсткістю, вони не розчинні в стандартних органічних розчинниках (кремнійорганічні полімери).

Полімери з сітчастою просторовою конфігурацією макромолекул утворюються при з'єднанні макромолекул між собою в поперечному напрямі міцними хімічними зв'язками безпосередньо або через бічні групи. В результаті утворюється сітчаста структура з різною густиною сітки. Рідко сітчасті полімери втрачають здатність розчинятися і плавитися, вони володіють пружністю (м'які гуми). До сітчастих полімерів відносяться також пластинчаті полімери (наприклад, графить). Густо сітчасті (просторові) полімери відрізняються твердістю, підвищеною теплостійкістю, нерозчинністю. Просторові полімери (фенол-формальдегіди, поліефірні і ін.) знаходяться тільки в скловидному стані і є термореактивними, вони не можуть зворотно змінювати свої властивості і при нагріванні перетворюються на неплавкі і нерозчинні речовини, не здібні до повторного формування.

При сітчастій конфігурації макромолекул в полімерах реалізується надмолекулярна структура, тобто певні форми впорядкування: а саме, глобули (клубки), пачки, стрічки і пластини.

Впорядкованість в структуроутворенні визначається гнучкістю лінійних і розгалужених макромолекул, здатністю їх міняти форму, переміщатися по частинах; великий вплив надають жорсткість ланцюга і сили міжмолекулярного тяжіння. Надмолекулярна структура визначає фазовий стан полімерів при цьому глобулам відповідає аморфний стан, а пластинам кристалічний.

Надмолекулярні структури в кристалічному полімері - це кристали (зерна) різної форми і розмірів, але з однаковими кристалічними ґратами.

Для кристалічних полімерів характерні високі температура плавлення, густина, міцність, жорсткість, теплостійкість і низькі показники розчинності, набухання, погані прозорість і проникність.

Аморфні полімери характеризується ближнім впорядкуванням в розташуванні ланок або сегментів макромолекул, швидко зникаючим у міру їх видалення один від одного.

В більшості випадків реальні полімери містять і аморфну, і кристалічну фази. Відносний зміст цих фаз залежить від форми ланцюга, величини міжмолекулярних сил і зовнішніх умов. Вміст в полімері (у відсотках) речовин в кристалічному стані називається ступенем кристалічності. Утворення кристалітів приводить до втрати полімером еластичності, до збільшення його жорсткості і зменшення здібності до деформації. Надмолекулярні структури можуть змінюватися при зовнішній дії.

 

Лекція 5

 

7. Загальні властивості матеріалів.

Властивості матеріалів являють собою об’єктивну особливість, надану від природи чи в процесі виробництва, що проявляється при експлуатації. Основні групи властивостей: фізичні, хімічні, механічні, біологічні, функціональні, ергономічні, гігієнічні, естетичні тощо. Більшість властивостей пов’язані між собою і визначаються природою і будовою матеріалу.

 

7.1. Хімічні властивості

Хімічні властивості – характеризують відношення матеріалу до дії різних середовищ. Хімічні властивості слід враховувати при виготовленні виробів санітарно-технічного призначення, оздоблювальних, будівельних, кроквяних матеріалів. До них відносять:

- кислотостійкість – характеризує реакцію матеріалів до дії кислот;

- інсоляція – стійкість до світло погоди, характеризує реакцію матеріалу до дії сонячних променів, впливу навколишнього середовища;

- корозійна стійкість – здатність матеріалу опиратися хімічному та електрохімічному впливу середовища, тобто його частковому розчиненню;

- жаростійкість – здатність матеріалу зберігати експлуатаційні характеристики, цілісність, протистояти окисленню при високих температурах.

7.2. Фізичні властивості.

Фізичні властивості – це внутрішні, притаманні даному матеріалу чи речовині особливості, що зумовлюють його різницю чи спільність з іншими речовинами чи матеріалами, і що проявляються як відповідна реакція на дію зовнішніх фізичних полів чи середовищ. Фізичні властивості поділяють на групи в залежності від виду фізичного впливу.

 

7.2.1. Фізичні властивості, що характеризують зміну агрегатного стану матеріалу.

Температура – фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги системи. Температура незалежно від маси і хімічного складу характеризує енергію руху молекул. Зі зміною температури відбувається зміна агрегатного стану речовини. Розрізняють:

- температура плавлення (Тпл) – температура переходу кристалічного матеріалу в рідкий стан при постійному зовнішньому тиску;

- температура кристалізації (затвердіння) (Ткр) – температура переходу з рідкого стану в твердий кристалічний стан матеріалу;

- температура кипіння (Ткп) – температура рівновісного переходу рідини в газовий стан при постійному зовнішньому тиску.

 

7.2.2. Термічні властивості

Термічні властивостіхарактеризують поведінку матеріалу при дії на нього теплової енергії. Вони мають практичне значення при оцінці якості матеріалу, що піддається в процесі експлуатації нагріванню та охолодженню.

Теплоємкість – характеризує кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання матеріалу на 1ºС в певному інтервалі температур.

Теплопровідність – здатність матеріалу передавати теплоту з середини, чи від однієї поверхні матеріалу до іншої, чи назовні. Залежить від хімічного складу, структури, пористості, вологості. Теплопровідність має практичне значення при виборі теплоізоляційних матеріалів, трубопроводів, багатьох будівельних матеріалів.

Термічне розширення характеризує здатність матеріалу змінювати свої розміри при збільшенні (зменшенні) температури. Враховується для вогнестійких матеріалів, силікатних, керамічних. Поділяється на лінійне та об'ємне розширення.

Термічна стійкість – здатність матеріалу зберігати свої властивості при різких коливаннях температури. Має значення при оцінці якості вогнестійких матеріалів, скла, кераміки, надає значного впливу на їх довговічність.

Вогнестійкість характеризує здатність матеріалу опиратися загорянню та дії вогню. Матеріали поділяють на не горючі, важко горючі, легко горючі.

 


Дата добавления: 2015-04-04; просмотров: 175; Нарушение авторских прав


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
ДЕРЖАВНого ВИЩого НАВЧАЛЬНого ЗАКЛАДу | Характеристики маси
lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2017 год. (0.044 сек.) Главная страница Случайная страница Контакты