Do zalet materiałów polimerowych zaliczane są:

mała gęstość, duża wytrzymałość mechaniczna w stosunku do masy, trwałość, odporność na czynniki atmosferyczne i środowiska aktywne, termostabilność, własności elektryczne, cieplne oraz duża zdolność kształtowania gotowych produktów w stosunkowo prostych procesach technologicznych.

Do wad materiałów polimerowych zalicza :

się niską odporność na pełzanie, ograniczony zakres temperatury długotrwałego użytkowania oraz problemy związane z procesami wtórnego wykorzystania i utylizacji zużytych produktów i elementów konstrukcyjnych.

Ze względu na własności reologiczne związane z procesami technologicznymi przetwórstwa, materiały polimerowe dzieli się na :

• Elastomery

• Plastomery

Elastomery to materiały polimerowe, które przy małych naprężeniach wykazują duże

odkształcenie (do 1000%) ich zakres temperatury użytkowania znajduje się w stanie

wysokosprężystym.

Materiały polimerowe wykazujące bardzo małe odkształcenia (mniejsze niż 1%) nazywane są plastomerami, a zaliczają się do nich termoplasty (amorficzne i krystaliczne) i duroplasty (chemoutwardzalne i termoutwardzalne).

Materiały polimerowe można sklasyfikować w trzech grupach zastosowań:

• masowe (np. PE, PP, PVC, PS),

• konstrukcyjne (np. ABS, PBT, PET, PA, POM, PC, PMMA, PPS),

• specjalne (np. o dużej wytrzymałości PAEK, PI, przewodzące prąd elektryczny,

wzmacnianie włóknami, biodegradowalne).

rys. Klasyfikacja materiałów polimerowych w zależności od reakcji ich otrzymywania i struktury

Materiałami polimerowymi są wieloskładnikowe związki chemiczne złożone z polimeru oraz z co najmniej jednego dodatku takiego jak: stabilizator, plastyfikator, napełniacz, , barwnik, pigment, antyutleniacz, antystatyk, antypiren, nośnik.

Powstają w wyniku poddania syntezie chemicznej wielu powtarzalnych jednostek strukturalnych zwanych podstawowymi jednostkami monomerycznymi (monomerami).

Poszczególne makrocząsteczki w polimerach połączone są ze sobą w łańcuch znacznie słabszymi wiązaniami wtórnymi, które mogą być silniejsze w przypadku”

• usieciowania, polegającego na utworzeniu silnych wiązań między makrocząsteczkami, np. w jonomerach (porównaj tabl. 8.49),

• usztywniania łańcucha, na skutek występowania równomiernie powtarzających się wiązań poprzecznych, łączących makrocząsteczki w podwójne łańcuchy

Rys. Schematyczna klasyfikacja własności cząsteczek polimerów

W zależności od kształtu i budowy makrocząsteczek oraz wiązań między nimi,

polimery dzielą się na:

• liniowe,

• liniowe z rozgałęzieniami,

• nieznacznie usieciowane z wiązaniami poprzecznymi,

• silnie usieciowane.

Polimery liniowe są zbudowane z monomerów z dwoma aktywnymi wiązaniami, połączonych liniowo w łańcuch siłami van der Waalsa. Polimery te są termoplastyczne (termoplasty). Dają się łatwo wyciągać w wysokowytrzymałe włókna, jak np. poliamidy, w tym nylon. Do polimerów liniowych należą także polietylen, polichlorek winylu, polipropylen oraz polistyren.

Polimery silnie usieciowane powstają z monomerów, mających więcej niż dwa

aktywne wiązania (rys. 8.110c), w wyniku czego powstają cząsteczki dwu- lub trójwymiarowe.

Utworzona w ten sposób silna struktura zapobiega mięknieniu tych materiałów podczas podgrzewania i decyduje o tym, że stanowią polimery utwardzalne (duroplasty). Do polimerów utwardzalnych należą żywice: fenolowo-formaldehydowa (bakelit), epoksydowa i poliestrowa.

Polimery rozgałęzione i nieznacznie usieciowane pod względem struktury i własności

wykazują pośrednie położenie między podanymi uprzednio.

Polimery makrocząsteczkowe cechują się izomeryzmem, polegającym na różnych możliwościach usytuowania rodników (podstawników) w strukturze łańcuchów cząsteczek polimerów o takim samym składzie chemicznym.

Stereoizomeryzm odpowiada sytuacji, w której monomery w łańcuchu makrocząsteczki są połączone w takim samym porządku (początek z końcem monomeru) lecz różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów i rodników w poszczególnych monomerach.

Polimer jest izotaktyczny jeżeli wszystkie rodniki (podstawniki) występują po tej samej

stronie płaszczyzny łańcucha.

W polimerze syndiotaktycznym rodniki występują regularnie po obu stronach płaszczyzny łańcucha.

W polimerze ataktycznym rodniki występują nieregularnie po obu stronach płaszczyzny łańcucha.

Izomeryzm geometryczny może występować w polimerach utworzonych z monomerów

mających podwójne wiązania między łańcuchem atomów węgla.

Homopolimery są utworzone przez makrocząsteczki zawierające łańcuchy polimerowe utworzone przez pojedyncze powtarzające się podstawowe jednostki monomeryczne, które można oznaczyć jako A. Wówczas łańcuch homopolimeru ma sekwencję AAAAAA...

Kopolimery są utworzone z makrocząsteczek, które mają łańcuchy utworzone z dwóch lub kilku typów różniących się budową chemiczną powtarzających się podstawowych jednostek monomerycznych, które można oznaczać odpowiednio jako A, B, C itd., występujących w różnych sekwencjach właściwych dla różnych typów kopolimerów:

• statystycznych (bezładnych), w których podstawowe jednostki monomeryczne

różnej budowie chemicznej są statystycznie umieszczone w łańcuchach polimerowych

sekwencji ABAABABBBAA...

• przemiennych, w których podstawowe jednostki monomeryczne o różnej budowie

chemicznej są ułożone w uporządkowany sposób, na przemian w łańcuchu

polimerowym o sekwencji ABABABA...

• blokowych, w których podstawowe jednostki monomeryczne o różnej budowie

chemicznej są ułożone w łańcuchach polimerów w relatywnie długich blokach

ułożonych odpowiednio z takich samych podstawowych jednostek monomerycznych,

o sekwencji łańcucha polimerowego AAAAA-BBBBBB-...

W kopolimerach blokowych segmentowych o strukturze łańcuchowej, sekwencja bloków jest powtarzalna AxByn AxByn, dla kopolimerów blokowych telechelicznych charakterystyczne jest umiejscowienie końcowych bloków cząsteczek tego samego rodzaju po obu stronach homopolimerycznego lub kopolimerycznego bloku środkowego w makrocząsteczce

• sczepionych, w których z głównym długim łańcuchem polimerowym złożonym z podstawowych jednostek monomerycznych o takiej samej budowie chemicznej sczepione są łańcuchy polimerowe złożone z podstawowych jednostek monomerycznych o innej budowie chemicznej

Łączenie monomerów w makrocząsteczki następuje podczas polireakcji:

• polimeryzacji między monomerami tego samego typu, zwanymi homopolimerami, o wiązaniu nienasyconym podwójnym, np. w polietylenie

• kopolimeryzacji między dwoma lub więcej różnymi rodzajami monomerów

• polikondensacji, w przypadku gdy w monomerze nie występuje wiązanie nienasycone, a w wyniku reakcji powstaje produkt uboczny, taki jak woda, jak np. podczas powstawania bakelitu z fenolu

• poliaddycji, tj. polireakcji o cechach polimeryzacji i polikondensacji, lecz bez wydzielania się produktu ubocznego

W strukturze wielu polimerów występują pierścienie aromatyczne, zwane także

pierścieniem benzenowym lub grupą fenylową

ceramika - grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach

międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych.

Ogólna klasyfikacja materiałów ceramicznych:

• materiały węglowe, grafit

• materiały budowlane

• posadzki

• materiały ścierne

• narzędzia skrawające

• elementy konstrukcyjne

• szkło

• porcelana stołowa, porcelit, fajans

• ceramika elektrotechniczna

• materiały ogniotrwałe

Typ materiału ceramicznego:

Węgliki:

Wolframu - twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie zależna od udziału osnowy kobaltowej; stosowane na narzędzia skrawające i matryce

Tytanu - nie tak ciągliwe jak węgliki wolframu; nikiel i molibden stosowane jako lepiszcze; stosowane na narzędzia skrawające

Krzemu - wysokotemperaturowa wytrzymałość i odporność na ścieranie; stosowane w turbinach cieplnych i jako ścierniwo

Azotki:

Boru - o regularnej sieci przestrzennej druga najtwardsza znana substancja po diamencie; stosowany jako ścierniwo i na narzędzia skrawające

Tytanu - stosowane jako pokrycia ze względu na dużą odporność na ścieranie, o złotym kolorze

Krzemu - wysoka odporność na pełzanie i udary cieplne, stosowany w turbinach cieplnych

Tlenki:

Aluminium - wysoka twardość, umiarkowana wytrzymałość; najpowszechniej stosowane na narzędzia skrawające, izolatory elektryczne i cieplne

Cyrkonu - wysoka wytrzymałość i ciągliwość, rozszerzalność cieplna zbliżona do żeliwa, odpowiednie na elementy turbin cieplnych

Sialony - łączy cechy azotku krzemu i tlenku aluminium; stosowany na narzędzia skrawające jako materiał żaroodporny

Cermetale - zawierają tlenki, węgliki i azotki oraz metalową osnowę;

zastosowania wysokotemperaturowe, a niektóre na narzędzia skrawające

Krzemionka - żarowytrzymała; kwarc wykazuje efekt piezoelektryczny; silikaty, zawierające różne tlenki, są stosowane na wysokotemperaturowe elementy

Szkła - zawierają nie mniej niż 50% krzemionki; struktura bezpostaciowa;

liczne typy o zróżnicowanych własnościach mechanicznych i fizycznych

Ceramika szklana - zawiera w strukturze bardzo drobne kryształy; bardzo dobra odporność na udary cieplne i żarowytrzymałość

Grafit - krystaliczna postać węgla; wysoka przewodność elektryczna i cieplna, dobra odporność na udary cieplne

Diament - jedna z najtwardszych znanych substancji 1), dostępny jako monokryształ lub w postaci polikrystalicznej; stosowany na narzędzia skrawające i ścierniwo, a także na matryce do ciągnienia cienkich drutów

Schematyczny przebieg „krzywej R“ (według V.A. Greenhuta), ao, ac - odpowiednio początkowa i krytyczna długość pęknięcia, Ro, Rc - odpowiednio początkowa i krytyczna wartość energii odkształcenia

Odporność na pękanie zwiększa się ze wzrostem długości pęknięcia.

Węgiel występuje w następujących odmianach alotropowych:

• grafit,

• diament,

• fullereny,

• nanorurki.

Węgiel może także występować w stanie amorficznym.

Grafit jako odmiana alotropowa węgla ma strukturę warstwową. Izolowane pojedyncze warstwy zbudowane z regularnych sześciokątów, których wierzchołki są zajęte przez atomy węgla, są nazywane grafenami.

grafit cechuje się:

• dobrymi własnościami smarnymi

• w kierunkach równoległych do płaszczyzn z heksagonalnymi układami atomów węgla charakteryzuje się bardzo dobrym przewodnictwem elektrycznym.

• wysoką wytrzymałością i dobrą stabilnością chemiczną w wysokiej temperaturze i atmosferze nieutleniającej

• wysokim przewodnictwem cieplnym

• niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i wysoką odpornością na szoki cieplne

Diament w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym jest metastabilną odmianą alotropową węgla. Jego wiązania każdego atomu węgla są wiązaniami kowalencyjnymi.

Diament cechuje się:

• bardo wysoka twardość

• bardzo małą przewodność elektryczną

• bardzo wysoką przewodność cieplną

• wysoki współczynnik załamania światła

Węgiel amorficzny charakteryzuje się przerwą energetyczną zależną od sposobu jego otrzymywania. Może być otrzymywany przez odparowanie grafitu lub przez naświetlanie grafitu intensywną wiązką neutronów lub jonów.

Węgiel tworzy polimery liniowe zwane karbinami, otrzymywane przez szybkie ochłodzenie par węglowych lub sublimację pirolitycznego grafitu, albo przez szybkie zestalanie ciekłych kropli węgla. Karbiny są stabilne do 4500°C.

Węgiel szklisty, otrzymywany w procesie kontrolowanej degradacji niektórych polimerów, ma budowę ziarnistą, jest stabilny do 3000°C i wykazuje dobre przewodnictwo cieplne. Jest twardy i cechuje się dobrą biotolerancją.

Włókna węglowe wytwarzane są z różnych materiałów, w tym z polimerów naturalnych i sztucznych, smoły, żywic fenolowych i fenolowo-formaldehydowych.

We włóknach węglowych atomy węgla są uporządkowane w dwuwymiarowych warstwach heksagonalnych o długości 10÷12 nm, ułożonych w stosy o grubości do 10 nm i tworzących mikrofibryle o długości większej od 20 nm, między którymi występują podłużne pęcherze powietrzne o grubości ok. 15 nm i długości większej od 30 nm, włókna węglowe mają kształt walca lub rury cylindrycznej.

Fullereny - wielościenne klatki utworzone z atomów węgla znajdujących się w stanie hybrydyzacji trygonalnej.

Postać krystaliczna fullerenu nazywana fullerytem może wykazywać twardość większą od diamentu.

Wytrzymałość na rozciąganie Rm, czyli naprężenie normalne w próbce obliczone jako stosunek największej siły rozciągającej Fm, do pola powierzchni przekroju początkowego próbki S₀

Granicą plastyczności Re jest naprężenie rozciągające w próbce, przy osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost jej wydłużenia przy ustalonej lub nieco zmniejszonej sile rozciągającej

Przewężenie to stosunek zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania do pola powierzchni jej przekroju początkowego

Wydłużenie jest to stosunek trwałego wydłużenia bezpośredniego próbki po rozerwaniu ΔL do długości pomiarowej L₀

Wielkości charakteryzujące własności wytrzymałościowe i plastyczne materiałów można wyznaczyć i obliczyć w wyniku statycznej próby rozciągania (granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, przewężenie)

Metody statyczne pomiaru twardości polegają na wciskaniu wgłębnika w badany materiał poza granicę sprężystości, do spowodowania odkształceń trwałych. Przy zastosowaniu tych metod twardość można określić jako miarę odporności materiału na odkształcenia trwałe, powstające w wyniku wciskania wgłębnika. Do najczęściej stosowanych w technice należą metody:

• Brinella,

• Vickersa,

• Knoopa,

• Chruszczowa-Bierkowicza,

• Grodzińskiego,

• Rockwella.

Metoda Brinella pomiaru twardości polega na wgniataniu w badany materiał pod obciążeniem F kulki z węglików spiekanych.

Metoda Vickersa pomiaru twardości polega na wciśnięciu w metal diamentowego ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie między przeciwległymi ścianami równym 136°,

Twardość Rockwella jest różnicą stałej głębokości K odpowiadającej obciążeniu wstępnemu F0 wgłębnika (w postaci stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120°, albo kulki stalowej lub z węglików spiekanych o średnicy 1,5875 mm lub o średnicy 3,175) oraz trwałego przyrostu głębokości odcisku h spowodowanego przez obciążenie główne F1 i mierzonego po odciążeniu.

Do tego jeszcze proste rysunki z Dobrzana i przejrzeć inne metody pomiarów

---