Оловянные бронзы

Наиболее древние бронзовые артефакты были обнаружены археологом Веселовским в 1897 году в районе реки Кубань (т.н. Майкопская культура). Бронза майкопских курганов в основном представлена сплавом меди с мышьяком. Постепенно знания о прочном и пластичном металле распространились на Ближний Восток и Египет. Здесь, после перехода к оловянно-медному сплаву, бронза обрела положение одного из важнейших декоративных материалов.

Олово на механические свойства меди влияет аналогично цинку: повышает прочность и пластичность. Сплавы меди с оловом обладают высокойантикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Этим обусловливается применение бронз в химической промышленности для изготовления литой арматуры, а также в качестве антифрикционного материала в других отраслях.

Оловянная бронза хорошо обрабатывается давлением и резанием. Она имеет очень малую усадку при литье: менее 1 %, тогда как усадка латуней и чугуна составляет около 1,5 %, а стали — более 2 %. Поэтому, несмотря на склонность к ликвации и сравнительно невысокую текучесть, бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Оловянные бронзы знали и широко использовали ещё в древности. Большинство античных изделий из бронзы содержат 75—90 % меди и 25—10 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Они не утратили своего значения и в настоящее время. Оловянная бронза — непревзойдённый литейный сплав.

Оловянные бронзы легируют цинком, никелем и фосфором. Цинка добавляют до 10 %, в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле. Оловянная бронза с добавлением цинка называется «адмиралтейской бронзой» и обладает повышенной коррозионной стойкостью в морской воде. Из нее делались, например, астролябии и другие штурманские инструменты для мореплавания. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства бронзы и её обрабатываемость резанием.

[править]Безоловянные бронзы

В силу высокой стоимости олова были найдены заменители оловянной бронзы. Они содержат олово в меньшем количестве по сравнению с ранее применявшимися бронзами или не содержат его совсем.

В древности иногда использовался сплав меди с мышьяком — мышьяковистая бронза, в некоторых культурах использование мышьяковистой бронзы даже предшествовало выплавке оловянной. Использовались и сплавы, в которых мышьяком замещалась лишь часть олова.

В настоящее время существует ряд марок бронз, не содержащих олова. Это двойные или чаще многокомпонентные сплавы меди с алюминием, марганцем, железом, свинцом, никелем, бериллием и кремнием. Величина усадки при кристаллизации у всех этих бронз более высокая, чем у оловянных.

По некоторым свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянные. Алюминиевые, кремниевые и особенно бериллиевые бронзы — по механическим свойствам, алюминиевые — по коррозионной стойкости, кремнецинковые — по текучести. Алюминиевая бронза благодаря красивому золотисто-жёлтому цвету и высокой коррозионной стойкости иногда также применяется как заменитель золота для изготовления бижутерии и монет^[2].

Прочность алюминиевой и бериллиевой бронзы может быть увеличена при помощи термической обработки.

Также необходимо упомянуть сплавы меди и фосфора. Они не могут служить машиностроительным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они являются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатуры при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскисления сплавов на медной основе.

73. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в ко­торых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т. п.

В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением). Латуни содержат до 40—45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7—9%.

Сплав обозначают начальной буквой Л — латунь. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц — цинк, О — олово, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 алюминевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных металлов, подразделяют на литейные и деформируемые.

Литейные латуни (ГОСТ 17711—72) предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек (см. табл.).

Деформируемые латуни выпускают (ГОСТ 15527—70) в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. Латуни поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Латуни широко применяют в общем, и химическом машиностроении.

74.

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью — около 2,7 г/см3, высокой теплопроводностью и высокой электропроводностью 13,8 • 107 Ом/м, хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью. Алюминий образует сплавы со многими элементами. В сплавах алюминий сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии Al жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке. Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (~ 1670000Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при: нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Al соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом алюминий покрывается тонкой (толщиной ~ 0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому Al стоек против коррозии. Поверхность Al хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии. Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий и силумины. В состав дюралюминия, кроме Al, входят 3,4-4% меди, 0,5% Mn и 0,5% Mg, допускается не более 0,8% Fe и 0,8% Si. Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия 2,85 г/см3). Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147—216 МПа до 353 — 412 МПа, а твердость по Бринелю с 490-588 до 880-980 МПа. При этом относительное удлинение дюралюминия почти не изменяется и остается достаточно высоким (18—24 %). Силумины — литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами. Применение Алюминий и сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе в авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, в ядерной энергетике и электронике. Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов. Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в черной металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.). По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место после железа.

75. Алюминиевые сплавы, наряду с сохранением достоинств алюминия, обладают значительно более высокой прочностью и требуемыми эксплуатационно-технологическими характеристиками.

Основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Cu, Zn, Mg, Mn, Zr. В условиях равновесия алюминиевые сплавы представляют собой равновесный твердый раствор с выделениями интерметаллидных фаз типа CuAl₂
(q -фаза), Al₂CuMg (S-фаза), Al₆CuMg₄ (Т-фаза) и др. Помимо основных элементов в сплавы вводят малые добавки Cr, Zr, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы, которые существенно влияют на кинетику распада пересыщенного твердого раствора, на процесс рекристаллизации и размер зерна, на коррозионные и технологические свойства.

Большое влияние на технологические, особенно литейные свойства, в частности на пластичность и склонность к кристаллизационным трещинам, оказывают уровень и соотношение постоянно присутствующих примесей железа и кремния. При уменьшении содержания этих примесей и, соответственно, количества грубых первичных интерметаллидов в сплавах существенно повышаются характеристики пластичности и вязкости разрушения. Поэтому для техники ответственного назначения, в том числе для авиакосмической, разработаны сплавы с жестким ограничением по примесям, которые в марке имеют обозначение «ч» — чистые; «пч» — повышенной чистоты; «оч» — особой чистоты.

Состав промышленных алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784–97, ГОСТ 1583–93 и др.), структура и свойства изделий из них в значительной степени определяются способом производства. По способу производства алюминиевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые и литейные.

По способности к упрочнению термической обработкой алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые термообработкой (см рис 16.1).

Рис. 16.1 Типовая диаграмма состояния сплавов Al—легирующий элемент (схема):
Д — деформируемые сплавы; Л — литейные сплавы; I — сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II — сплавы, упрочняемые термической обработкой

В зависимости от уровня прочности, технологических свойств и назначения алюминиевые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности; ковочные, заклепочные, свариваемые; коррозионностойкие, жаропрочные, криогенные, со специальными физическими свойствами (например, пониженной плотности) и др

76. Дюраль или дюралюминий — сплав алюминия, основными легирующими элементами которого являются медь (4,4% массы), магний (1,5%) и марганец (0,5%). Дюраль листовая отличается высокой прочностью, достигающейся за счет термообработки: закалки и естественного или искусственного старения. Также листы дюралевые характеризуют высокая статическая прочность — до 450-500 МПа, высокая усталостная прочность и вязкость разрушения. Главный недостаток дюралюминия листового — низкая коррозионная стойкость, поэтому для защиты от коррозии дюраль листовую плакируют чистым алюминием. Первое применение дюралюминия — изготовление каркаса дирижаблей жёсткой конструкции, с 1911 года — более широкое применение. Состав сплава и термообработка в годыПервой мировой войны были засекречены. Благодаря высокой удельной прочности дюралюминий начиная с 1920-х годов становится важнейшим конструкционным материалом в самолётостроении.

Плотность сплава 2500—2800 кг/м³, температура плавления около 650 °C. Сплав широко применяется в авиастроении, при производстве скоростных поездов (например поездов Синкансэн) и во многих других отраслях машиностроения (так как отличается существенно большей твёрдостью, чем чистый алюминий).

После отжига (нагрева до температуры около 500 °C и охлаждения) становится мягким и гибким (как алюминий). После старения (естественного — при 20 °C — несколько суток, искусственного — при повышенной температуре — несколько часов) становится твёрдым и жёстким.

В настоящее время сплавы алюминий — медь — магний с добавками марганца — известны под общим названием дюралюмины. В их число входят сплавы следующих марок: Д1, Д16, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1. Дюралюмины упрочняются термообработкой; подвергаются, как правило, закалке и естественному старению. Характеризуются сочетанием высокой статической прочности (до 450—500 МПа) при комнатной и повышенной (до 150—175 °C) температурах, высоких усталостной прочности и вязкости разрушения^[3].

Недостаток дюралюминов — низкая коррозионная стойкость, изделия требуют тщательной защиты от коррозии. Листы дюралюминов, как правило, плакируют чистым алюминием.

77. Химический состав и механические свойства некоторых промышленных литейных сплавов приведены в табл. 13.4. Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (Аl-Si, Аl-Сu и Аl-Mg). Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Аl-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах А1 - Si эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 13.6, а),
в легированных (АК9ч и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики. Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5 - 6 % Si. Для легирования силуминов часто используют Mg, Сu, Mn, Ti; реже — Ni, Zr, Сr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515 - 535°С, температура старения — в интервале 150 - 180°С. Грубокристаллическая структура литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5 - 10 ч) и при старении (10-20 ч). Переходные металлы, например, Mn, Ti, Zr, способствуют получению пересыщенных твердых растворов при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вызывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной закалки.

Из легированных силуминов средней прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АК7ч), магния и марганца (АК9ч). Наибольшее упрочнение вызывает метастабильная β’-фаза (Mg2Si).

Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессора, картеров, головок цилиндров. Высокопрочный сплав АК8М, разработанный в МВТУ им. Н.Э. Баумана, предназначен для литья под давлением. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозионной стойкостью Марганец и титан, а также большак скорость кристаллизации при литье пол давлением способствуют получению метастабильной структуры при отливке деталей. Это дает возможность упрочнять отливки путем искусственного старения без предварительной закалки. Упрочнение вызывают θ- и β-фазы (CuAl2 и Mg2Si). Наилучшим является старение при 175°С в течение 8 ч, когда выделяются метастабильные θ’- и β'-фазы; при этой σв увеличивается на 30 - 40 МПа, НВ - на 18.

При изготовлении деталей другими методами литья сплав АК8М подвергают полной упрочняющей термической обработке — закалке от 515 ± 5°С и старению при 175 °С.

Сплав АК8М применяют для литья иод давлением нагруженных деталей, например блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных двигателей.

Сплавы системы AI-Сu (АМ4,5; AM5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах; они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Кал и деформируемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди (см. рис. 13 4, в). Эвтектика в данной системе (в отличие
от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое количество твердой и хрупкой θ-фазы (CuAl2), вызывающей хрупкость эвтектических сплавов.

Литейные и механические свойства сплавов системы Аl-Сu улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АМ5). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закатку наряду с растворением θ-фазы из твердого раствора выпадают мелкодисперсные частицы фазы Al12Mn2Cu, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Например, после закалки сплав АМ5 имеет следующие механические свойства:
σв = 320 МПа; σ0,2 = 180 МПа; δ = 9%; 80 НВ. При последующем искусственном старении происходит дальнейшее упрочнение сплава, вызываемое уже θ-фазой, так предел текучести увеличивается почти на 40%, достигая 250 МПа. Сплавы системы Аl-Сu используют для деталей, работающих при температурах до 300 °С.

Сплавы системы Аl-Mg (АМг, АМг10) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы А1 - Си, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повышенной чувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

78. Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см³, t_пл.=1668+(-)5°С, t_кип.=3260°С. Для технического титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4,32 г/см³. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапозоне температур (от -290°С до 600°С). В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 ° С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышеиием температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечення изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивлеиие, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10^-8 до 80·10^-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой. Применение титана

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO₂) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана — важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.

79. В полимерах можно реализовать в общем случае три агрегатных состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее, п два фазовых состояния: аморфное и кристаллическое.

Длинноцепное строение полимеров приводит к появлению ряда свойств, отсутствующих у низкомолекулярных веществ. Хотя межмолекулярные силы, определяющие энергию когезии полимеров в расчете на одно мономерное звено составляют величины того же порядка, что у низкомолекулярных жидкостей, полимеры не существуют в газообразном состоянии (температура их разложения значительно ниже температуры кипения). Кроме того, большинство полимерных молекул не являются жесткими, и выше температуры стеклования звенья макромолекул (по определению Куна, кинетические сегменты) участвуют в тепловом движении. Сегментальная подвижность обусловлена активированным вращением звеньев вокруг осей ординарных связей и деформацией валентных углов. Сегментальная подвижность зависит от природы силовых полей макромолекулы, от строения и геометрии цепи и заместителей у атомов углерода. Введение в полимерную цепь атома или группы, не имеющей заместителя, например кислорода, увеличивает сегментальную подвижность. Большие полярные заместители (фенильное кольцо в полистироле, ацильный радикал в поливинилацетате, атом хлора в поливинилхлориде) повышают энергию активации перемещения звеньев и снижают сегментальную подвижность. Поэтому такие полимеры при комнатной температуре находятся в стеклообразном состоянии.

У полимеров с высокой сегментальной подвижностью реализуется высокоэластическое состояние. Каучуки (эластомеры) находятся в высокоэластическом состоянии при обычной температуре, а некоторые пластики переходят в это состояние при повышенной температуре. Впрочем, у ряда аморфных полимеров (полистирола, поливинилхлорида) температурный интервал высокоэластичности настолько незначителен, что температуру стеклования и температуру плавления, соответствующую переходу полимера в пластичное или вязкотекучее состояние, разделяют всего несколько градусов.

Способность полимеров кристаллизоваться и формировать упорядоченные надмолекулярные структуры, открытая и изученная сравнительно недавно, причем особенно фундаментально в работах школы Каргина, представляет собой интересное и важное с технологической точки зрения явление.

Нерегулярно построенные и разветвленные полимеры обычно являются аморфными. Таковы все статистические сополимеры и многие гомополимеры, полученные по свободнорадикальному механизму. Более регулярно построенные полимеры, главным образом полученные методами стереоспецифической полимеризации, в той или иной мере склонны к формированию высокоупорядоченных надмолекулярных образований (кристаллитов, сферолитов и т. д.).

Степень кристалличности в технических полимерах может колебаться от 0 до 97 %, а из некоторых полимеров, например из поливинилового спирта, могут быть получены монокристаллы. Тот факт, что степень кристалличности полимеров практически никогда не достигает 100% (обычно она ниже 97% даже у хорошо кристаллизующихся полимеров), указывает на одновременное присутствие в полимере, и в частности в плепке кристаллизующегося полимера, двух фаз: кристаллической и аморфной. Их соотношение в значитель­ной мере определяет физико-механические и другие свойства изделий из кристаллизующихся полимеров.

В лакокрасочной технике, и особенно в технологии водных красок, используют главным образом аморфные или плохо кристаллизующиеся полимеры. Это связано с тем, что пленки с большим содержанием кристаллической фазы имеют плохую адгезию и высокие внутренние напряжения. Однако представление об аморфных полимерах как о совершенно неупорядоченных структурах в настоящее время отброшено благодаря работам школы Каргина и некоторых зарубежных ученых. Даже полностью аморфные полимеры харак­теризуются определенной надмолекулярной упорядоченностью, как и кристаллизующиеся низкомолекулярные жидкости, а в процессе эксплуатации полимерного материала эта упорядоченность может возрастать.

Очевидно, что надмолекулярная структура полимера «закодирована» в строении его молекулярной цепи. С точки зрения теории информации нерегулярные полимеры получепы в условиях сильного «шума», искажающего информацию, которая должна содержаться в строении цепи. Полимеры, формирующие упорядоченные надмолекулярные, в том числе и кристаллические, структуры имеют большой запас специфической информации. При их получении шумы сведены к минимуму. Одпако шумы не могут быть равны нулю даже при стереоспецифпческой полимеризации (потери информации происходят при каждом процессе, связанном с ее передачей), поэтому в каждом кристаллическом полимере имеется аморфная фаза, а полимеры, построенные из некристаллических, но упорядоченных полимолекулярных образований, всегда содержат и неупорядоченные участки. Такое положение характерно для низкомолекулярных тел (например, дефекты кристаллов), но в твердой фазе полимеров оно проявляется в большей степени.

В аморфных полимерах надмолекулярная организация останавливается на первичных надмолекулярных структурах, в кристаллических полимерах существует большое разнообразие усложняющихся структур. По последним данным, при значительном разнообразии структурных форм в полимерах можно отчетливо выделить четыре основные формы:

1. глобулярная – преимущественно в конденсационных полимерах;

2. полосатая – в эластомерах (каучуках);

3. фибриллярная – упорядоченная структура в аморфных полимерах, а также самая начальная стадия кристаллизации в кристаллических;

4. крупные структурные образования в кристаллических полимерах – сферолиты и единичные кристаллы (монокристаллы).

Формирование последнего вида структур неблагоприятно отражается на свойствах покрытий: происходит растрескивание из-за больших внутренних напряжений и понижение адгезии. Всегда благоприятно образование простых фибриллярных структур; полосатые, очевидно, занимают промежуточное положение.

Каргин и сотрудники показали, что в лаковых пленках аморфного сополимера бутилметакрилата с метакриловой кислотой в процессе старения возникают крупные надмолекулярные структуры, что приводит к ускоренной деструкции полимера под действием солнечного света. Некоторые кристаллические органические и металлорганические продукты усиливают эти процессы. Это необходимо учитывать в процессе эксплуатации любых лакокрасочных покрытий.

80. Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит(слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

§ высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)

§ высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)

§ высокая износостойкость

§ высокая усталостная прочность

§ из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

§ легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.