Современные тенденции развития полимерных и композиционных материалов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова»

 

 

 

 

Кафедра «Промышленный Менеджмент и Сертификация»

 

 

Курсовая работа

 

По теме:

«Современные тенденции развития полимерных и композиционных материалов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ_____________________________________________________3

1 НАЗНАЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ_______________________________________________5

    1.1 Историческая справка____________________________________5

    1.2 Общие понятия о полимерах и композиционных материалов_ 7

    1.3 Классификация полимерных и композиционных материалов_10

    1.4 Основные методы получения______________________________13

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ_______________________18

    2.1 Направления использования полимерных материалов_______18

    2.2 Направления использования композиционных материалов___22

    2.3 Перспективные направления развития композитов и  полимеров____________________________________________________24

3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ  И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  В ИЗГОТОВЛЕНИИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ____________________________________________26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_________________________________________________ 28

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ________________________________________ 29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Первые упоминания о полимерах относятся к  первой половине 19 века.

Однако, тогда имелось ввиду  немного другой смысл, чем современные представления о полимерах. “Истинные” полимеры к тому времени еще не были известны. Лишь с начала 20-х годов 20 века появилось новое представление о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы. Настоящее время многие ученые называют «век композиционных материалов». 
Но композиционные материалы зародились не в настоящее время, человек использовал их еще в древние времена. Так, даже самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары регулировали даже пористость своих изделий. Упоминание о таких материалах содержится в Библии.

Объектом нашего исследования являются полимерные и композиционные материалы.

Цель  данной курсовой работы  –  изучить требования к полимерным и композиционным материалам «нового поколения» и рассмотреть перспективные области их использования.

Задачи:       

1. Указать характеристики полимерных и композитных материалов.
2. Показать классификацию полимерных и композитных материалов.
3. Описать методы получения полимеров и композитов.
4. Выделить  направления использования полимеров и композиционных материалов.
5. Описать перспективные направления развития композиционных и полимерных материалов.

Полимеры — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико.

Композицио́нный материа́л  — 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.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ. 

Полимерные и композиционные материалы распространены в различных областях жизнедеятельности человека. Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и другим свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. А композиционные материалы стали незаменимым сырьем в авиастроении, в космонавтике и в военном деле.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 НАЗНАЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

1.1 Историческая справка происхождения полимеров и композитов

 

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол).

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря не ковалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

В наши дни всё большее применение обретают различные композитные материалы. Высокая надёжность и прочность обусловили популярность и быстрое распространение композитов по всему миру.

Композит – это искусственно созданный, неоднородный материал. Как правило, он включает в свой состав от двух и более компонентов. Таким образом, композитный материал, состоящий из двух веществ, как бы совмещает в себе достоинства обоих составляющих. Большая часть всех композитов, кроме слоистых, состоит из нескольких компонентов, выполняющих роль матрицы и армирующего составляющего. Последнее, зачастую, представляет собой гибкий материал, поэтому ему и нужна форменная матрица.

Чтобы лучше понять, что такое композитный материал стоит окунуться в историю. Появлению первых образцов оного мы обязаны Египту. Приблизительно в 15 веке до н. э. был создан первый композит, представляющий собой самую обычную фанеру. В Европе материал приобрёл популярность лишь в 16 веке н.э., как материал для изготовления мебели. Многослойное дерево было настолько надёжным, что его стали применять при строительстве авиационного транспорта. Фанера используется и по сей день – это ещё раз подтверждает надёжность и практичность композитных материалов.

В наши дни композитные материалы приобрели ещё большее распространение и стали использоваться даже как покрытие и облицовка. Примером этому может служить алькантара - необычайно крепкая и надёжная ткань. Этот материал представляет собой пластиковые нити, сложенные в несколько слоёв по принципу прядения. Таким образом, мы получаем многоволоконную структуру, отвечающую требованиям категории композитов по всем параметрам. Этот обивочный материал обрел широкую популярность, благодаря своёй мягкости и прочности. Автомобильная алькантара способна соперничать даже с такими материалами, как кожа и замша.

В наши дни композитные материалы выступают в роли обшивочного материала и силовых элементов самых различных конструкций. Наиболее распространён он в автомобилестроении, где такие материалы, как алькантара используются для создания автомобильных чехлов и покрытия различных панелей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Общие понятия о  полимерах и композиционных материалах

 

Полимеры – это такие высокомолекулярные, главным образом органические, вещества, очень крупные молекулы которых, называемые поэтому макромолекулами построены по одному и тому же принципу из многократно повторяющихся структурных звеньев, образованных из мономеров.

Полимеры либо встречаются в природе, например целлюлоза, крахмал, каучук, белки, либо изготовляются синтетически, например полихлорвинил, полистирол, полиамиды и многие другие.

Особые механические свойства:

• эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Полимеры сочетают свойства газов (по упругости), жидкостей (по тепловому расширению, сжимаемости, текучести) и твердых тел (по способности сопротивляться деформации).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации – регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам (КМ) можно также дать следующее определение: композицио́нный материа́л — 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. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения. Все КМ можно разделить на два вида: естественные и искусственные.