Классификация свойств материалов реферат

Обновлено: 03.07.2024

Документ предоставляется как есть, мы не несем ответственности, за правильность представленной в нём информации. Используя информацию для подготовки своей работы необходимо помнить, что текст работы может быть устаревшим, работа может не пройти проверку на заимствования.

Можно ли скачать документ с работой

Да, скачать документ можно бесплатно, без регистрации перейдя по ссылке:

КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.
Классификация материалов электронной техники. Критерии выбора материалов. Понятие свойства, параметра, характеристики.
Все материалы подразделяют на конструкционные и электротехнические. Электротехнические материалы – материалы, которые имеют специальные свойства в отношении электромагнитного поля. Материалы, при использовании которых основными являются другие, а не электрофизические свойства, и которые в электронной аппаратуре выполняют вспомогательные функции, называют конструкционными материалами.

Варианты классификации материалов.
По назначению
1) электротехнические – материалы, у которых важнейшими являются специальные свойства в отношении электромагнитного поля (ослабляют или усиливают поля, токопроводность…).
2) конструкционные (важнейшие – неэлектрофизические свойства, а другие, чаще всего механические)
2. По поведению материалов в электрическом поле (проводимости) различают проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические материалы.

1) проводники (Ме) ρ 〖10〗^7 Ом*м
Диэлектрические материалы – материалы с широкой запрещенной энергетической зоной, в обычных условиях электронная электропроводность в них отсутствует, а основным свойством диэлектриков является способность к поляризации. Удельное сопротивление диэлектриков более 107 Ом•м.

- По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики).

1) слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики)
Диамагнетики – вещества с магнитной проницаемостью  1, которая также не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Это кислород, алюминий, платина и некоторые другие материалы.

2) сильномагнитные
Сильномагнитные вещества (магнетики) – обладают магнитной проницаемостью >>1, зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, ферриты и пермаллои.

А) Магнитотвердые
Б) Магнитомягкие
- По природе вещества
Органические (полимеры, C)
Неорганические (Ме)
- По источнику возникновения
Искусственные
Натуральные
- По способности изменять свойства при внешнем воздействии
Пассивные
Активные
- По агрегатному состоянию
Твердые
Жидкие
Газообразные
- По типу химической связи (по внутренней структуре).
Элементами структуры являются атомы, молекулы и ионы. Размеры атомов порядка 1 Â = 10-10м (ангстрем). В зависимости от агрегатного состояния различают газы, жидкости и твердые тела. Как правило, в электронной технике все большинство электротехнических материалов – твердые. Жидкости применяются в качестве изоляторов (трансформаторное масло), электролита в аккумуляторах и конденсаторах, газы – в качестве изолятора (элегаз).
В материалах, имеющих молекулярное строение, атомы в молекуле или соседние атомы вещества могут образовывать различные химические связи. Прочность химической связи во многом определяет свойства материала. Обычно выделяют ковалентную, ионную, металлическую и молекулярную связи.
Ковалентная – связь атомов друг с другом за счет общих электронов (пример - газы).
Ковалентная связь – связь между атомами, образуемая общими электронами. Если в молекуле центры положительных и отрицательных зарядов при этом совпадут – вещества называют неполярными, или нейтральными, а если будут расположены на некотором расстоянии друг от друга – полярными, или дипольными. Полярные молекулы характеризуются величиной дипольного момента

(1.1)
где q – заряд ионов молекулы, Кл,
l – расстояние между геометрическими центрами зарядов, м.

Ковалентная связь характерна также для твердых веществ, кристаллические решетки которых состоят из атомов (алмаз, полупроводниковые монокристаллы), и для органических молекул.


Рисунок 1.
Металлическая – самая слабая, электроны наружных орбит обобществляются, а ионы образуют металлическую кристаллическую решетку
Металлическая связь характерна для металлов и представляет собой остов из положительно заряженных ионов, опущенный в электронный газ. Металлическая связь определяет высокие тепло- и электропроводность, является причиной характерного блеска. Реальные металлы обладают поликристаллической структурой.

Ионная – определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами
Ионная связь создается силами притяжения между положительными и отрицательными ионами и имеет электрическую природу. Твердые тела ионной структуры имеют повышенную твердость

Молекулярная – связь Ван дер Ваальса – межмолекулярная связь, создаваемая согласованным движением электронов в соседних молекулах; внутри молекулы – связь ковалентная
Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) – межмолекулярная связь, наблюдаемая у некоторых веществ, молекулы которых образованы ковалентными связями. Эта связь обусловлена согласованным движением электронов в соседних молекулах. Малая температура плавления веществ с молекулярной связью указывает на ее слабость.

По созданию дипольного момента

Рисунок 2.
Полярные – атомы, молекулы имеют дипольный момент, т.к. центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают (пример - вода)
Неполярные – не создают дипольного момента, поскольку l=0
5. По структурному состоянию твердых тел выделяют монокристаллические, поликристаллические и аморфные вещества.

Кристаллы (монокристаллы – имеют регулярную пространственную структуру, т.е. имеют кристаллическую решетку)
Монокристаллические материалы из несимметричных кристалlog_⁡лов анизотропны, все остальные – изотропны. 14 возможных видов кристаллических решеток объединяются в шесть кристаллических систем, отличающихся взаимными размерами граней элементарной ячейки монокристалла и углами между этими гранями (рис. 1.2).

Трехклинная
Моноклинная
Ромбическая
Гексагональная
Тетрагональная
Кубическая

Рис. 3. Кристаллические системы монокристаллов
Всего может быть 14 видов решеток, объединенных в 6 групп:
Состояние материалов при определенной кристаллической решетке называется фазой, а перестройка решетки без изменения химического состава называется фазовым переходом (ферид и матенсид)
Кристалл может обладать анизотропией свойств. Искусственно созданная анизотропия называется текстурой (применяется для магнитных материалов)
Свойства кристаллических материалов помимо структуры решетки сильно зависят от правильности ее строения. В реальных кристаллах встречается множество дефектов структуры – примеси, вакансии (пустые узлы), трещины, поры, смещения. Дефекты кристаллической структуры наиболее часто используют для обеспечения заданных механических свойств конструкционных материалов (металлов) и электрических свойств полупроводников.

Аморфные Аморфные тела – затвердевшие жидкости, значительная вязкость которых при понижении температуры не позволила молекулам и атомам организоваться в кристаллическую структуру.
Отсутствует упорядоченность атомов (затвердевшие жидкости). Достигается быстрым охлаждением.
Аморфно-кристаллические вещества
аморфно-кристаллические материалы – кристаллы произвольной ориентации, размещенные в аморфной структуре. К ним относят ситаллы.

Механические свойства материалов

Механическая прочность – способность сопротивляться действию не разрушаясь. Различают прочность материала на сжатие, растяжение и изгиб. Параметры, характеризующие прочность – пределы прочности:
предел прочности на сжатие:

(1.1)
где - разрушающее усилие при растяжении, Н,
- площадь поперечного сечения тела до разрушения, м2;
предел прочности на растяжение:

(1.2)
где - разрушающее усилие при растяжении, Н,
предел прочности на изгиб:

(1.3)
где - разрушающее усилие при растяжении, Н, приложенное к середине испытуемого образца толщиной h, м и шириной b,м, покоящегося на двух неподвижных опорах, расстояние между которыми равно L.
Перед разрушением образца при растяжении он растягивается. Относительное удлинение при этом
[%]
(1.4)
где - длина образца до удлинения, м,
- длина образца в момент разрыва, м.
Для металлов пределы прочности на растяжение, сжатие и изгиб практически одинаковы, у анизотропных веществ зависят от направления приложения нагрузки. Для стекол, пластмасс и керамики предел прочности на сжатие значительно больше, чем на растяжение и изгиб.
Ударная вязкость (хрупкость) – предел прочности материала при ударном изгибе. Для ее измерения образец помещают на две опоры. Специальный стальной маятник поднимают над серединой межопорного пространства и отпускают. Устремляясь вниз, маятник разрушает образец, при этом ударная вязкость характеризуется минимальной силой разбивающего удара, отнесенной к единице площади:

(1.7)
где P – вдавливающее усилие, Н,
h – глубина вдавливания, мм.

метод Виккерса – нагрузка на образец передается посредством алмазной четырехгранной пирамиды. Твердость HV обратно пропорциональна диагонали отпечатка этой пирамиды.

Прочность на сжатие, растяжение и на изгиб; параметр – предел точности:

Рисунок 6. ,где: р – растяжение, с – сжатие, и – изгиб, Pc, Pр – разрушительные усилия.

Рисунок 8.
У анизотропных веществ эти параметры (сигмы) разны по разным направлениям.
Упругость – способность восстанавливать форму и размеры после действия внешних сил.

Пластичность – способность изменять формы и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь.
Текучесть (ползучесть) – деформация твердого тела при длительном воздействии малых нагрузок (примеры: стекло, алюминий).
Ударная вязкость – предел прочности материалов при ударном изгибе.
Рисунок 10.
Величина, обратная хрупкости.
Твердость – способность поверхностного слоя материала противостоять деформации сжимающему усилию, передаваемому посредством предмета малых размеров.
Способы определения твердости:
Твердость по Бринеллю (HB)
Рисунок 11.
d – отпечаток, П – усилие
По Роквеллу
Рисунок 12.
Алмазный конус.
По Виккерсу
Рисунок 13.
Вдавливается алмазная 4хгранная пирамида; d – диагональ отпечатка.
По Шору (для резины)
Для режущего инструмента необходимо обеспечить твердость только поверхностного слоя.

Теплофизические свойства материалов

Температура плавления (С) измеряется у материалов кристаллического строения с постоянной по всему объему формой кристаллической решетки. По достижении температуры плавления весь объем материала сразу переходит из твердого состояния в жидкое.
Температура размягчения (С) – определяется у тем аморфного строения (компаунды, стекла, полимеры). Для этих веществ переход в жидкое состояние происходит в определенным диапазоне температур, поэтому температура размягчения – условная величина.
Нагревостойкость (теплостойкость) – характеристика, определяющая способность материала длительно выдерживать максимально допустимую температуру без существенного снижения механических, электрических и других характеристик. Применяется преимущественно для диэлектриков. Численно характеризуется максимальной рабочей температурой, определяемой по методу Мартенса (для неоднородных веществ) или методу Вика (для однородных). Максимальная температура по методу Мартенса – та, при которой изгибающее усилие 5 МПа вызывает заметную деформацию образца, по методу Вика – температура, при которой стержень диаметром 1.13мм, на который опирается груз массой 1 кг погружается в испытуемый образец на 1мм при скорости изменения температуры 50 С/час.
Тепловое старение – свойство, наиболее характерное для диэлектриков – ухудшение изоляции при длительном воздействии повышенной температуры.
Теплопроводность – показывает способность материалов проводить тепло. Она влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к термоударам. Количественно оценивается коэффициентом теплопроводности:

(1.8)
где Q, Дж – количество теплоты, проходящее за время , с через стенку из исследуемого материала площадью S, м2 и толщиной h, м при разности температур с двух сторон этой стенки , К.
Наибольшей теплопроводностью обладают кристаллические вещества, в т.ч. металлы, наименьшей – аморфные материалы.
Тепловое расширение материалов связано с усилением тепловых колебаний атомов кристаллической решетки при повышении температуры и характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР):

(1.9)
где ,м и , м - длина образца при температурах , С и , С соответственно.
Стойкость материала к термоударам (термоимпульсам). Свойство наиболее важно для хрупких материалов. Разрушение образца наступает, если скорость изменения температуры (коэффициент температуропроводности) не соответствует скорости распространению теплоты (коэффициент теплоемкости) и, соответственно, при резком нагреве тело не успевает расшириться. Величина, характеризующая стойкость стеклообразных материалов к тепловым импульсам:

(1.10)
где - предел прочности на растяжение, Н/м2,
- температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), K-1,
- модуль упругости, ,
- удельная теплопроводность, Вт/м•К,
- удельная теплоемкость, Дж/кг*С,
- плотность вещества, кг/м3.
Холодостойкость – свойство, позволяющее оценить стойкость материала к низким температурам. Характеризуется минимально допустимой рабочей температурой. Как правило, электрические свойства материалов (проводников и диэлектриков) при низких температурах улучшаются, однако механические свойства ухудшаются. Особенно характерно это для органических материалов, которые при низких температурах становятся жесткими, хрупкими, растрескиваются.

Температура плавления – температура перехода в жидкое состояние (переход мгновенный, диапазон температур – меньше градуса, характерна для чистых материалов кристаллической структуры, например, для чистых материалов; для аморфных материалов и смесей применяется температура размягчения, диапазон температур – десятки градусов)
Нагревостойкость – определяет способность материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без заметного снижения механических, электрических и других характеристик.
Способы определения нагревостойкости:
По Мартенсу
Деформация изгибающим усилием (берут 2 опоры и т.д.)
По Вику
Проникновение стального стержня в образец на определенную глубину при определенной нагрузке.
Тепловое старение (изоляции) – ухудшение диэлектрических свойств при длительном воздействии высоких температур.
Стойкость к термоудару.
Рисунок 14.
Тепловой удар наступает, если скорость нагрева или охлаждения тела не соответствует скорости распространения температуры в нем при фиксированном альфаl (характерен для твердых хрупких тел).
Теплопроводность – способность материалов проводить тепло.
Рисунок 15.
Удельная теплопроводность – количество теплоты Q, проходящее через стенку h за время тау при площади стенки S и разницей температур t2-t1.
Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР)
Рисунок 16.
Холодостойкость – способность материала работать при низких температурах, оценивается минимально допустимой рабочей температурой.
При понижении температуры электрические свойства диэлектриков и проводников улучшаются, но ухудшаются механические свойства: теряется гибкость, эластичность, возникает растрескивание. ПП приборы при низких отрицательных температурах теряют работоспособность.

Физико-химические свойства материалов
Растворимость показывает стойкость к действию воды, кислот, щелочей, растворителей. Численно растворимость определяется как количество материала, переходящее в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Легче всего растворяются вещества, стойкие к растворителю по химической природе. Растворимость ухудшается с повышением молекулярной массы, поэтому полимеры практически нерастворимы. Растворимость также растет с ростом температуры.
Влагопоглощаемость (водопоглощаемость) – характеристика материала, позволяющая оценить свойство материала противостоять проникновению в него воды. Численно оценивается как относительное повышение массы материала после пребывания его в дистиллированной воде температурой 20С в течении 24 часов. Чем больше влагопоглощаемость, чем лучше материал адсорбирует воду из атмосферы.
Влагопроникаемость (водопроникаемость) – свойство материала проводить пары воды при наличии разности давлений водяного пара с двух сторон материала:
, кг
(1.10)
где m - количество влаги, проходящее за время , с сквозь пластину материала площадью S, м2 и толщиной h, м под действием разности парциальных давлений водяного пара , Па с двух сторон от этой пластины.
Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением, поэтому попадание ее в поря твердых диэлектриков вызывает резкое снижение их электрических характеристик.
Смачиваемость – способность материалов задерживать на своей поверхности воду. Характеризуется краевым углом смачивания  капли жидкости, нанесенной на плоскую поверхность (рис. 1.х).

Рис. 2. Краевой угол смачивания
гидрофильных (а) и гидрофобных (б) материалов
Если угол смачивания >90 - материал называют гидрофобным, а если 

Разделение материалов на химической основе на основные группы (металлические, неметаллические). Практическое значение различных материалов. Аморфное и кристаллическое строение материалов. Зависимость свойств материалов от их строения и имеющихся дефектов.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 06.04.2016
Размер файла 19,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Общие сведения о материалах, их строении и свойствах

Все материалы по химической основе делятся на две основные группы - металлические и неметаллические.

К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов. Металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе - стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами, и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства.

К неметаллическим материалам относятся различные пластмассы (слоистые, волокнистые, порошковые, газонаполненные), резиновые материалы, древесные материалы (пиломатериалы, древесный шпон), текстильные материалы, неорганические (керамика, стекло) и композиционные материалы.

Практическое значение различных материалов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90% всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. В промышленности занимают место и неметаллические материалы, но их использование невелико (около 10%) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось. В других же областях применение различных неметаллических материалов развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами.

Строение материалов.

Все твёрдые тела делятся на аморфные и кристаллические.

В аморфных телах атомы расположены хаотично, т.е. в беспорядке, без всякой системы, поэтому тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Примерами аморфных тел могут служить стекло, клей, воск, канифоль, т.е. аморфное строение присуще в основном неметаллам.

В кристаллических телах атомы расположены в строго определённой последовательности. Тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состояния в другие протекает при определенной температуре плавления. К телам с кристаллическим строением относят поваренную соль, кварц, сахарный песок, металлы и сплавы.

Атомно-кристаллическая структура - взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты характеризуются малыми размерами, величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки - вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки - дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки - примесные атомы. Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов - дислокации (лат. dislocation - смещение). Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов.

От строения и дефектов напрямую зависят свойства материалов.

Свойства материалов.

Физические свойства определяют поведение материалов в в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения.

Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления - это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность - это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных афессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов - химической стойкостью.

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность - это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил

Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость - это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость - это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестыо), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость - это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Вопрос 2: Классификация текстильных волокон.

Текстильное волокно представляет собой протяженное тело, гибкое и прочное, с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи и текстильных материалов.

В основу классификации волокон положен их химический состав и происхождение.

В зависимости от происхождения текстильные волокна подразделяют на натуральные и химические.

К натуральным относят волокна растительного, животного и натурального происхождения, которые образуются в природе без непосредственного участия человека. Натуральные растительные волокна состоят из целлюлозы; их получают с поверхности семян (хлопок), плодов (койр), из стеблей (лен, рами, пенька, джут и др.) и листьев растений (абака, сизаль). Натуральные волокна животного происхождения состоят из белков - кератина (шерсть различных животных), или фиброина (шелк тутового или дубового шелкопряда).

К химическим относят волокна, созданные в заводских условиях путем формования из органических природных или синтетических полимеров или неорганических веществ. Химические волокна по составу делятся на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна получают из высокомолекулярных соединений, встречающихся в готовом виде (целлюлоза, белки). Их получают путем химической переработки природных полимеров растительного и животного происхождения, из отходов целлюлозного производства и пищевой промышленности.

Полимер - вещество, молекулы которого состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Сырьем для полимеров служат древесина, семена, молоко и т.п. Наибольшее применение в швейной промышленности имеют текстильные материалы на основе искусственных целлюлозных волокон, таких как вискозное, полинозное, медно-аммиачное, триацетатное, ацетатное.

Синтетические волокна получают путем химического синтеза полимеров, т.е. создания имеющих сложную молекулярную структуру веществ из более простых, чаще всего из продуктов переработки нефти и каменного угля. Это полиамидные, поли эфирные, полиуретановые волокна, а также полиакрилонитрильные (ПАН), поливинилхлоридные (ПВХ), поливинилспиртовые, полиолефиновые. Также по составу синтетические волокна делятся на карбоцепные и гетероцепные. Гетероцепные волокна образуются из полимеров, в основной молекулярной цепи которых кроме атомов углерода содержатся атомы других элементов. Карбоцепными называют волокна, которые получают из полимеров, имеющих в основной цепи макромолекул только атомы углерода.

материал свойство строение дефект

Используемая литература

1. Солнцев Ю.П. Материаловедение. Применение и выбор материалов: Учебное пособие / Солнцев Ю.П., Борзенко Е.И., Вологжанина С.А. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. - 200 с.

2. Бузов Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство): Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б.А. Бузов, Н.Д. Адыменкова: Под ред. Б.А. Бузова. - М.: Издательский центр "Академия", 2004 - 448 с.

3. Савостицкий Н.А. Материаловедение швейного производства: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Н.А. Савостицкий, Э.К. Амирова. - 7-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2013. - 272 с.

4. Металлы и сплавы. Справочник / В. К Афонин и др. - НПО "Профессионал" СПб, 2003 - 200 с.

5. Солнцев Ю.П. "Материаловедение" / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин - СПб.: Химиздат, 2007, 783с.

Подобные документы

Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.

курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010

Отличия макро- и микроскопического строения материалов. Сравнение теплопроводности древесины и стали. Классификация дефектов кристаллического строения. Причины появления точечных дефектов. Особенности получения, свойства и направления применения резин.

контрольная работа [318,1 K], добавлен 03.10.2014

Зависимость работоспособности машин и агрегатов от свойств материалов. Прочность, твердость, триботехнические характеристики. Внедрение в материал более твердого тела – индентора. Температурные, электрические и магнитные характеристики материалов.

реферат [56,6 K], добавлен 30.07.2009

Изучение свойств материалов, установления величины предельных напряжений. Условный предел текучести. Механические характеристики материалов. Испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб хрупких материалов статической нагрузкой. Измерение деформаций.

реферат [480,5 K], добавлен 16.10.2008

Анализ методов оценки упругопластических свойств материалов для верха обуви при растяжении. Обоснование выбора методов испытаний и исследуемых материалов. Разработка автоматизированного комплекса для оценки свойств при одноосном и двухосном растяжении.


Материалы гораздо глубже входят в нашу культуру, чем многие думают. Необходимыми элементами нашей повседневной жизни являются транспорт, жилища, средства связи, отдых, производство пищи, и все они в той или иной степени зависят от выбора подходящих материалов. С исторической точки зрения развитие и успехи общественного строя неразрывно связаны с возможностями людей производить и перерабатывать материалы для удовлетворения существующих потребностей. Ранние цивилизации даже определялись по названиям материалов, которые люди научились использовать — Каменный век, Бронзовый век, Железный век.

На ранних этапах человеческого существования люди использовали крайне ограниченное число материалов. Это были, естественно, материалы, имеющиеся в природе — камни, дерево, глина, шкуры животных и т. п. Со временем люди научились производить материалы, по свойствам превосходящие природные продукты. Это были такие новые материалы, как керамика и различные металлы. В дальнейшем было обнаружено, что свойства материалов могут видоизменяться в результате термической обработки или добавления к ним различных субстанций. В то время выбор материала определялся сопоставлением очень ограниченного количества вариантов, исходя из их качества применительно для той или иной цели. Лишь сравнительно недавно ученые поняли, что существует соответствие между структурными элементами, составляющими материал, и им самим. Эти знания стали доступными примерно 100 лет назад, и в значительной степени были обусловлены тем, что люди научились оценивать характеристики материала. Все это привело к тому, что появились десятки тысяч различных материалов с весьма специфическими свойствами, что позволило удовлетворять самые сложные потребности современного общества. К числу материалов, используемых в наши дни, относятся металлы, полимеры, стекла и волокна.

Успехи современных технологий, которые сделали наше существование столь комфортным, связаны с тем, что стали доступными подходящие материалы. Успехи в понимании того, чем определяется тип материала, зачастую предшествуют развитию новых технологий. Так, например, становление автомобильной промышленности было бы невозможным без разработки сравнительно недорогих сталей или иных подходящих материалов. В наше время развитие многочисленных сложных электронных устройств основывается на использовании компонентов, производимых из так называемых полупроводниковых материалов.

Зачем мы исследуем материалы? Многие ученые и инженеры, работающие в области машиностроения, гражданского строительства, химической или электротехнической промышленности, рано или поздно сталкиваются с задачей разработки конструкции изделия. В качестве примера таких изделий можно привести передаточные шестерни, конструкции, используемые в строительстве, детали для нефтеперерабатывающего оборудования, интегральные чипы. Конечно, ученые и инженеры, занимающиеся материаловедением, являются экспертами, знакомыми с задачами изучения материалов и проблемами конструирования из них изделий.

Во многих случаях задача состоит в том, чтобы выбрать подходящий материал из многих тысяч, имеющихся на рынке. Существует несколько критериев, на основании которых следует сделать окончательный выбор. Прежде всего, необходимо четко охарактеризовать условия применения изделия, поскольку именно они определяют необходимые свойства материала. Лишь в очень редких случаях существует материал, который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым требованиям. Поэтому зачастую приходится пренебрегать одними характеристиками материала по сравнению с другими более важными. Классический пример — это требования по прочности и пластичности. Обычно материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно пластичным. Во всех таких случаях необходимо приходить к разумному компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.

Далее, необходимо основывать выбор на том, насколько могут снижаться свойства материала в процессе эксплуатации изделия. Например, весьма заметное снижение прочности может быть результатом действия повышенных температур или коррозии в окружающей среде. И, наконец, решающий аргумент может быть связан с экономическими соображениями. Какова будет стоимость конечного изделия? Можно найти материал, который идеально подходил бы по своим свойствам всем предъявляемым требованиям, но был бы чрезмерно дорог. И здесь опять-таки неизбежен определенный компромисс. Следует учесть, что в стоимость конечного продукта входят не только стоимость материала, но и затраты в процессе формования готового изделия.

Чем лучше ученый или инженер знаком с различными характеристиками материала и соотношением между его структурой и свойствами, равно как и с технологией получения изделий, тем более умелым и надежным будет его (или ее) выбор материала, основанный на перечисленных критериях.

Классификация материалов

Твердые материалы обычно подразделяются на три основные группы. Это металлы, керамика и полимеры. Это деление основывается, прежде всего, на особенностях химического строения и атомной структуры вещества. Большинство материалов можно вполне однозначно отнести к той или иной группе, хотя возможны и промежуточные случаи. Кроме того, следует отметить существование композитов, в которых комбинируются материалы, принадлежащие к двум или трем из перечисленных групп. Ниже будет дано краткое описание различных типов материалов и приведены их сравнительные характеристики.

Металлы

Материалы, принадлежащие к этой группе, включают в себя один или несколько металлов (таких как железо, алюминий, медь, титан, золото, никель), а также часто те или иные неметаллические элементы (например, углерод, азот или кислород) в сравнительно небольших количествах.
Атомы в металлах и сплавах располагаются в весьма совершенном порядке. Кроме того, по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов сравнительно высока.

Что касается механических свойств, то все эти материалы относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной пластичностью (т.е. способностью к большим деформациям без разрушения), и сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях.

В металлических материалах имеется множество делокализованных электронов, т. е. электронов, не связанных с определенными атомами. Именно присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого света. Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их применения магнитными свойствами.

Керамика

Керамика — это группа материалов, занимающих промежуточное положение между металлами и неметаллическими элементами. Как общее правило, к классу керамики относятся оксиды, нитриды и карбиды. Так, например, некоторые из наиболее популярных видов керамик состоят из оксида алюминия (Al2O3), диоксида кремния (SiO2), нитрида кремния (Si3N4). Кроме того, к числу тех веществ, которые многие называют традиционными керамическими материалами, относятся различные глины (в частности те, которые идут на изготовление фарфора), а также бетон и стекло. Что касается механических свойств, то керамика — это относительно жесткие и прочные материалы, сопоставимые по этим характеристикам с металлами. Кроме того, типичные виды керамики очень твердые. Однако керамика исключительно хрупкий материал (практически полное отсутствие пластичности) и плохо сопротивляется разрушению. Все типичные виды керамики не проводят тепло и электрический ток (т.е. их электропроводность очень низкая).

Для керамики характерно более высокое сопротивление высоким температурам и вредным воздействиям окружающей среды. Что касается их оптических свойств, то керамика может быть прозрачным, полупрозрачным или совсем непрозрачным материалом, а некоторые оксиды, например, оксид железа (Fe2O3) обладают магнитными свойствами.

Композиты

Композиты представляют собой комбинацию из двух (или большего числа) отдельных материалов, относящихся к различным классам веществ, перечисленным выше, т.е. металлов, керамики и полимеров. Целью создания композитов было стремление достичь такого сочетания свойств различных материалов, которые не могут быть получены для индивидуальных компонент, а также обеспечить оптимальное сочетание их характеристик. Известно большое количество различных композитов, которые получены при совмещении металлов, керамики и полимеров. Более того, некоторые природные материалы также представляют собой композиты, например, это дерево и кость. Однако большинство композитов, которые рассматриваются в настоящей книге, это материалы, полученные из синтетических материалов.

Одним из наиболее популярных и знакомых всем композиционных материалов является стеклопластик. Этот материал представляет собой короткие стеклянные волокна, помещенные в полимерную матрицу, обычно в эпоксидную или полиэфирную смолу. Стеклянные волокна обладают высокой прочностью и жесткостью, но они хрупкие. В то же время полимерная матрица пластична, но ее прочность низкая. Комбинирование указанных веществ приводит к получению относительно жесткого и высокопрочного материала, который, тем не менее, обладает достаточной пластичностью и гибкостью.

Другим примером технологически важного композита являются углепластики — полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP). В этих материалах в полимерную матрицу помещают углеродные волокна. Материалы этого типа более жесткие и более прочные по сравнению со стеклопластиками, но в то же время более дорогие. Углепластики используют в аэрокосмической технике, а также при изготовлении высококачественного спортивного оборудования, например велосипедов, клюшек для гольфа, теннисных ракеток, лыж и сноубордов.

Прогрессивные материалы

Полупроводники

Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между электропроводящими материалами (металлами и металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей. Создание полупроводниковых материалов сделало возможным разработку интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и компьютерной технике (даже если не упоминать изменения в нашей жизни) в течение трех последних десятилетий.

БИОМАТЕРИАЛЫ

Биоматериалы используют для создания имплантатов для тела человека, которые призваны заменить больные или разрушенные органы или ткани. Материалы этого типа не должны выделять токсичных веществ и должны быть совместимыми с тканями человека (т.е. не должны вызывать реакции отторжения). Все перечисленные типы веществ — металлы, керамика, полимеры и полупроводники — могут быть использованы в качестве биоматериалов. В качестве примера можно привести некоторые биоматериалы, которые применяют для изготовления искусственных тазобедренных суставов.

Материалы будущего

В качестве компонентов умных материалов (или систем) могут использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы, положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на изменение температуры, интенсивности освещенности, напряженности электрического или магнитного полей.

Пьезоэлектрические виды керамики расширяются и сжимаются в ответ на изменение электрического поля (или напряжения); если же их размеры изменяются, то это приводит к возбуждению электрического сигнала. Поведение магнитострикционных материалов аналогично реакции пьезоэлектриков, но только как реакция на изменение магнитного поля. Что касается электро- и магнитореологических жидкостей, то это такие среды, которые претерпевают огромные изменения вязкости в ответ на изменение электрического или магнитного поля, соответственно.

Материалы/устройства, используемые в качестве датчиков, могут быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся некоторые полимеры) и микроэлектромеханическими устройствами, аббревиатура MEMS.

Нанотехнологические материалы

Одним из примеров материалов рассматриваемого типа являются углеродные нанотрубки. В будущем, несомненно, нам удастся найти все больше и больше областей, в которых проявятся достоинства нанотехнологичных материалов.

Необходимость создания новых материалов

Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, все же остается необходимость в создании еще более совершенных и специализированных материалов, а также в оценке взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду. По этому вопросу необходимо дать некоторые комментарии, чтобы обрисовать возможные перспективы в этой области.

Создание ядерной энергетики предлагает определенные обещания будущего, но здесь остаются многочисленные проблемы, связанные с разработкой новых материалов, которые необходимы на всех стадиях — от системы размещения топлива в реакторе до хранения радиоактивных отходов.

Большие затраты энергии связаны с перевозками. Уменьшение веса транспортирующих устройств (автомобилей, самолетов, поездов и т.д.), также как и увеличение температуры, при которой работают двигатели, будет способствовать более эффективному потреблению энергии. Для этого требуется создать высокопрочные легкие инженерные материалы, равно как и материалы, которые могут работать в условиях повышенных температур.

Далее, существует общепризнанная необходимость в новых экономически обоснованных источниках энергии, а также в более эффективном использовании существующих источников. Несомненно, что материалы с нужными характеристиками играют огромную роль в развитии этого направления. Так, например, была продемонстрирована возможность прямого преобразования солнечной энергии в электрический ток. В настоящее время солнечные батареи представляют собой довольно сложные и дорогостоящие устройства. Несомненно, что должны быть созданы новые относительно дешевые технологические материалы, которые должны быть более эффективными в осуществлении использования солнечной энергии.

Еще одним очень привлекательным и вполне реальным примером в технологии преобразования энергии служат водородные топливные элементы, которые к тому же обладают тем преимуществом, что не загрязняют окружающую среду. В настоящее время только начинается использование этой технологии в электронных устройствах; в перспективе такие элементы могут использоваться как силовые установки в автомобилях. Для создания более эффективных топливных элементов нужны новые материалы, а для производства водорода необходимы новые катализаторы.

Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне нам необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды. Для осуществления контроля загрязнений используют различные материалы. Кроме того, необходимо усовершенствовать методы переработки и очистки материалов с тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать меньше отходов и меньше вредить окружающей нас природе при добыче полезных ископаемых. Следует также учесть, что при производстве некоторых материалов образуются токсичные вещества, так что следует учесть возможный ущерб экологии от сброса таких отходов.

Автор: Каллистер У.Д., мл. (Пер. с англ. под ред. А.Я. Малкина)

Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

Номенклатура материалов, применяемых в современном строительстве огромна. Чтобы легче ориентироваться в многообразии строительных материалов и изделий, чаще всего их классифицируют по назначению, исходя из условий работы материалов в сооружениях и по технологическому признаку, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления (керамические, древесные, каменные, бетонные и железобетонные и т.д.).

Для архитектурного и строительного материаловедения наиболее удобна классификация по назначению: материалы условно делят на две группы: конструкционные и материалы специального назначения.

Иногда встречается разделение материалов на конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные, однако не совсем верно, т.к. классификация не включает огромную группу материалов, например, герметики.

Конструкционные материалы, применяемые главным образом для несущих конструкций, различают следующие:

1) природные каменные;

3) искусственные каменные, получаемые:

а) омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетон, железобетон, растворы);

б) спеканием (керамические материалы и огнеупоры);

в) плавлением (стекло и ситаллы);

4) металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы);

7) композиционные материалы (асбестоцемент, железобетон, полимербетон, фибробетон, стеклопластик и др.).

Строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта, следующие:

3) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие;

7) материалы для защиты от радиационных воздействий и др.

Понятие свойство материала. Классификация свойств

Важным слагаемым, определяющим качество современной архитектуры, является качество применяемых в строительстве конструкционных и отделочных материалов и изделий. Борьба за повышение качества промышленной продукции неразрывно связана с его оценкой, управлением, контролем и аттестацией. Чтобы управлять качеством, необходимо, прежде всего, научиться его измерять.

Область науки, занимающаяся методами количественной оценки качества продукции, называется квалиметрией (от лат. gualis-какая по качеству и греч. metreo - измеряю). Количественная оценка качества продукции, т.е. определение численных значений показателей качества, применяется в различных областях для выбора оптимального варианта (из некоторого числа сравниваемых), для изучения динамики совершенствования качества, планирования, контроля и аттестации качества продукции и т.п.

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами.

Свойство способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор. Действие того или другого фактора обусловлено как составом и строением материала, так и эксплуатационными условиями материала в конструкции зданий и сооружений.

Свойство -характеристика материала (изделия), проявляющееся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.

Например, термопластичность жесткого поливиннлхлорадного листа проявляется при изготовлении из него рельефных вакуумформованных облицовочных материалов, удобоукладываемость бетонной смеси - при применении (укладке), а износостойкость керамических плиток для полов - при эксплуатации покрытия.

Сложное свойство - такое свойство материала (изделия), которое может быть подразделено на два или большее количество менее сложных или простых свойств. Например, сложное свойство функциональность материала (изделия) определяется совокупностью эксплуатационно-технических и технологических свойств, характеризующих его функцию, назначение, утилитарную способность, т. е. то, для чего он разработан и изготовлен.

Качество- сложное свойство, совокупность всех функциональных и эстетических свойств материала (изделия), обусловливающих его способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с его назначением.

Интегральное качество (соотношение цена/качество)- наиболее сложное свойство материала (изделия), определяемое совокупностью его качества и экономичности.

Общие свойства строительных материалов и изделий можно классифицировать на три основные группы: функциональные, эстетические и экономические. Каждая группа представляет собой сложное свойство, которое, в свою очередь, является совокупностью менее сложных свойств.

Свойства строительных материалов и изделий по их природе классифицируют на три основные группы: - физические, механические и химические.Такое деление широко применяется для изучения методов оценки свойств, для выявления закономерных связей между строением и свойствами веществ и других исследовательских и прикладных целей.

К физическим свойствамматериалов относятся:

· характеристики структур и массы (плотность, пористость, пустотность и др.);

· свойства, определяющие отношение материалов к действию воды, пара, газов (гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, влагостойкость, водостойкость, паропроницаемость, газопроницаемость и др.);

· отношение материалов к действию тепла, огня, холода, электрического тока, звуковых волн, излучений (теплопроводность, термостойкость, огнестойкость, огнеупорность, хладостойкость, электропроводность, звукоизолирующая и звукопоглощающая способность, радиационная стойкость и др.);

· отношение к комплексному действию внешней среды, например, одновременного действия воды и холода (морозостойкость) и т.п.

Одни физические свойства материалов проявляются в процессе их производства и переработки (плавкость, ковкость, свариваемость, спекаемость, формуемость, растворимость и др.) их называют технологическими, другие – непосредственно в процессе эксплуатации или через характеристики тех свойств материала, которые определяют его функциональность и эстетичность. Свойства материалов обычно взаимосвязаны. Так, плотность и пористость материала влияют на его весовые и теплотехнические характеристики, поверхностное водопоглощение - на морозостойкость и загрязняемость, воздухопроницаемость - на звукопоглощение материалов и т.п.

Для архитектора не менее важны физические свойства материалов, характеризующие их цвет, блеск, фактуру, текстуру и др.

Под механическими свойствами материалов понимают их способность сопротивляться деформированию и разрушению (в сочетании с упругим и пластическим поведением) под действием внешних сил.

К этим свойствам относятся: прочность (при сжатии, растяжении, изгибе, ударе, срезе, кручений и т.д.), твердость, упругость, деформативность, хрупкость, ударная вязкость, пластичность, текучесть, ползучесть, выносливость (усталость), истираемость и др.

Химические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающей в них обменные реакции и приводящие к разрешению материалов. Это -кислотостойкость, щелочестойкость, стойкость к одновременному действию комплекса химически активных агентов и др.

Кроме этих основных групп свойств можно выделить биологические свойства строительных материалов и изделий, характеризующих их стойкость к действию грибков, микроорганизмов, насекомых и их личинок, и др. Однако все биологические процессы могут быть сведены к химическим.

Следует отметить, что в эксплуатационных условиях строительные материалы и изделия подвергаются, как правило, одновременному действию физических, механических, химических, биологических, физико-химических, химико-биологических и других факторов. Так, например, материалы для наружных ограждающих конструкций здания подвергаются действию различных механических нагрузок, воды, тепла, холода, ультрафиолетового облучения и других факторов внешней среды. Свойства материалов, характеризующие их стойкость к такому одновременному или циклическому действию различных агрессивных (разрушающих) факторов, являются комплексными.Это - долговечность, надежность, совместимость, длительная прочность, износостойкость, теплостойкость, жаропрочность и жаростойкость, кавитационная стойкость, сопротивление коррозии и эрозии.

Санитарно-гигиеническиехарактеристики материалов, в основном, зависят от их химического состава и оцениваются методами санитарно-химического анализа. Исключение составляет характеристика загрязняемости, которая определяется, главным образом, наличием на поверхности материала открытых пор. Санитарно-гигиенические свойства правомерно выделить в отдельную группу, однако обычно они рассматриваются в группе химических свойств.

Читайте также: