Металеве скло

Металеве скло – це аморфні метали, які отримують шляхом охолоджування розплаву з швидкістю, що перевищує 10⁶ – 10⁸ °С/с. В цьому випадку зародження і зростання кристалічної фази стають неможливими.

Отримання аморфної структури в принципі можливо для всіх металів. Найбільш легкий аморфний стан досягається в сплавах (з'єднаннях) А1, РЬ, Sn, Сu і ін. Для отримання металевого скла на базі Ni, Co, Fе, Мn, Сr до них додають неметали або елементи напівметалів C, Р, Si, Аs, S і ін, які називають аморфоутворювальні елементи. Аморфні сплави частіше відповідають формулі М₈₀Х_20, де М – один або декілька перехідних елементів, X – один або декілька неметалів або інших аморфоутворювальних елементів (Fе₈₀Р₁₃С, Ni₈₂Р_18, Ni₈₀S₂₀ і ін.).

Склоподібний стан – метастабільний. При нагріві, коли рухливість атомів зростає, протікає процес кристалізації, що поступово приводить метал (сплав) через ряд метастабільних в стабільний кристалічний стан.

Металеве скло володіє високою твердістю, великою міцністю і зносостійкістю. Так, для сплаву Fе₈₀Р₁₃С σ_т..о. = 3100 МПа, НV=760МПа; для сплаву Fе₈₀В₂₀ σ_т.о. = 3700 МПа, НV=1100МПа. Аморфні сплави Fе, Co, Ni з добавками аморфоутворювальних елементів В, C, Si, Р (15—25 %) можуть бути вельми ефективно використані як магнітно-м'які матеріали.

Магнітні властивості аморфного сплаву Fе₈₀Р₁₃С₇ перевищують властивості навіть кращих магнітно-м'яких матеріалів на основі нікелю (Нс = 6,37 А/м μ = 163000). Із-за дуже високого питомого електроопору аморфні сплави характеризуються дуже низькими втратами на вихрові струми — це їх головне достоїнство.

Область застосування металевих стекол поки що обмежена тим, що їх швидким охолоджуванням (гартом) з рідкого стану вдається отримати тільки у вигляді тонких стрічок (до 60 мкм) або дроту діаметром 0,5—20 мкм. Проте є широкі перспективи розвитку цієї групи матеріалів.

Лекція 18

22. Полімери та пластмаси.

22.1. Загальні відомості

Полімерні пластичні матеріали - штучні матеріали, що отримують на основі природних або синтетичних високомолекулярних полімерів шляхом формування тиском, при нагріві в розм'якшеному стані з подальшим переходом в твердий стан, сформованої маси при подальшому її нагріванні (термореактивні) або охолоджуванні (термопластичні). У інженерній практиці такі матеріали отримали найменування "пластмаси".

Пластмаса - матеріал, що є композицією полімеру або олігомеру різними інгредієнтами, що знаходиться при формуванні виробів у в'язкотекучому або пластичному станах, а при експлуатації - в скловидному або кристалічному станах.

Широке розповсюдження пластмас зумовили наступні їх достоїнства:

- необмежені запаси сировини;

- легкість переробки у вироби з невеликими трудовими витратами;

- комплекс цінних властивостей;

- мала собівартість.

Основні корисні властивості пластмас:

- невелика плотность10...20 кг/м3- 900 кг/м ³;

- низька теплопровідність;

- задовільна конструктивна міцність;

- хороші фрикційні і антифрикційні властивості;

- низька стиранність;

- діелектричні властивості;

- високі, оптичні властивості (безбарвність і прозорість органічних стекол);

- висока хімічна стійкість у ряді середовищ і несхильність корозії;

- хороші декоративні властивості (пластмаси забарвлюються в будь-які кольори і довго зберігають довговічність).

Цінною властивістю пластмас є легкість їх обробки для додання їм різноманітної, навіть найскладнішої форми за допомогою різних технологічних прийомів (литво, пресування, екструзія і ін.), які можуть бути механізовані і автоматизовані. Велика група пластмас дозволяє зварювати їх між собою і, таким чином, виготовляти складної форми труби і різні місткості.

До шкідливих властивостей пластмас слід віднести наступні:

- низька ударна в'язкість; підвищена повзучість;

- високий температурний коефіцієнт лінійного розширення;

- низька теплостійкість;

- здатність запалати або піддаватися деструкції під дією вогню;

- накопичення зарядів на поверхні виробів (потрібні антистатики);

- старіння;

- токсичність;

- пожежна небезпечність.

Загальна класифікація пластмас може бути дана за наступними ознаками: походженню полімерів, по складу і структурі, за походженням наповнювачів і їх вигляду, по пружних властивостях при нормальній температурі, по відношенню до нагріву і області застосування.

За походженням полімери, використовувані для виготовлення пластмас, діляться на природні і синтетичні. Природні полімери, у свою чергу, можуть бути: органічними і неорганічними.

По складу пластмаси можуть бути простими ненаповненими (чистий полімер) і складними наповненими, зокрема газонаповненими.

По структурі пластмаси ділять на гомогенні (однорідні) і гетерогенні (неоднорідні). Структура пластмас в першу чергу визначається їх складом.

Наповнювачі для пластмас за походженням розрізняють як органічні (бавовняні очоси, тканини, папір і ін.), неорганічні (слюда, кварц, скловолокно, мінеральна мука і ін.) так і газоповітря. По вигляду наповнювачі для пластмас діляться на порошкоподібних, волокнистих і листових.

По пружних властивостях при нормальній температурі розрізняють жорсткі (Е>1ГПа), напівжорсткі (Е = 1 ...0,4 Гпа), м'які (Е = 0,02...0,1 ГПа) і еластичні (Е < 0,02 ГПа). Прикладом жорстких пластмас є фено- і амінопласти; напівжорстких – поліаміди і пропилен; м'яких – полівініл і поліетилен, до еластичних відносять каучук.

По відношенню до нагріву пластмаси можуть бути термореактивними (реактопласти) і термопластичними (термопласти). До основних термопластичних полімерів відносяться поліетилен, полістирол, полівінілхлорид (вінілпласт) і ін. Термопластичні полімери, як правило, не поєднують з наповнювачами. Недоліком цих пластмас є незначна міцність і теплостійкість. Серед термореактивних полімерів найбільшого поширення набули фенолформальдегід, а також полиефирні та полісиліконові (кремнійорганічні) полімери. Термореактивні полімери володіють підвищеною теплостійкістю, проте для них характерні крихкість, велика усадка при виготовленні виробів (10... 15%).

По застосуванню пластмаси можна підрозділити на конструкційні загального і спеціального (фрикційні і антифрикційні, ущільнювачі, тепло- і електроізоляційні, хімічно стійкі, декоративні та інш.) призначення і з особливими фізико-хімічними властивостями (наприклад, оптично прозорі). Проте це ділення умовне, так одна та ж пластмаса може володіти різними властивостями.

Загальноприйнятої єдиної наукової класифікації пластмас не існує, один і той же вид пластмаси може мати різні фірмові назви, які не дають ніяких уявлень про властивості матеріалу.

Відповідно до ГОСТ 5752-51 пластмаси прийнято розділяти на 4 класи залежно від походження і способу отримання основних компонентів смол, що входять до складу пластмас, з підрозділом цих класів на групи по хімічній структурі смол-полімерів. Кожна група розділяється у свою чергу на види по хімічних і технічних найменуваннях пластмас.

- Клас А складають пластмаси на основі високомолекулярних з'єднань, що отримують ланцюговою полімеризацією. Пластмаси класу А підрозділяються на 9 груп і розділяються на 35 видів: етиленолоід, етиленоліт, хлорвінілоїд, хлорвініліт, ізобутиленопласт і ін.

- Клас Б включає пластмаси на основі високомолекулярних з'єднань, що отримують поліконденсациєю. Пластмаси класу Б підрозділяються на 7 груп, що включають 32 класи, серед яких феноліт, фенодереволіт, гумоасболіт, аміноцеллоліт, гліфтальслюдоліт і ін.

- Клас В складають пластмаси на основі природних хімічних модифікованих полімерів. У клас В входять 3 групи полімерів: полімери на основі білкових речовин, а також полімери на основі простих і складних ефірів целюлози. Ці групи роззуються на 7 видів (наприклад, метилцеллоплівка, етилцеллоліт і ін.).

- Клас Г складають пластмаси на основі природних і штучних асфальтів, а також смол, отримуваних деструкцією різних органічних речовин. Цей клас ділиться всього на три види: бітумоцеллоліт, пекоасболіт і бітуминоліт.

Додаткова класифікація пластмас побудована по убуваючому впливу наповнювача:

- клас 1 - з листовим наповнювачем (текстоліт, асботекстоліт, гетинакс, деревинно-шаруватий пластик, склотекстоліт, просочені тканини);

- клас II - з волокнистим наповнювачем (волокніт, прескрошка на основі текстилю, склотканини, деревного шпону, асбоволокнити на основі фенолформальдегідних смол, асбоволокнити на основі смол мочевино-мелавіно-формальдегідів і ін.);

- клас III - з порошковим наповнювачем (преспорошки загального призначення, преспорошки з високими електроізоляційними властивостями і ін:);

- клас IV - без наповнювача (полівілхлориди, полівінілацетати, полістирол і сопополімери і ін.);

- клас V - з газоповітряним наповнювачем (міпора, пінополівінілхлорид, пінополістирол, пінополіуретан, поролон і ін.);

- клас VI - наповнювачі будь-якого типу на основі епоксидних або поліефірних смол;

- клас VII - профільні пластмаси, а також стандартизовані вироби універсального призначення (труби, арматура і сполучні частини, устаткування і деталі, плівка і ін.).

22.2. Склад полімерних матеріалів.

До складу складних наповнених пластмас входять наповнювачі, пластифікатори і отверджувачі, а також різного роду добавки. Вигляд кожного з компонентів, їх поєднання і кількісне співвідношення визначають властивості пластмас і дозволяють змінювати характеристики в широких межах. Для отримання забарвлених пластмас використовуються пігменти.

Органічні і неорганічні наповнювачі використовуються у складі пластмас (40...70% по масі) для зниження їх вартості, а також поліпшення ряду технологічних споживчих властивостей - підвищення опірності усадці, міцності і твердості, зниження повзучості і ін.

Органічні наповнювачі підвищують міцність, знижують крихкість, але погіршують термо- і водостійкість пластмас. Мінеральні наповнювачі підвищують міцність, водостійкість, хімічну стійкість, тепло- і електроізоляційні властивості пластмас, але часто підвищують їх крихкість і щільність.

Наповнювачі можуть утворювати з полімером механічну суміш або вступати ним в хімічну взаємодію (білі сажа, органокремінезем). Активність наповнювача по відношенню до того, що полімерному пов'язує визначається його адсорбційною здатністю і ступенем полярності. За наявності хімічної взаємодії підвищується термостійкість полімерного матеріалу, а також його міцністні властивості.

Наповнювачі можуть вводитися до складу полімерного матеріалу і для додання необхідних фізико-хімічних властивостей, наприклад, азбестові наповнювачі - для поліпшення тепло-, водостійкості, хімічній стійкості і стійкості до високочастотних дій; наповнювачі на основі скловолокна - для більшої термостійкості, хорошій опірності тепловим ударам, поліпшення електроізоляційних властивостей. Порошкоподібних наповнювачів виготовляють на основі деревної муки, целюлози, слюди, тальку, кварцової муки, мела, графіту, каоліну і ін. Як волокна використовуються бавовняні, азбестові, скляні і полімерні волокна, а як листи - папір, тканини, деревна шпона, рогожки з скловолокна і ін.

Від вибору виду наповнювача багато в чому залежать механічні властивості полімерного матеріалу. Так, порошкоподібних наповнювачів підвищують твердість і межа міцності при стисненні; наповнювачі волокнистої структури збільшують міцність на вигин, особливо при динамічній дії навантаження; ще значніше підвищується міцність у разі використання листового наповнювача.

Пластифікатори застосовують для поліпшення сформованості і зменшення крихкості пластмас. Пластифікатори полегшують ковзання макромолекул один щодо друг одного в результаті підвищують гнучкість і еластичність полімерів, полегшують умови переробки пластмас. Як пластифікатори широко використовуються органічні речовини з високою температурою кипіння і низькою температурою замерзання (олеїнова кислота, стеарин).

Отверджувачі (1...3%) вводять в термореактивні пластмаси для прискорення процесу їх твердіння і утворення просторово-сітчастих структур. Отверджувачами є: сіра, різні аміни, органічні перекиси і ін.

Добавки-стабілізатори грають особливу роль у складі пластмас. Їх введення може забезпечити зміну яких-небудь властивостей: зменшення горючості (антипірени), статичних зарядів (антистатики), захист від цвілі (антисептики), термо- або світлостабілізація, прискорення (уповільнення) твердіння і ін. У необхідних випадках вводяться також речовини, що зв'язують шкідливі летючі продукти, що виділяються

Добавки-стабілізатори сприяють тривалому збереженню властивостей пластмас (перешкоджають старінню) в процесах їх експлуатації або зберігання.

Змащувальні речовини вводять для зменшення адгезії пластмасових виробів до металевих частин прес-форми.

Лекція 19

22.3. Характеристики деяких пластмас і виробів на їх основі.