Материаловедение : неметаллические материалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2130 

Кафедра металловедения цветных металлов

С.В. Медведева 
О.И. Мамзурина 
 

Материаловедение 

Неметаллические материалы 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию  
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов  
высших учебных заведений, обучающихся по направлению  
Металлургия 

Москва 2012 

УДК 620.22 
 
М42 

Р е ц е н з е н т  
доц. М.И. Степанова («МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского) 

Медведева, С.В. 
М42  
Материаловедение : неметаллические материалы : курс лекций / С.В. Медведева, О.И. Мамзурина. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2012. – 73 с. 
ISBN 978-5-87623-590-9 

Рассмотрены основные виды неметаллических материалов, применяемые 
в современной технике: полимерные материалы, стекла, керамические и 
композиционные материалы. Описаны свойства таких материалов, особенности строения, основные области применения. Настоящий курс лекций позволит полностью обеспечить студентов необходимым минимумом информации 
по неметаллическим материалам, предусмотренным учебной программой 
курса. 
В конце издания приведены логические конспекты-схемы, на которых 
лекционный материал представлен в наиболее сжатой и наглядной форме, 
что способствует лучшему его усвоению. 
Предназначен 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
направлениям 
150400 «Металлургия», 
280700 
«Защита 
окружающей 
среды», 
080502 «Менеджмент» и 220301 «Автоматизация и управление». 
 

УДК 620.22 

ISBN 978-5-87623-590-9 
© С.В. Медведева, 
О.И. Мамзурина, 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ................................................................................................................ 4 
1. Полимерные материалы................................................................................... 5 
1.1. Состав и строение полимеров.................................................................. 5 
1.2. Физические и фазовые состояния полимеров........................................ 9 
1.3. Классификация полимерных материалов............................................. 12 
1.4. Методы получения синтетических полимеров .................................... 13 
1.5. Состав полимерного материала............................................................. 14 
1.6. Типовые полимерные материалы.......................................................... 20 
1.7. Резины ...................................................................................................... 21 
1.8. Состав резиновых смесей....................................................................... 21 
2. Неорганические стекла .................................................................................. 23 
2.1. Структура неорганических стекол ........................................................ 23 
2.2. Химический состав стекол..................................................................... 25 
2.3. Влияние структурных изменений на уровень упрочнения 
стекол........................................................................................................ 27 
2.4. Кристаллизация неорганических стекол .............................................. 30 
2.5. Свойства стекол и их применение......................................................... 32 
3. Керамические материалы .............................................................................. 34 
3.1. Общие сведения....................................................................................... 34 
3.2. Принципиальная технологическая схема получения керамики......... 36 
3.3. Типы керамических материалов............................................................ 37 
3.3.1. Аморфные керамики........................................................................ 37 
3.3.2. Высокоэффективные конструкционные керамические 
материалы......................................................................................... 37 
3.3.3. Натуральные керамические материалы......................................... 38 
3.4. Соединение керамических деталей....................................................... 38 
3.5. Классификация керамических материалов по химическому 
составу ...................................................................................................... 39 
4. Композиционные материалы......................................................................... 42 
4.1. Классификация композиционных материалов..................................... 43 
4.2. Использование наполнителей для создания полимерных 
композитов............................................................................................... 44 
4.2.1. Нульмерные наполнители............................................................... 44 
4.2.2. Одномерные наполнители .............................................................. 46 
4.2.3. Механизмы упрочнения волокнами............................................... 57 
4.3. Керамические композиционные материалы......................................... 59 
4.4. Применение армированных пластиков................................................. 61 
Логические конспекты-схемы........................................................................... 66 
Библиографический список............................................................................... 72 

ВВЕДЕНИЕ 

Во многих публикациях последнего времени утверждается, что 
около трети ученых-технологов так или иначе занимаются разработкой новых материалов с заранее заданными свойствами. В силу этого 
создание новых материалов происходит быстрее, чем когда-либо 
раньше в истории человечества. Современный конструктор должен 
представлять себе свойства новых материалов и их потенциальные 
возможности. Использование нового материала детали (к примеру, 
полимера) вместо традиционного металла при проектировании 
сложного технического узла сопровождается изменением ее конструкции, веса, способов изготовления, соединения и отделки. Специалист должен уметь сравнивать и точно оценивать свойства конкурирующих конструкционных материалов – а это часто оказывается 
сложным делом. 
Материаловедение (наука о строении и свойствах материалов) 
давно уже стало отдельной областью знаний. Оно изучает и исследует четыре главные группы конструкционных материалов: металлы и 
их сплавы, полимеры, керамики и композиты. 
Курс лекций предназначен для первичного ознакомления студентов со свойствами, структурами, условиями получения неметаллических материалов, применяемых в технике: полимерных материалов, 
неорганических стекол, керамика и неметаллических композиционных материалов. 
Для успешного усвоения учебного материала в данном курсе лекций приведены логические конспекты-схемы. Такая форма представления материала позволяет оперативно повторить все изученное и 
обобщить полученные знания по темам. 

1. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

Термин полимерные материалы (ПМ), или пластические массы 
(пластмассы), объединяет большой класс синтетических материалов 
с разнообразными физическими, технологическими, потребительскими и эксплуатационными свойствами. В настоящее время ПМ 
используются во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, в обеспечении комфортной жизнедеятельности людей. 
Первыми пластическими массами, созданными человеком искусственно на основе химически модифицированных природных полимеров – натурального каучука, нитроцеллюлозы и белковых веществ, 
были эбонит (1843 г.), целлулоид (1872 г.) и галалит (1897 г.). Получение первых синтетических смол и пластмасс относится к началу 
ХХ столетия. В начале столетия был освоен выпуск фенопластов 
(первые синтетические высокомолекулярные соединения – бакелит и 
карболит – представляют собой фенолформальдегидные смолы, полученные поликонденсацией фенола с формальдегидом), а после 
Первой мировой войны – аминопластов. В 30-х гг. XX в. начался 
промышленный выпуск полистирола, поливинилхлорида, полиметилметакрилата и др. 

1.1. Состав и строение полимеров 

Полимер – вещество, молекула которого состоит из большого 
числа повторяющихся звеньев, так называемых мономеров. Мономеры – это низкомолекулярные вещества, которые при определенных 
условиях способны реагировать между собой. Это приводит к тому, 
что возникает длинная цепная молекула, которую называют макромолекулой (или полимерной цепью). В макромолекуле составляющие ее низкомолекулярные повторяющиеся структурные единицы, 
или элементарные (мономерные) звенья, соединены прочными химическими связями. Сами же макромолекулы связаны между собой 
слабыми физическими межмолекулярными силами: 

CH2= CH2 + CH2= …+ CH2+ CH2= CH2→ –CH2–CH2–CH2–…CH2–CH2–CH2– 
 
n(CH2= CH2)→ n(–CH2 – CH2–),  

где n – число элементарных звеньев (степень полимеризации); 
(CH2=CH2) – мономер; 
n(–CH2–CH2–) – полимер. 

Среднее количество повторяющихся элементарных звеньев (n) в 
полимерной цепочке – степень полимеризации. Значение степени 
полимеризации может варьироваться в широких пределах: от n, равного нескольким единицам, до n, равного 5000…10 000 и даже больше. Полимеры с высокой степенью полимеризации называются высокополимерами, полимеры с низкой степенью полимеризации – 
олигомерами. Высокополимеры имеют очень большие значения молекулярных весов, порядка 104…106, поэтому высокополимерные 
вещества являются и высокомолекулярными. 
Если основная цепь полимера построена из звеньев одного мономера, то ее называют гомополимерами. Так, полиэтилен n(–СН2–
СН2–) является гомополимером этилена. Макромолекулы могут быть 
построены из двух или более различных мономеров. Такие полимеры 
называют сополимерами. 
Цепное строение макромолекул и различная природа связей вдоль 
и между цепями определяют комплекс особых физико-химических 
свойств полимерного материала. Например, одновременное сочетание в нем прочности, легкости и эластичности, способности образовывать пленки и волокна. Цепное строение макромолекул ответственно также за то, что полимеры способны значительно набухать в 
жидкостях, образовывая при этом ряд систем, по свойствам промежуточных между твердым телом и жидкостью. 
Полимеры, построенные из очень длинных цепочек, обладают исключительно высокими молекулярными массами. Если известно значение степени полимеризации (n), то, зная молекулярную массу элементарного звена Мзв, можно определить молекулярную массу гомополимера: 

 
М = nМзв. 

Соединение мономеров в макромолекулы происходит в результате химических реакций, которые протекают по законам цепных или 
ступенчатых процессов. В результате какой бы реакции ни был получен полимер, он всегда состоит из набора различных по размеру 
макромолекул. Это связано с тем, что во время протекания реакции 
полимеризации из-за неоднозначности термодинамических, химических и прочих условий степень полимеризации n принимает различные значения, близкие к n как «слева», так и «справа». Поэтому молекулярная масса полимера является некоторой усредненной величиной.  

Огромная макромолекула полимера может быть линейной и разветвленной, т.е. иметь боковые ответвления («ветви») от основной 
цепи. Ветви могут быть короткими и соизмеримыми с длиной основной цепи, присоединяться к ней по одной в нескольких узлах ветвления (гребнеобразные полимеры) или исходить из одного узла, придавая макромолекуле форму звезды. Схематически форма макромолекул представлена на рис. 1.1. При одинаковом химическом составе 
и молекулярной массе полимера названные выше структуры являются изомерами, которые определяют существенные различия в физических и механических свойствах полимеров. 

а) 
 
б) 
 

в) 
 
г) 
  

д) 
 

Рис. 1.1. Схематическое изображение различных видов 
макромолекул: 
a – линейный полимер; б – гребнеобразный длинноветвленный 
полимер; в – гребнеобразный коротковетвленный полимер;  
г – звездообразный полимер; д – сетчатый полимер 

Кроме линейных (см. рис. 1.1, а) и разветвленных (см. рис. 1.1, б, 
в, г), полимеры могут быть сетчатыми (см. рис. 1.1, д). Существование поперечных ковалентных связей между макромолекулами превращает весь полимерный образец как бы в одну гигантскую молекулу, молекулярная масса которой совпадает с массой самого образца. Наличие прочных химических поперечных связей в сетчатых полимерах сильно сказывается на их свойствах.  

Мономеры, образующие три и большее число активных ковалентных связей, образуют трехмерные сетчатые структуры, которые называют сетчатыми полимерами. 

Свойства полимера зависят от его строения. Взаимосвязь между 
физическими свойствами полимеров и их химическим строением 
очень сложна и проявляется, в том числе, через гибкость макромолекул, которая заключается в том, что последние способны сворачиваться или складываться. На рис. 1.2 схематически показана часть 
гибкой макромолекулы, к разным участкам которой приложены неодинаковые тепловые импульсы. Они вызывают перемещение участков различной длины. 

 

Рис. 1.2. Перемещение сегмента макромолекулы под действием 
направленного импульса теплового движения 

Гибкость полимерной цепи определяется способностью атомов 
или атомных групп вращаться вокруг соединяющих их химических 
связей. В реальных цепных молекулах полимеров вращение атомов 
или атомных групп не свободно, так как положение каждого последующего звена в основной цепи оказывается зависимым от положения предыдущего. Среднестатистический участок макромолекулы, 
перемещающийся как единое целое в элементарном акте теплового 
движения, называют сегментом. 
Изменение формы молекул под влиянием теплового движения 
(или под действием внешнего поля), не сопровождающееся разрывом 
химических связей, называют конформационным превращением, 
сами же новые формы молекулы – конформациями. 
Тепловое движение, повороты вокруг связей в полимерах совершают не только атомы и атомные группы, но и отдельные участки 
макромолекул без изменения при этом расположения более отдаленных участков цепей. Таким образом, макромолекулы способны из

менять свою геометрическую форму, изгибаясь, скручиваясь и разворачиваясь в соответствии со случайными тепловыми импульсами, 
действующими на отдельные участки макромолекулы. Такие движения происходят, как правило, в расплавах и растворах. Размеры подвижных участков макроцепей не являются строго определенными.  

Очень незначительные внутримолекулярные взаимодействия и невысокая энергия конформационных переходов (4,2…25,1 кДж/моль) 
позволяют отнести полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен к 
гибким полимерам, статистический сегмент которых составляет 10–
40 элементарных звеньев. Увеличение внутри- и межмолекулярного 
взаимодействия способствует образованию жесткоцепных полимеров, статистический сегмент которых может включать 100 и более 
повторяющихся звеньев. Жесткоцепными являются полиэфиры и 
полиамиды, а также полиимиды, целлюлоза и полисахара, содержащие атомы, способные к образованию сильных межмолекулярных 
водородных связей. Жесткость цепей возрастает, если в макромолекулах содержатся большие по объему и массе заместители. Конформационные переходы в таких макромолекулах требуют значительной 
энергии и длительности. При невысоких температурах они практически отсутствуют, а при высоких – проявляются благодаря увеличению общей кинетической гибкости цепей. 
Наличие химических связей между макромолекулами существенно ограничивает их гибкость. В сшитых, сетчатых и густосетчатых 
полимерах с развитой пространственной структурой гибкость цепей 
вырождается. 

1.2. Физические и фазовые состояния полимеров 

Известны три основных физических состояния веществ – твердое, 
жидкое и газообразное. В основу этой классификации положена способность тел сохранять свой объем и форму, а также способность 
сопротивляться воздействию внешних сил. Цепное строение и сильное межмолекулярное взаимодействие макромолекул являются причиной того, что полимеры могут находиться только в жидком или 
твердом состоянии. 
С термодинамической точки зрения различают фазовые состояния вещества. 
Полимеры могут находиться в кристаллическом и аморфном состояниях.  

Кристалличность полимеров (способ укладки молекулярных цепей) приводит к возникновению дальнего порядка в расположении 
атомов, а аморфное состояние характеризуется наличием ближнего 
порядка. Полимерные молекулы вследствие их размеров и сложного 
строения могут кристаллизоваться лишь частично. Любые нарушения регулярного строения цепи или отклонения от линейности расположения цепи приводят к образованию аморфных областей. 
Из одного физического состояния в другое полимер переходит 
при изменении температуры, которая влияет на запас тепловой энергии макромолекул и вызывает изменения механических и деформационных свойств полимеров. 
Все состояния полимеров можно наблюдать при изменении температуры (рис. 1.3). Каждое состояние имеет свою природу и особенности. 

 

Рис. 1.3. Зависимость состояния полимера от температуры:  
Тхр – температура хрупкости; Тст – температура стеклования; 
Тпл – температура плавления; Тдестр – температура деструкции 

Кристаллизация полимера – это процесс, при котором в результате охлаждения из жидкого расплава формируется упорядоченная фаза. 
Стеклование связано с тем, что аморфный полимер при охлаждении из расплавленного состояния становится жестким твердым телом, но при этом сохраняет неупорядоченную молекулярную структуру, характерную для жидкого состояния вещества. 
Стеклообразное состояние у полимеров наблюдается тогда, когда 
их сегменты «заморожены», т.е. лишены подвижности. При стекловании между макромолекулами не возникает связей нового типа. В 
затвердевшем полимере наблюдается ближний порядок в расположении отдельных частей макромолекул. 
Стеклообразный полимер – это твердый хрупкий материал, в макромолекулах которого лишь атомы или их группы совершают колебательные движения около положений равновесия. 

С повышением температуры приток тепловой энергии может оказаться достаточным, чтобы началось движение более крупных фрагментов – сегментов. Внешне это проявляется в том, что наблюдается 
постепенный переход от свойств твердого, хрупкого материала к 
свойствам более мягкого пластичного тела. Среднее значение некоторой области температур, в которой наступает сегментальная подвижность макромолекул, называют температурой стеклования Тст 
(см. рис. 1.3). Поскольку гибкость цепи и размер сегмента взаимосвязаны и зависят от внутри- и межмолекулярного взаимодействия в 
полимере, то факторы, ответственные за его увеличение, будут повышать Тст и, наоборот, Тст будет смещаться в область более низких 
температур при ослаблении межмолекулярных сил. 
У линейных полимеров температура стеклования зависит от молекулярной массы, увеличиваясь с ее ростом. У сетчатых полимеров 
образование сшитой структуры приводит к повышению Тст тем 
большему, чем гуще пространственная сетка. 
Процесс стеклования сопровождается изменением многих свойств 
полимера – теплопроводности, электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, показателя преломления, причем эти 
свойства меняются скачкообразно при температуре Тст. 
При понижении температуры ниже Тст в полимере наблюдается 
дальнейшее уменьшение теплового движения кинетических фрагментов макромолекул. Чтобы вызвать теперь даже небольшую деформацию застеклованного полимера, нужно приложить к нему 
большую механическую нагрузку. При этом полимер ведет себя как 
упругое или упруговязкое тело. При дальнейшем понижении температуры полимер разрушается как хрупкое тело при ничтожно малой 
деформации. Температуру, при которой происходит хрупкое разрушение полимера, называют температурой хрупкости Тхр (около 
0,75Тст). Полимеры, как правило, эксплуатируются в стеклообразном 
состоянии. 
Эластическое состояние полимера характеризуется относительно высокой подвижностью сегментов макромолекул. Оно проявляется только тогда, когда макромолекулы имеют значительную длину 
(большую молекулярную массу), и особенно свойственно гибкоцепным полимерам, характеризуемым небольшими силами межмолекулярного взаимодействия. 
Сравнительной легкостью принятия макромолекулой самых различных конформаций под влиянием внешнего механического напряжения объясняются ее значительные деформации (сотни процен