Полимеры, пластмассы и композиты не их основе

Различные природные, искусственные (переработанные природные) и синтетические полимеры. Это высокомо­лекулярные соединения органической, элементоорганической (органические элементы с Si и др. неорганическими элементами) и неорганической (без углерода) природы. По отношению к температуре подразделяются на:

- термопластичные, которые претерпевают обратимый переход из твердого в вязкотекучее состояние при нагревании. Обычно имеют линейную или разветвленную структуру макромолекул;

- терморе­активные – такого перехода нет. Имеют разветвленную или пространственную структуру.

Полимеры образуются по реакциям полимеризации(полимеры имеют ту же структуру, что и исходный мономер, например, полиэтелен, полистерол) и поликонденсации (в ходе образования полимеров выделяется побочный продукт). Количество молекул мономера в макромолекуле называется степенью полимеризации (обычно она = 10³-10⁴). Если n<1000, образуется жидкий полимер.

Механические свойства полимеров зависят от их структуры (линейные и разветвленные – пластичные и мягкие, а пространственные – более твердые и жесткие), физического состояния, температуры и других факторов.

По степени упорядочения молекул различают стеклообразные, частично кристаллические и аморфные полимеры. Для полимеров с линейной и разветвленной структурой характерно деформационное упрочнение, при котором молекулы ориентируются по направлению силы. σ_В в этом направлении возрастает в 3-5 раз и уменьшается на 30-50% в перпендикулярном направлении.

Чистые полимеры обладают низкими прочностными свойствами и малой теплостойкостью. В качестве силовых конструкционных материалов используются многокомпонентные пластические массы, в которых полимер является основой (связкой) для наполнителей (порошки, волокно, лист), стабилизаторов (замедление процесса старения полимера), красителей, пластификаторов и др. Наибольшее распространение имеют пластмассы на основе термореактивных смол, полиэфиров, аминопла­стов.

В качестве порошковых наполнителей используется древесная мука, Al₂О₃, графит, металлическая пудра и др. Порошковые пластмассы имеют невысокие механические свойства и используются для изготовления изоляционных элементов, литейных моделей и деталей, не подвергающихся силовым нагрузкам.

В качестве волокнистых наполнителей применяются очесы хлопка, стекловолокно, асбест и др. Пластмассы на их основе обладают более высокими механическими свойствами (σ_В до 100 МПа). Используются для изготовления средненагруженных деталей, электроизоляционных элементов, литейных моделей и др. Если наполнитель имеет упорядоченную структуру, для них характерна анизотропия свойств.

Пластики со слоистым наполнителем (бумага, хлопчатобумажная, шелковая и стеклоткань) относятся к силовым. Так, стеклотекстолиты по прочности не уступают цветным металлам, обладают высокой теплостойкостью (Т_РАБ до 320⁰С для пластмасс на основе кремнийорганических смол). Для них характерна также сильная анизотропия свойств. Ннапример, электрическая прочность по направлению листа в 50-70 раз меньше, чем в перпендикулярном ему направлении, для механических свойств наоборот, σ_В в параллельном направлении ≈ 800 МПа, а в перпендикулярном – 80-150 МПа.

Из таких материалов изготавливают конструктивные элементы, подвергающиеся высоким нагрузкам, печатные платы, изоляционные элементы и др. В качестве основы в силовых пластиках используется также фенолформаль­дегидные и эпоксидные смолы. Материалы этого класса относятся к реактопластам, поэтому основные технологии их производства – горячее прессование. При изготовлении печатных плат широко используются фальгиро­ванные одно- и многослойные пластмассы этой группы.

Широкое применение при изготовлении тепло- и звукоизоляционных демпфирующих устройств, легких наполнителей имеют газонаполненные пластмассы. По структуре воздушного наполнителя различают: пенопласты (изолированные друг от друга и от внешней среды газовые поры); поропласты (ячейки между собой и внешней средой сообщаются) и сотопласты (воздушные ячейки в виде пчелиных сот или другой структуры). Полимеры в таких материалах образуют стенки ячеек и пор с газом-наполнителем. Плотность этих материалов очень низкая (0,01-0,3 г/см³).

Композиционные материалы на неметаллической матрице подобны волокнитам и слоистым пластикам, но в качестве матрицы в них могут использоваться как полимерные, так и углеродные и керамические материалы. В качестве упрочнителя служат B, Ti и стальные волокна и проволоки, а такжежгуты на основенитевидных кристаллов, нитридов, боридов, окислов. Структура упрочнителя может быть одно-, двух- и трехмерной (объемное переплетение). Эти материалы обладают высокой прочностью, химической и теплостойкостью, пластичностью, ударовязкостью. Обычно σ_В этих материалов 700-1300 МПа, но может достигать значений 2000-2500 МПа.