Старение

Старение − изменение физико-химических свойств материала, протекающее либо самопроизвольно, в процессе достаточно длинной выдержки при комнатной температуре (естественное старе­ние), либо при нагреве (искусственное старение).

Старение обычно обусловлено недостаточно стабильным со­стоянием материала и постепенным его переходом в стабильное. Старение материала может приводить как к улучшению, так и ухуд­шению отдельных свойств материалов. Во многих случаях техноло­гическими процессами предусматриваются операции искусственного старения материалов с целью улучшения их свойств.

К старению металлов и сплавов следует относить все процессы изменения во времени их свойств, связанные с превращениями метал­лов и сплавов в твердом состоянии. К основным видам превращений в твердом состоянии относятся: аллотропическое превращение, мартенситное превращение и распад мартенситной структуры, растворение в твердом состоянии и распад пересыщенных твердых растворов, упорядочение и разупорядочение твердых растворов, образование твердого раствора из эвтектоидной смеси.

Эти процессы можно разделить на две группы:

1) превращения, связанные с изменением кристаллического строения (протекающие без изменения химического соста­ва образующихся при этом превращении фаз);

2) превращения, сопровождающиеся образованием фаз с из­мененным химическим составом.

Наибольшее значение для металлов и сплавов имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (процессы выделения) и распадом мартенситной структуры (тем более, что чистые металлы применяются очень редко). Эти процессы обу­словлены метастабильным состоянием сплава в результате техноло­гической обработки, вызывающей искажения кристаллической решетки(например, закалки, наклепа и др.). Старение сопровождается самопроизвольным переходом сплава из метастабильного состояния в стабильное, характеризующееся более низким уровнем внутренней энергии.

При старении полимеров изменяются химический состав, молекулярный вес, характер взаимодействия макромолекул и структура, определяющие физико-химические свойства этих материалов, − проч­ность, твердость, пластичность, эластичность, растворимость, элек­трические свойства и др.

Старение полимерных материалов обусловлено в основном процессами деструкции и сшивания макромолекул полимера.

Деструкция − процесс, протекающий в полимерном материале с раз­рывом химических связей в основной цепи макромолекулы и приводящий к уменьшению степени полимеризации и (или) числа поперечных химических связей.

Деструкция происходит под влиянием физических (тепло, свет, иони­зация и др.) и химических (кислород, озон, вода и др.) факторов. Физиче­ские факторы оказывают влияние на перемещения макромолекул или их сегментов, а химические — вызывают разрыв химических связей, уменьше­ние размеров макромолекул, часто взаимосвязанное с изменением их хими­ческого состава. Если преобладает деструкция, то полимер (например, на­туральный каучук) размягчается, выделяются летучие вещества.

Сшивание макромолекул − образование поперечных химических связей между макромолекулами.

При сшивании макромолекул с ростом числа поперечных связей уменьшается растворимость полимеров, повышаются твердость, хруп­кость, наблюдается потеря эластичности и вязкости (полистирол, бутадие­новый каучук и др.).

Таким образом, деструкция и сшивание макромолекул оказывают прямо противоположное влияние на свойства полимера. Для конкретных условий эксплуатации различают следующие виды старения полимерных материалов: термическое, световое, окис­лительное, озонное, радиационное, химическое, электрическое, ультразвуковое, при воздействии биоло­гических или механических факторов, климатическое, в космосе, в воде, во влажной среде, в живом организме, в почве, в грунте.

Механическое воздействие (например, многократная деформа­ция) ускоряет старение. Влага на старение полимеров действует менее существенно.

Электрическое старение полимерных диэлектриков (снижение электрической прочности, например, в кабелях, конденсаторах, об­мотках электродвигателей) может происходить при достаточно вы­соком напряжении путем ионизации под действием озона и оксидов азота, образующихся при этом. Такое старение протекает при посто­янном напряжении медленнее, чем при переменном напряжении.

В конструкции современных самолетов число резинотехниче­ских изделий составляет более 50 тыс. единиц; в изделиях электрон­ной техники количество неметаллических материалов достигает 60 % от общего количества применяемых материалов. Более 60 % из при­меняемых в технике полимерных материалов и лакокрасочных по­крытий разрушаются вследствие старения и биоповреждений или не сохраняют свои свойства.

Старению полупроводников способствуют субмикроскопиче­ские дефекты материала, микроскопические дефекты на их поверхно­сти, изменение температур, влажности, наличие примесей в материа­ле. При этом возможно уменьшение обратного напряжения пробоя, увеличение обратного тока и шума, микроплазменные эффекты и др.