Capitolul 7 Sm

ŞTIINŢA MATERIALELOR Modulul (capitolul) 7

CUPRINS

MATERIALE ELECTROIZOLANTE.............................................213 7.1. Introducere ..............................................................................213 7.2. Structurile şi reacţiile de sinteză a polimerilor .......................215 7.3. Proprietăţile polimerilor..........................................................222 7.4. Principalele tipuri de materiale polimerice.............................224 7.5. Materiale ceramice şi sticle.....................................................232 Cuvinte cheie .................................................................................246 Bibliografie ....................................................................................247 Teste de autoevaluare.....................................................................248

OBIECTIVE:

Insuşirea noţiunilor privind principalele tipuri de materiale cu proprietăţi speciale de izolare electrică .

Se au în vedere următoarele aspecte: criterii de clasificare a materialelor electroizolante, structura şi proprietăţile materialelor electroizolante pe bază de polimeri, tipuri de mase plastice, structura şi proprietăţile celulozei, structura materialelor ceramice, tipuri de materiale ceramice, structura şi proprietăţile sticlelor.

Insuşirea cunoştinţelor din acest capitol impune parcurgerea şi însuşirea noţiunilor din modulul 4 al cursului.

Timpul mediu necesar asimilării modulului: 16 ore

STIINTA MATERIALELOR

212

Capitolul 7 Materiale electroizolante

213

MATERIALE ELECTROIZOLANTE

7.1. Introducere Din clasa materialelor electroizoloante fac parte materialele a căror

rezistivitate electrică ρ depăşeşte 106 Ωm. O parte dintre aceste materiale se pot

polariza electric, astfel că sunt şi dielectrici (v.cap.4). Principalele proprietăţi pe

care trebuie să le aibă un material electroizolant sunt:

- rezistivitate electrică şi rigiditate dielectrică mari;

- rezistenţă mare la acţiunea agenţilor chimici;

- caracteristici mecanice ridicate (rezistenţă mecanică suficientă şi

tenacitate);

- menţinerea în timp a caracteristicilor (îmbătrânire lentă);

- prelucrabilitate bună şi cost redus;

Deoarece condiţiile de exploatare a dispozitivelor electronice sunt extrem

de diverse (de la condiţiile din spaţiul cosmic la jungla amazoniană) şi obţinerea

unor materiale care să îndeplinească integral condiţiile enumerate mai sus este

practic imposibilă la nivelul actual al tehnicii, este necesară alegerea acelor

materiale care corespund cel mai bine destinaţiei aparaturii respective.

Numărul mare de tipuri de materiale electroizolante cu proprietăţi diverse a

condus la clasificări după mai multe criterii.

Cel mai general criteriu, care stă şi la baza clasificării primare făcută de

CEI ( Comisia Internaţională pentru Electrotehnică – organismul internaţional de

standardizare recunoscut în domeniu) este starea de agregare; această clasificare

este prezentată în schema următoare.


214

Dat fiind faptul că temperatura este unul dintre factorii externi care

influenţează proprietăţile în orice condiţii de exploatare, criteriul de clasificare

utilizat şi de standarde este stabilitatea termică. Prin stabilitate termică a unui

material electroizolant se înţelege capacitatea acestuia de a rezista timp îndelungat

la o temperatură dată; în funcţie de temperatura limită, materialele au fost

clasificate în clase termice (STAS 6247-87) după cum urmează: lasa Y A E B F H 200 220 250 Temperatura, oC 90 105 120 130 155 180 200 220 250

Pentru temperaturi mai mari de 250 oC, clasele termice se stabilesc din 25

în 25 oC.

La alegerea unui material electroizolant trebuie să se ţină seama de faptul

îmbătrânirea acestuia se datorează şi altor factori (solicitări electrice, solicitări

mecanice, agenţi chimici, radiaţii etc.- v. cap. 4). Atribuirea unei clase termice

unui produs electronic nu înseamnă că fiecare material electroizolant utilizat în

construcţia produsului are aceeaşi stabilitate termică. Se utilizează de fapt sisteme

de izolaţie în care stabilitatea termică a diferitelor materiale electroizolante poate

fi îmbunătăţită sau înrăutăţită prin influenţa reciprocă a acestora.

Clasificarea după natura chimică a materialelor electroizolante are

avantajul evidenţierii relaţiilor dintre proprietăţi, compoziţie şi structură; conform

acestui criteriu, materialele electroizolante pot fi organice şi anorganice.

Materialele electroizolante organice (gazoase, licihde sau solide) sunt

cele mai numeroase. Faptul că atomii de carbon au proprietatea de a se uni între ei

cu legături simple, duble sau triple, face ca numărul combinaţiilor să fie foarte

mare. In electronică se folosesc cu precădere materialele electroizolante solide; în

această categorie intră:

- substanţele micromoleculare cum sunt cerurile naturale şi sintetice:

- substanţele macromoleculare cum sunt răşinile naturale şi răşinile


215

sintetice (polimerii), care sunt substanţe organice cu masa moleculară nedefinită şi

foarte mare, capabile să se întărească printr-o reacţie chimică.

In industria electronică şi electrotehnică nu se utilizează răşini pure ci

mase plastice – materiale complexe ce conţin pe lângă polimerul de bază alte

substanţe organice sau anorganice ca umplutură sau aditivi pentru îmbunătăţirea

anumitor proprietăţi şi pentru reducerea costului. In cele ce urmează în cadrul

acestui capitol vor fi prezentate noţiunile de bază privind substanţele

macromoleculare sintetice (polimeri) deoarece de proprietăţile acestora depind

esenţial proprietăţile maselor plastice în compoziţia cărora intră.

Materialele electroizolante anorganice sunt roci naturale (mica,

marmura), sticle şi ceramice şi sunt utilizate acolo unde temperaturile depăşesc

180…200 oC şi este necesară o bună stabiltate chimică. Proprietăţile

electroizolante sunt în general mai reduse decât ale materialelor organice, dar sunt

mai rezistente la efectele descărcărilor electrice. Din punct de vedere mecanic,

materialele anorganice sunt mai fragile şi au rezistenţă redusă la solicitările cu

şoc. Sticla, care poate fi trasă în fire subţiri este utilizată pentru obţinerea

materialelor compozite constituite dintr-o matrice polimerică armată cu fibre de

sticlă.

In cadrul prezentului capitol vor fi prezentate aspectele esenţiale legate de

obţinerea şi prelucrarea sticlelor şi ceramicelor mai importante.

7.2. Structurile şi reacţiile de sinteză a polimerilor

7.2.1. Noţiuni de bază privind structura macromoleculară Polimerii sunt compuşi chimici (în marea majoritate a cazurilor organici)

cu molecule de dimensiuni mari (macromolecule) obţinute din unirea într-un

lanţ molecular (catenă) a unui număr mare de monomeri - unităţi structurale

de obicei identice. Aşa cum se cunoaşte, moleculele organice se formează prin

legarea covalentă a atomilor de carbon cu alţi atomi sau unităţi structurale. După

modul cum sunt ocupate cele patru valenţe ale carbonului, pot exista

următoarele situaţii: patru legături simple; două legături simple şi una dublă,

două legături duble, o legătură simplă şi una triplă.

Hidrocarburile nesaturate au legături duble sau chiar triple, caz în care

moleculele devin planare şi pot reacţiona între ele sau cu alţi compuşi dând


216

naştere moleculelor gigant ale polimerilor; de exemplu, în cazul etilenei C2H4

legăturile duble se pot desface permiţând unităţilor structurale să se lege şi să

formeze polietilena conform schemei :

care poate fi reprezentată şi astfel:

unde n reprezintă numărul de unităţi structurale (monomeri) din lanţul

macromolecular şi se numeşte grad de polimerizare, care pentru polimerii

utilizaţi în tehnică are valori n = 103…106. Gradul de polimerizare se determină cu

relaţia:

monomer

polimer

MM

n = , (7.1)

unde Mpolimer este masa moleculară a polimerului iar Mmonomer masa moleculară a

monomerului.

In acelaşi mod, şi alţi atomi de H pot fi înlocuiţi cu atomi sau radicali

liberi ( grupuri structurale de atomi care au legături nesatisfăcute) rezultând

practic un număr nelimitat de monomeri ce pot polimeriza.

Polimerii sintetici sunt amestecuri de macromolecule cu grade de

polimerizare diferite, caracteristică ce se numeşte polidispersie de masă

moleculară; distribuţia fracţiilor reprezentând lanţurile cu un anumit grad de

polimerizare n având caracter probabilistic pentru caracterizarea masică a unui

polimer se fosesc două mărimi medii:

− masa moleculară medie mM determinată în funcţie de fracţia

masică a macromoleculelor şi definită prin relaţia:

∑∑∑ ==

ii

iiiim

MNMN

MmM2

, (7.2)

unde mi este fracţia masică a lanţurilor cu masa Mi, iar Ni numărul lanţurilor cu

masa Mi;

− masa moleculară medie nM determinată în funcţie de fracţia

numerică a lanţurilor şi definită prin relaţia:


217

∑ ∑∑==

i

iiiin

NMN

MxM , (7.3)

unde xi este fracţia numerică a lanţurilor cu masa Mi; pentru calculul gradului de

polimerizare n cu relaţia (7.1) se consideră Mpolimer = nM .

Raportul n

m

MM descrie mărimea intervalului de distribuţie a maselor

moleculare sau polidispersitatea care pentru polimerii uzuali are valori 1,5…3,

ajungând în unele cazuri să aibă şi valori peste 10.

Gradul de polimerizare şi masa moleculară medie influenţează în mod

deosebit proprietăţile fizice şi mecanice ale unui polimer.

7.2.2. Reacţiile de sinteză a polimerilor

A. Polimerizarea este o reacţie în lanţ ce decurge în trei etape:

• iniţierea în decursul căreia are loc prin procese termice sau fotochimice

scindarea moleculelor unei substanţe introduse special ca iniţiator, şi formarea

unor radicali liberi primari care adiţionează la legătura dublă a monomerului şi

formează un radical mai mare; această primă etapă este ilustrată pentru un

monomer oarecare (X fiind un atom sau o unitate structurală) în figura 7.1a;

• propagarea (creşterea) în decursul căreia radicalii liberi formaţi în

etapa anterioară participă la reacţii de transfer în care se extrage un atom dintr-o

moleculă legându-se la radical care devine stabil şi se generează un nou radical

din molecula care a furnizat atomul; procesul continuă astfel cu ataşarea unor noi

unităţi structurale lanţului molecular care are la unul din capete radicalul primar,

iar celălat capăt este liber şi poate primi noi unităţi; aceeastă etapă este ilustrată în

figura 7.1b;

• întreruperea în decursul căreia radicalii reacţionează în perechi

pierzându-şi reactivitatea şi creşterea lanţului molecular se opreşte; procesul de

întrerupere este aleator şi se produce prin două mecanisme:

− prin combinare, atunci când capetele libere a două lanţuri moleculare

se întâlnesc şi se unesc (v. fig. 7.1 c);

− prin disproporţionare, atunci când un atom de hidrogen este transferat

de la un lanţ la altul şi se favorizează refacerea unei legături duble CC, aşa cum

se poate observa în figura 7.1 d.


218

Rezultă că pentru realizarea reacţiei de polimerizare este suficientă

activarea energetică pentru iniţiere, în continuare reacţia desfăşurându-se de la

sine, fapt pentru care este numită reacţie în lanţ. Polimerii astfel obţinuţi au

compoziţia chimică a merilor din care provin, deoarece prin polimerizare nu se

elimină produse secundare de reacţie.

Fig. 7.1 Etapele reacţiei de polimerizare:

a – iniţierea; b – propagarea; c − intreruperea prin combinare; d − întreruperea prin disproporţionare

B. Policondensarea este procesul prin care două molecule organice

diferite reacţionează pentru formarea unei molecule complexe ce se unesc în

lanţul macromolecular; reacţia are loc cu eliminarea unor substanţe cu molecula

mică (cel mai frecvent apa), ceea ce înseamnă că polimerii obţinuţi prin

policondensare au compoziţie chimică diferită de a monomerilor din care provin.

Reacţia de policondensare este o reacţie în trepte (sau pas cu pas) deoarece

creşterea lanţului macromolecular se realizează prin formarea de noi legături în

urma reacţiilor de condensare; obţinerea unor grade de polimerizare

corespunzătoare presupune controlul desfăşurării reacţiilor astfel încât să nu se

atingă prematur echilibrul.

C. Poliadiţia este o reacţie în trepte (la fel ca policondensarea) care

decurge fără eliminarea unei substanţe cu molecula mică, astfel că polimerul

obţinut are compoziţia chimică a merilor din care provine (la fel ca la

polimerizare); polimerii care se formează prin poliadiţie au de obicei în lanţurile


219

principale şi alţi atomi decât carbonul.

În timpul desfăşurării reacţiilor de sinteză pot avea loc ramificări ale

lanţului molecular, chiar şi în cazul în care monomerii participanţi sun

bifuncţionali (au doar două legături active); dacă lanţul macromolecular nu are

ramificaţii sau acestea sunt scurte polimerul respectiv este un polimer liniar, iar

dacă lanţul are ramificaţii lungi este un polimer ramificat sau dendrimer.

Din punct de vedere al tipului monomerilor ce alcătuiesc lanţul, aceştia pot

fi identici, caz în care rezultatul sintezei este un homopolimer sau pot fi diferiţi şi

în acest caz rezultatul sintezei este un copolimer.

Reacţiile de sinteză a polimerilor au la bază mecanisme complexe a căror

prezentare în detaliu depăşeşte cu mult cadrul acestei lucrări. Din punct de vedere

al utilizării materialelor pe bază de polimeri sunt mult mai importante aspectele

privind structura şi proprietăţile acestora.

7.2.3. Structura polimerilor

Proprietăţile fizico-mecanice ale polimerilor sunt influenţate de compoziţia

chimică şi de structură care se apreciază cu ajutorul a două caracteristici:

configuraţia şi conformaţia.

Configuraţia se referă la relaţia de ordine a unităţilor structurale în cadrul

lanţului macromolecular dată de legăturile chimice, ceea ce înseamnă că

modificarea configuraţiei se poate face numai prin ruperea legăturilor chimice.

Considerând dispunerea grupelor laterale ale monomerilor care alcătuiesc catena

(lanţul macromolecular) faţă de lanţul principal pot exista trei tipuri de

aranjamente distincte, ilustrate în figura 7.2:

− aranjamentul isotactic – acela în care toate unităţile structurale X

(atomii sau radicalii care caracterizează monomerul) sunt dispuse de aceeaşi parte

a lanţului (v. fig. 7.2a);

− aranjamentul sindiotactic – acela în care unităţile structurale X sunt

dispuse alternant de o parte şi de alta a lanţului (v. fig. 7.2b);

− aranjamentul atactic – acela în care unităţile structurale X sunt dispuse

aleator faţă de lanţul principal (v. fig. 7.2c).

Polimerii care au aceeaşi compoziţie chimică dar aranjament diferit al

monomerilor se numesc stereoizomeri.


220

Conformaţia se referă la poziţia relativă a doi monomeri vecini, realizată

prin rotirea în jurul legăturii simple dintre atomii de carbon; posibilitatea de rotire

permite modificarea poziţiei monomerului vecin fără ruperea legăturii chimice;

după un număr anumit de monomeri (implicit şi legături) poziţia monomerului

următor este practic independentă de cea a primului monomer, porţiunea

respectivă a macromoleculei numindu-se segment de lanţ. În acest mod, deşi

fiecare legătură are un unghi fix (aprox.109,5o) macromolecula rezultă sub forma

unui lanţ flexibil încolăcit. Aceasta înseamnă că distanţele dintre atomi sunt

diferite în funcţie de conformaţia lanţului (şi implicit interacţiunile dintre ei), ceea

ce influenţează proprietăţile fizico-mecanice ale polimerului.

Poziţia relativă a lanţurilor macromoleculare încolăcite este aleatoare ceeea

ce conferă structură amorfă polimerilor. În cazul polimerilor liniari se poate

realiza şi o ordonare la distanţă pe anumite zone prin alinierea unor segmente de

lanţ, obţinându-se o structură parţial cristalină apreciată prin gradul de

cristalinitate, care exprimă procentual volumul zonelor cu structură cristalină.

Porţiunile de catene aranjate ordonat sunt numite cristalite şi au o

dispunere aleatoare în masa polimerului; prin anumite procedee tehnologice se

poate realiza şi o orientare a cristalitelor, obţinându-se o texturare a zonelor

cristaline; în figura 7.3 se prezintă schematic poziţiile lanţurilor moleculare în

cazul structurilor amorfe, cristaline şi texturate.

Fig. 7.2 Dispunerea grupelor laterale la stereoizomeri: a − aranjament isotactic; b – aranjament sindiotactic; c − aranjament atactic


221

Fig 7.3. Structurile polimerilor liniari:

a – structură amorfă; b – structură cristalină; c – texturare cristalină Cristalizarea poate conduce şi la realizarea unor structuri supramoleculare

de tip fibrile şi/sau sferulite. Fibrilele rezultă prin orientarea cristalitelor pe o

singură direcţie, iar sferulitele prin unire mai multor fibrile în jurul unui nucleu

aşa cum se observă în figura 7.4; o sferulită cuprinde atât fibrile cât şi cristalite

orientate aleator, lanţuri moleculare de legătură şi zone cu structură amorfă.

Fig. 7. 4. Reprezentarea schematică a componentelor unei sferulite

Lanţurile moleculare ale polimerilor liniari şi ramificaţi se pot lega între

ele prin punţi formate dintr-o singură unitate structurală (atom sau radical liber)

sau printr-un lanţ scurt, rezultând o reţea tridimensională dezordonată numită

structură reticulară – respectiv polimer reticulat; în cazul polimerilor reticulaţi

noţiunea de macromoleculă îşi pierde sensul deoarece se formează un complex de

legături în care catenele nu mai pot fi individualizate. Reticularea se poate realiza

fie în timpul reacţiilor de sinteză, fie ulterior prin amestecarea polimerului cu un

agent de reticulare (element sau compus chimic).


222

7.3. Proprietăţile polimerilor

7.3.1. Caracterizarea generală a polimerilor Caracteristicile generale ale polimerilor şi materialelor pe bază de polimeri

rezultă din particularităţile naturii chimice (compoziţie şi tip de legături) şi

structurii lor.

Este cunoscut că principala consecinţă a structurii amorfe este faptul că

materialele respective nu au o temperatură definită de topire solidificare, trecerea

către starea lichidă la încălzire făcându-se treptat într-un interval de temperatură;

şi în cazul polimerilor ca şi în cazul sticlelor există o temperatură Tv de tranziţie

sticloasă (vitroasă) sub care se comportă din punct de vedere mecanic ca solidele

cristaline şi o temperatură de curgere Tc deasupra căreia materialul se comportă

ca un lichid vâscos.

În cazul polimerilor caracterizarea poate fi făcută mai sugestiv cu ajutorul

curbei termo-mecanice care arată dependenţa deformaţiei specifice în funcţie de

temperatură (la solicitare constantă) aşa cum se observă în figura 7.5. La

temperaturi T ≤ Tv, deformaţiile sunt mici, şi variază liniar cu temperatura,

materialul comportându-se ca un solid rigid (stare vitroasă); la temperaturi

Tv < T ≤ Tc, deformaţia specifică are valori foarte ridicate (corespunzătoare uneori

unor alungiri de peste 10 ori lungimea iniţială); după caracterul deformaţiilor, în

acest interval de temperaturi polimerul se poate afla într-o stare înalt elastică

(deformaţiile sunt preponderent elastice) sau într-o stare elasto-plastică

(deformaţiile sunt preponderent plastice). La temperaturi T > Tc, materialul se

comportă ca un fluid a cărui vâscozitate scade pe măsură ce creşte temperatura; în

practică, se determină şi o temperatură considerată temperatură de sfârşit de topire

de la care polimerul este în stare lichidă; dacă temperatura depăşeşte o anumită

valoare se produce degradarea termică a polimerului prin ruperea legăturilor

dintre monomeri şi oxidarea exotermă (arderea) acestora.

Temperaturile Tv şi Tc ale căror valori depind în principal de compoziţia

chimică şi de masa moleculară, sunt caracteristici importante ale polimerilor

deoarece permit stabilirea temperaturilor de lucru şi temperaturilor de prelucrare;

în figura 7.5 valorile lor au fost marcate în mod convenţional, transformările

producându-se de fapt în intervale de temperaturi a căror mărime şi configuraţie


223

prezentate în figura 7.6 arată că temepratura Tc este puternic dependentă de masa

moleculară a polimerului, iar Tv rămâne practic constantă la valori mai ridicate ale

masei moleculare.

După comportarea la încălzire, substanţele macromoleculare se grupează în

trei categorii; termoplaste (plastomeri), termorigide şi elastomeri.

• Termoplastele sunt substanţe macromoleculare cu structura liniară

sau ramificată, complet amorfă sau parţial cristalină, ce pot fi încălzite în vederea

prelucrării la temperaturi T > Tc de un număr nelimitat de ori (cu condiţia evitării

temperaturilor de degradare). Se utilizează în stare elasto-plastică în domeniul de

temperaturi (Tv ; Tc) sau în stare vitroasă (T < Tv).

Fig. 7.5 Curba termo-mecanică a unui polimer

cu structură amorfă Fig. 7.6 Dependenţa temeperaturilor Tv şi Tc

de masa moleculară

• Termorigidele sunt substanţe macromoleculare cu grad mare de

reticulare care se prelucrează într-o stare de polimerizare incompletă în care nu s-a

format reţeaua spaţială a structurii. Reticularea se produce prin activare termică

(întărire la cald) sau prin activare chimică la introducerea în masa polimerului de

bază a unui agent de reticulare (întărire la rece). Legăturile puternice,

caracteristice structurii reticulare le conferă proprietăţile de rezistenţă

corespunzătoare stării vitroase, iar la o reîncălzire ulterioară mişcările moleculelor

fiind limitate nu se mai atinge starea vâscoasă, materialul descompunându-se fără

să mai treacă prin faza de înmuiere (în cazul lor temperatura Tv este ridicată şi nu

mai există temperatura Tc).

• Elastomerii sunt substnţe macromoleculare cu catene lungi,

încolăcite, care formează ochiuri elastice, astfel că sub acţiunea solicitărilor

mecanice se pot deforma uşor şi reversibil. Valoarea temperaturii Tv a

elastomerilor este sub temperatura ambiantă, astfel că fragilizarea se produce la

temperaturi scăzute, iar la încălzire nu trec prin faza de înmuiere datorită


224

reticulării slabe, ele menţinându-şi starea înalt elastică până la temperatura de

descompunere.

Indiferent de categoria în care se încadrează, polimerii au câteva

caracteristici generale prezentate în continuare.

a) Sunt substanţe cu densitate mică (d = 900…2200 kg/m3) datorită

faptului că elementele componente (în principal H şi C) au masa atomică redusă.

b) Au coeficient de dilatare specifică mare datorită legăturilor Van der

Waals (legături slabe) dintre catene şi conformaţiei acestora.

c) Sunt inflamabile (în marea majoritate a cazurilor) şi au stabilitate

termică redusă datorită faptului că sunt substanţe organice; din acelaşi motiv pot

fi degradate de microorganisme (biodegradabilitate).

d) Datorită legăturilor covalente din interiorul lanţului macromolecular au

rezistivitate electrică foarte mare (ρ = 1012…1016 Ωm şi rigiditate dielectrică

mare 20·106…80·106 V/m ; permitivitatea relativ εr variază între 2 şi 3000 şi este

influenţată de caracterul polar sau nepolar al moleculelor;

e) Proprietăţile lor sunt afectate de radiaţiile din spectrul vizibil, de

ultraviolete şi de radiaţiile ionizante care pot rupe legăturile dintre catene şi/sau

dintre monomeri modificând astfel structura iniţială prin reducerea gradului de

polimerizare.

f) Factorii fizico-chimici (temperatură, radiaţii, prezenţa oxigenului şi

ozonului, umiditatea etc.) acţionează conjugat, ceea ce are ca efect îmbătrânirea

materialului, ce se manifestă la nivel macroscopic prin apariţia unor fisuri,

schimbări de culoare, înrăutăţirea proprietăţilor dielectrice (scad valorile

rezistivităţii şi permitivităţii electrice), reducerea proprietăţilor de rezistenţă

mecanică, de plasticitate şi de elasticitate.

7.4. Principalele tipuri de materiale polimerice

7.4.1. Aditivii materialelor polimerice

În practică se utilizează materiale pe bază de polimeri care conţin şi alte

substanţe introduse în scopul îmbunătăţirii anumitor proprietăţi şi/sau al reducerii

costului; materialele care au la bază polimeri termoplastici sau polimeri

termorigizi sunt cunoscute sub denumirea generică de materiale ( mase) plastice.


225

Principalele tipuri de substanţe introduse în polimerii de bază sunt

următoarele:

− plastifianţii, care micşorează interacţiunea dintre catene, astfel că

segmentele de lanţuri moleculare devin mai mobile şi comportarea vâscoelastică

se îmbunătăţeşte;

− agenţii de reticulare, care crează punţi de legătură între catene şi

astfel se îmbunătăţesc proprietăţile de elasticitate şi de rezistenţă; pornind de la

acelaşi polimer în funcţie de gradul de reticulare se pot modifica proprietăţile în

limite foarte largi;

− materialele de umplutură, care nu reacţionează de obicei cu

polimerul de bază, ci se distribuie uniform prin amestecare mecanică în masa de

bază şi contribuie astfel la creşterea rezistenţei mecanice; se utilizează în mod

curent ca materiale de umplutură: talcul, praful de cretă, caolinul, rumeguşul de

lemn, fibre textile sau celulozice etc.; negrul de fum (particule sferice de carbon

cu structură hexagonală) utilizat şi el ca material de umplutură are şi rol activ

înfluenţând gradul de reticulare;

− coloranţii, care introduşi în materialele polimerice le colorează în

masă prin amestecare mecanică.

Fig. 7.7. Principalele categorii de mase plastice

Pe lângă aceste categorii de substanţe care nu lipsesc din nici un material

plastic, se mai introduc în funcţie de scop şi alte categorii de substanţe cum ar fi:


226

antistaticele, pentru reducerea electrizării prin frecare, ignifuganţii, pentru

reducerea inflamabilităţii, lubrifianţii, pentru uşurarea prelucrării, fungicidele,

pentru creşterea rezistenţei la atacul ciupercilor, antioxidanţii, pentru creşterea

rezistenţei la îmbătrânire a materialelor polimerice etc.

Pe baza celor arătate se poate explica diversitatea extrem de mare a

maselor plastice utilizate în prezent de societatea omenească. O încercare de

grupare a celor mai utilizate tipuri după criteriul costului şi al proprietăţilor este

prezentată în figura 7.7, în care pentru costul relativ Cr s-a luat ca bază costul

polietilenei (Cr = 1), unul dintre cei mai utilizaţi polimeri.

7.4.2. Materialele termoplaste

În această categorie sunt incluse materialele plastice la care polimerul de

bază este un termoplast; principalele termoplaste şi caracteristicile lor mai

importante sunt prezentate în tabelul 7.1.

După structura lanţului molecular, termoplastele pot fi grupate în două

categorii:

− polimeri la care linia principală a lanţului molecular este formată

numai din atomi de carbon, atomii diferiţi sau radicalii ataşându-se prin legături

laterale; din această categorie fac parte: poliolefinele (PE, PP), polimerii vinilici

(PVC, PS), polimerii acrilici (PAN, PMMA) şi fluoroplastele (PTFE);

− polimeri care au în componenţa liniei principale a lanţului şi alţi atomi

(de obicei N, O, Si) sau cicluri benzenice; din această categorie fac parte

poliesterii (PET, PBT), poliamidele (PA), policarbonaţii (PC), acetalii (POM) etc.

Comportarea termoplastelor deasupra temperaturii Tv depinde de starea

structurală a acestora; termoplastele amorfe ( PVC, PS, PC) se comportă

vâscoelastic imediat deasupra lui Tv, iar la o încălzire mai mare curg plastic;

termoplastele cu cristalinitate parţială (PE, PP, PA) au proprietăţi de rezistenţă

– elasticitate care le permit menţinerea formei până la temperatura Tc

(v. fig. 7.5). În figura 7.8 se prezintă simplificat domeniile de stare, în funcţie de

temperatură, ale unor termoplaste.

227

Tabelul 7.1. Principalele caracteristici ale unor materiale termoplaste

Denumirea materialului Simbol ρ, kg/m3

E, N/mm2

Rm, N/mm2

Ar, %

Tv, oC

Tc, oC Observaţii

Polietilenă de joasă densitate PE−LD 910…940 120…500 5…16 200…600 −75 115 cristalinizată 40…55 % elastic, rezistentă Polietilenă de mare densitate PE−HD 950…965 420…1400 20…40 700…1300 −75 130 cristalinizată. 60…80 % elastic rezistentă

Polipropilenă PP 900…910 500…1900 30…50 200…1000 −10 170 cristalinizată. 60…70 % mai rigidă decât PE

Polistiren PS 1040…1100 2800…3500 20…50 5…75 85…100 125 amorf; dur şi fragil

Policlorură de vinil rigid PVC dur 1360...1400 1500…3500 40…60 10…50 75…105 175…212

amorf; rigid, sensibil la zgârieturi

Policlorură de vinil plastifiat PVC−P moale 1150...1250 − 10…30 200…500 −40 150 compus vinilic amorf; flexibil, elastic

Polimetacrilat de metil (plexiglas) PMMA 1180…1220 2700…3500 60…80 4…10 90…105 225 amorf; rigid dur şi rezistent la zgârieturi

Policarbonat PC 1150...1250 2350...2450 50…70 80…120 150 230 amorf; rigid şi rezistent la şoc

Poliamida 66 (Nylon 66) PA 66 1120...1180 900…2800 50…80 40…60 55 250 cristalinizată < 60 %; dură, rezistentă şi rigidă

Polioximetilena (acetal) POM 1370...1430 3000…3500 60…70 35…75 −50 170 cristalinizată < 75 %; rigidă, elastică, rezistentă

Polietilen teraftalat (răşină poliesterică) PET 1320…1390 2000…2500 40…60 100…2300 73 255 amorfă sau cristalinizată 30…40%; stabil

dimensional Politetrafluor etilena (teflon) PTFE 2100…2250 350…800 20…40 250…500 85...125 330 cristalinizat < 70 %; coeficient de frecare

redus Poliacrilonitril (răşină acrilică) PAN 1100...1200 3500…4000 50…60 3…5 107 320 compus acrilic; se trage uşor în fibre

Acrilonitril/butadien /stiren ABS 1040…1700 900…2800 20…60 10…140 125 − amestec de butadien-stiren (elastomer) şi stiren-acrilonitril (termoplast)

Acetat de celuloză (celuloid) CA 1250...1350 800…2400 25…50 5…100 120 − modificaţie chimică a celulozei (polimer

natural)


228

.

Fig. 7.8. Domeniile de stare ale unor materiale termoplaste

Termoplastele se utilizează ca materiale structurale în tehnică datorită

caracteristicilor mecanice de rezistenţă relativ bune şi caracteristicilor de

tenacitate care în unele cazuri sunt foarte bune, ceea ce face ca piesele realizate să

fie rezistente la şocuri. Proprietatea lor de a putea suferi reîncălziri în domeniul de

curgere de un număr nelimitat de ori în vederea prelucrării contribuie, de

asemenea, la extinderea utilizării lor. Principalele dezavantaje sunt legate de

temperaturile relativ scăzute până la care pot fi utilizate (v. tabelul 7.1) Excepţie

fac fluoroplastele (teflonul), care, datorită structurii lanţului (atomii de H din

lanţul polietilenei sunt înlocuiţi de atomi de F), au stabilitate pe un interval mare

de temperaturi; deoarece proprietăţile lor de curgere sunt slabe, se prelucrează

prin sinterizare.

Termoplastele se utilizează în electronică pentru piese supuse la şocuri,

materiale electroizolante de înglobare, folii, carcase etc.

7.4.3. Materialele polimerice termorigide

Proprietăţile caracteristice maselor plastice termorigide (numite şi

duroplaste) sunt date de structura reticulară a polimerului de bază care intră în

compoziţia lor. Starea iniţială a acestor polimeri obţinuţi prin policondensare este

de polimerizare incompletă, cu catene ramificate; în timpul fabricării obiectelor se


229

produce reticularea spaţială prin intermediul legăturilor principale ale lanţurilor

moleculare prin activare termică sau prin activare chimică (introducerea unui

agent de întărire), astfel că după prelucrare materialul capătă proprietăţi de

rezistenţă şi duritate ce se menţin la o reîncălzire ulterioară până la temperatura de

descompunere. Principalele tipuri de materiale polimerizate termorigide şi câteva

caracteristici ale lor sunt prezentate în tabelul 7.2.

Tabelul 7.2. Principalele caracteristici ale unor polimeri termorigizi

Polimerul ρ, kg/m3

Rm, N/mm2

E, kN/mm2 Ar, % Caracterizare

Fenoplaste ( PF) − răşini fenol − formaldehidice (bachelitice)

1250 35…55 5,2…7,0 1,25

* dure, fragile, culoare închisă, higroscopice şi nerezistente la apă fierbinte; utilizate pentru piese presate sau turnate, ca matrice pentru materiale compozite

Aminoplaste (UF) - răşini ureo- aldehidice 1550 35…70 7…10 0,75

* dure, fragile, culoare deschisă; utilizate ca răşini pentru presare şi laminare, adezivi, forme de turnare etc.

Melamine (MF) − răşini melamin-formaldehidice 1700 35…65 6…7 −

* proprietăţi asemănătoare cu ale UF, dar mai puţin sensibile la zgâriere; utilizate ca materialele de acoperire

Răşini poliesterice nesaturate (UP) 1250 40…90 6,2…8,3 3

* dure şi fragile până la elastice în funcţie de gradul de reticulare; utilizate ca răşini de presare

Răşini epoxidice (EP) 1200 50…70 6,5…7,5 −

* dure şi fragile până la elastice, rezistente la şoc, stabile dimensional; utilizate ca răşini de turnare, adezivi, matrice pentru compozite

În tabelul 7.2 sunt indicate numai câteva utilizări specifice ale unor răşini

termorigide, gama întrebuinţărilor fiind mult mai extinsă, fapt ce se datorează atât

proprietăţilor electroizolante cât şi caracteristicilor de rezistenţă mecanică ale

acestor materiale.

7.4.4. Materialele elastomerice (cauciucurile)

Sunt substanţe macromoleculare a căror capacitate de deformare elastică se

bazează pe structura constituită din lanţuri moleculare lungi, încolăcite şi slab

reticulate aşa cum a fost arătat anterior. Elasticitatea lor asemănătoare cauciucului

natural (poliizopren) a făcut ca denumirea de “cauciuc” să devină generică şi să

fie alăturată denumirii elastomerului de bază (de exemplu, cauciuc nitrilic,

cauciuc acrilic, cauciuc butilic etc.). În tabelul 7.3 se prezintă elastomerii utilizati


230

mai frecvent şi câteva din caracteristicile acestora.

Reticularea slabă a elastomerilor (aşa numita vulcanizare) este un proces

activat termic (ti = 120…150 oC), ce constă din ruperea unor legături duble din

linia principală a lanţului şi realizarea unor legături între lanţurile

macromoleculare prin punţi constituite din atomi sau grupuri de atomi ai agenţilor

de reticulare (în mod uzual sulf, peroxizi sau amine), introduşi în masa

elastomerului, împreună cu alţi aditivi, în timpul proceselor tehnologice de

fabricare a produselor.

În figura 7.9 se prezintă reacţia de vulcanizare cu sulf a cauciucului natural;

gradul de reticulare şi implicit caracteristicile de rezistenţă şi elasticitate sunt

dependente de cantitatea de sulf; pentru cauciucurile uzuale se adaugă 4…5 % sulf,

ceea ce provoacă desfacerea a cca 10…30 % din legăturile duble şi legarea lanţurilor

prin punţi de sulf, iar dacă se introduce 45 % sulf, reticularea este completă,

obţinându-se un material dur şi fragil cunoscut sub numele comercial de ebonită.

Fig. 7.9. Schema procesului de vulcanizare a cauciucului natural cu sulf

Tabelul 7.3. Caracteristicile principale ale unor elastomeri

Temperaturi de exploatare Elastomerul Grupa Rm,

N/mm2 Ar, % ctmax , oC itmax , oC tmin, oC

Cauciuc natural (NR) 4…25 100…600 60 100 −30…−60Butadien – stiren (SBR) 4…25 100…500 70 100 −20…−50Cauciuc butilic (IIR) 4…15 100…800 80 140 −10…−40Cauciuc nitrilic (NBR) 4…18 100…400 70 130 −10…−50Cloropren (CR)

R

4…20 100…500 70 130 −20…−50Polietilenă clorosulfonată (CSM) 4…12 100…500 80 150 −20…−40

Elastomeri polifluorurati (FPM)

M 7…15 100…200 175 250 −20…−40

Cauciuc poliuretanic (EU) U 15…30 100…800 60 80 0…−20 Cauciuc siliconic (Q) Q 3…10 100…400 200 275 −50…−80

ctmax − temperatura maximă de serviciu la expunere continuă; itmax − temperatura maximă de serviciu la expunere inermitentă;


231

Materialele de umplere (negrul de fum, pulberea de silice (SiO2), talcul şi

praful de cretă etc.) au rolul de a îmbunătăţi rezistenţa mecanică şi de a ieftini

produsele. Aditivii cei mai importanţi introduşi împreună cu materialele de

umplere în cazul elastomerilor sunt antioxidanţii, deoarece oxigenul şi ozonul

acţionează în timp la fel ca agenţi de reticulare, ceea ce are ca efect scăderea

elasticităţii şi fragilizarea materialului.

După tipul lanţului macromolecular elastomerii se împart în patru grupe:

− grupa R cuprinde polimerii cu lanţ nesaturat ale căror proprietăţi se

modifică prin reticulare;

− grupa M cuprinde polimerii cu lanţ saturat;

− grupa U cuprinde poliuretanii;

− grupa Q cuprinde cauciucurile siliconice.

Exemple de elastomeri din fiecare grupă sunt date în tabelul 7.3, din care

rezultă că particularităţi deosebite din punct de vedere al temperaturilor de

serviciu prezintă siliconii. Acestea sunt materiale polimerice la care linia

principală a lanţului molecular este lanţul siloxanic, a cărui structură este

prezentată în figura 7.10 a; valenţele libere ale lanţului siloxanic pot fi completate

cu radicali organici, obţinându-se diferite tipuri de materiale polimerice, numite

generic polisiloxani, care pot fi liniari (v. fig. 7.10 b) sau reticulaţi (v. fig. 7.10 c).

Fig. 7.10. Structura chimică a siliconilor:

a – lanţul siloxanic; b – polisiloxan cu molecule liniare; c − polisiloxan reticulat

Materialele pe bază de siliconi fac parte din categoria materialelor plastice

de înaltă performanţă (v. fig. 7.7), deoarece îmbină proprietăţile de elasticitate ale

materialelor organice cu stabilitatea termică şi chimică a materialelor anorganice

(de exemplu, pentru durate scurte, pot fi utilizate şi la temperaturi de 800 oC); din

acelaşi motiv îşi menţin proprietăţile de elasticitate într-un interval mare de

temperaturi, sunt neinflamabile, nehigroscopice, nu dezvoltă gaze toxice prin

ardere şi aderă la suprafeţele metalice, fiind utilizate în industria aerospaţială, la


232

realizarea echipamentelor pentru zonele arctice etc. În funcţie de tipul radicalilor

ataşaţi lanţului siloxanic, de gradul de polimerizare şi de gradul de reticulare,

siliconii se pot prezenta sub formă de materiale rigide, elastomeri (cauciuc

siliconic), geluri, lacuri sau uleiuri siliconice.

7.4.5. Celuloza şi derivaţii săi Celuloza este un hidrat de carbon polimer (C6H10O5)n natural, cu molecula

liniară. lanţurile moleculare se grupează în tuburi subţiri (micele) care se

aranjează în acelaşi mod, formând fibrile şi apoi fibre celulozice, ceea ce explică

porozitatea mare (40…50%) şi absorbţia de apă a materialelor celulozice. Are

proprietăţi dielectrice scăzute, ce variază mult cu conţinutul de umiditate (v. fig.

4.16). Deoarece moleculele sunt polare, permitivitatea şi pierderile în dielectric

sunt mari.

Materialele celulozice sunt supuse fenomenului de îmbătrânire destul de

rapidă, datorită depolimerizării sub acţiunea oxigenului (rupe lanţul

macromolecular scurtându-l şi reducând astfel rezistenţa mecanică) şi căldurii.

Pentru reducerea higroscopicităţii şi îmbunătăţirea caracteristicilor

dielectrice şi a stabilităţii chimice şi termice, celuloza se impregnează cu lichide

electroizolante (uleiuri minerale). Celuloza este utilizată sub formă de hârtii,

cartoane, fire şi ţesături.

Prin modificarea chimică a moleculelor de celuloză se obţin esteri (acetaţi,

nitraţi etc.) sau eteri (de exemplu, etilceluloza). Cel mai utilizat compus este

triacetatul de celuloză, material cu stabilitate termică bună şi rezistent la acţiunea

ozonului, a uleiurilor şi a benzinei. Se foloseşte ca dielectric pentru

condensatoare, la izolarea cablurilor şi fabricarea lacurilor electroizolante.

7.5. Materiale ceramice şi sticle Materialele ceramice sunt materiale anorganice nemetalice, cu legături şi

structură complexe, obţinute din materii prime sub formă de pulberi prin

sinterizare, care este un proces de încălzire cu sau fără presare simultană, în

timpul căruia se formează legăturile dintre particule prin difuzie sau topire parţială

a unui component. Cele mai multe ceramice sunt compuşi între metale şi


233

nemetale, astfel că se bazeză în special pe legături ionice şi covalente. Legăturile

ionice şi covalente implică toţi electronii de valenţă ai componentelor, astfel că

nu există electroni liberi, ceea ce face ca materialele ceramice să aibă

conductibilitate termică şi conductibilitate electrică foarte scăzute fiind materiale

electroizolante sau termoizolante în marea majoritate a cazurilor. Reprezintă o

categorie de materiale care au fost utilizate din cele mai vechi timpuri sub formă

de vase din lut (însăşi termenul de ceramică provine de la grecescul “keramon”

care însemna “lut ars”) şi de materiale de construcţie datorită capacităţii de

prelucrare în cele mai diverse forme şi abundenţei materiilor prime. În prezent

termenul de ceramică include o gamă de materiale mult mai largă, utilizate în cele

mai diverse domenii cum ar fi electrotehnica, electronica, industria chimică,

industria metalurgică etc.

Sticlele sunt materiale anorganice cu structură amorfă (corpuri vitroase)

obţinute prin solidificarea unor topituri constituite din amestecuri de oxizi în stare

topită, dintre care cel puţin unul are rolul de vitrifiant, adică formează unităţi

structurale prin coordinarea atomilor de oxigen în jurul ionului metalic prin legături

ionice sau covalente; starea amorfă (vitroasă) este caracterizată de lipsa ordonării

atomice la distanţă, păstrându-se doar ordinea apropiată, referitoare la câteva

distanţe interatomice corespunzătoare unităţilor structurale, ceea ce face ca sticlele

să fie considerate ca lichide vâscoase subrăcite.

În acest capitol se vor prezenta caracteristicile structurale ale principalelor

tipuri de materiale ceramice şi sticle şi proprietăţile generale ale acestora.

7.5.1. Structura ceramicelor şi sticlelor

Elementele componente ale materialelor ceramice sunt legate între ele prin

legături ionice şi covalente formând reţele de ioni metalici şi nemetalici (cationi şi

anioni) a căror celulă elementară este constituită dintr-un cation, înconjurat de

anioni cărora anionul le-a cedat electronii de valenţă; deoarece metalele prin

ionizare pierd electronii de valenţă, cationii au de obicei raze mai mici decât

anionii (v. tabelul 7.4 în care se prezintă razele ionice ale componentelor uzuale

din ceramice) astfel că structurile stabile ale fazelor cristaline din ceramice se

formează atunci când fiecare cation metalic este înconjurat de anioni nemetalici cu

care se află în contact direct, ceea ce înseamnă că numărul anionilor din unitatea


234

structurală reprezintă chiar numărul de coordinaţie al structurii cristaline

respective; numărul de coordinaţie şi implicit geometria unităţii structurale

depinde de valoarea raportului dintre raza cationului Cr şi raza anionului Ar , aşa

cum se constată din tabelul 7.4 în care se prezintă limitele raportului A

C

rr

şi

geometria posibilă pentru fiecare număr de coordinaţie.

Deoarece anionii au raza mai mare se pot aranja în plane compacte dispuse

succesiv, generând structuri cristaline de tip CFC sau HC ca şi în cazul metalelor

(v.scap 1.2). Întradevăr, considerând un plan de anioni care au centrele în punctele

notate cu A în figura 7.11 şi planul următor de anioni cu centrele în punctele

notate cu B, anionii celui de-al treilea plan compact pot avea centrele pe aceeaşi

verticală cu punctele A, sau pot avea centrele în punctele marcate cu C; rezultă

astfel fie o succesiune de plane ABABAB… care corespunde unei structuri de tip

hexagonală compactă (HC) a anionilor, fie o succesiune ABCABC…, care

corespunde unei structuri de tip cub cu feţe centrate (CFC) a anionilor.

În funcţie de poziţia anionilor din două plane compacte succesive se formază

două tipuri de interstiţii: interstiţii tetraedrale (câte trei într-un plan compact şi

unul în planul învecinat) aşezaţi astfel încât unind centrele lor de masă se

formează un tetraedru regulat şi interstiţii octaedrale mărginite de şase anioni

(câte trei în fiecare plan compact aşezaţi astfel încât unind centrele lor de masă se

formează un octaedru regulat (v. figura 7.11); întrucât cationii metalici se plasează

în aceste interstiţii, înseamnă că numărul de coordinaţie poate fi 4 sau 6, aşa cum

rezultă şi din tabelul 7.4.

Rezultă că structurile fazelor cristaline ale ceramicelor depind atât de tipul

reţelei compacte pe car o formează anionii, cât şi de modul în care sunt ocupate

interstiţiile cu cationi metalici.

Fig. 7.11. Reprezentarea prin sfere rigide a dispunerii anionilor în structura ceramicelor


235

Interstiţiile pot fi ocupate de cationi de acelaşi tip, sau de cationi diferiţi,

ceea ce conduce la existenţa unei diversităţi foarte mari de structuri a fazelor

cristaline din materialele ceramice. Tabel 7.4. Razele ionice ale unor componente ale ceramicelor şi geometria coordinărilor

Raze ionice Tip de coordinare Raze cationi Cr Raze anioni Ar Cation Cr , nm Anion Ar , nm A

C

rr

Nr. de coordinaţie Geometria coordinării

Al3+ 0,057

Ba2+ 0,136 Br− 0,196

B3+ 0,020

0,155

≤A

C

rr

<

0,225

3

Ca2+ 0,106 Cl− 0,181

Fe2+ 0,077

K+ 0,138 F− 0,133

0,225

≤A

C

rr

<

0,414

4

Mg2+ 0,078

Mn2+ 0,067 I− 0,220

Na+ 0,102

0,414

≤A

C

rr

<

0,732

6

Ni2+ 0,069

O2− 0,132

Si4+ 0,039

Ti4+ 0,064 S2− 0,184

0,732

≤A

C

rr

<

1,000

8

Cea mai mare parte a ceramicelor şi sticlelor sunt constituite din silicaţi a

căror bază structurală o constituie tetraedrul [SiO4]4-care are în centru ionul Si4+ iar în

vârfuri ionii O2- cărora le rămâne câte o valenţă liberă cu care se pot lega de alte

unităţi structurale formând aranjamente unidimensionale, bidimensionale sau spaţiale

cu un grad înalt de stabilitate, fiind exclusă existenţa liberă a unităţii tetraedrale. Din

punct de vedere chimic cel mai simplu silicat este dioxidul de siliciu SiO2 (silice)

care structural este constituit dintr-o reţea spaţială de [SiO4]4- cu dispunere ordonată

(structură cristalină) sau aleatoare (structură amorfă) a unităţilor structurale.

Silicea cristalină prezintă trei forme alotropice: cuarţ, tridimit şi cristobalit

diferenţiate prin poziţiile relative ale tetraedrilor [SiO4]4- care formează

aranjamente complexe de tip HC sau CFC; o reprezentare plană simplificată a

structurii cristaline tridimit a SiO2 este redată în figura 7.12a. Această structură se

obţine dacă răcirea topiturii se face foarte lent, astfel că la o temperatură Tc are

loc cristalizarea la fel ca în cazul materialelor metalice; reprezentând variaţia

volumului specific (inversul densităţii ρ) în funcţie de temperatură (curba 1 în


236

figura 7.13) se constată că în condiţiile solidificării prin cristalizare, la

temperatura Tc volumul specific are un salt brusc.

În cazul răcirii relativ rapide a topiturii ce conţine unităţile [SiO4]4-

dependenţa de temperatură a volumului specific este cea corespunzătoare curbei 2

din figura 7.13; temperatura Tv de pe această curbă este numită temperatură de

tranziţie sticloasă sau temperatură de vitrifiere şi nu are o valoare bine definită,

fiind dependentă de viteza de răcire. Continuitatea curbei 2 cu cea de la

temperaturi mai ridicate (T > Tc) arată că materialul este de fapt un lichid subrăcit,

a cărui vâscozitate creşte pe măsură ce scade temperatura; structura este

constituită din lanţuri spaţiale în care poziţia relativă a unităţilor structurale este

aleatoare ca în starea lichidă, ceea ce a făcut ca solidele cu o astfel de structură să

fie numite corpuri vitroase; o reprezentare plană simplificată a stării vitroase a

SiO2 care reprezintă baza structurii sticlelor silicatice este redată în figura 7.12 b.

Structura vitroasă corespunde unei stări metastabile cu energie liberă mai

mare decât cea corespunzătoare structurii cristaline, astfel că există tendinţa ca în

timp, sub acţiunea temperaturii, să se treacă la starea de echilbru stabil, proces

numit devitrifiere şi poate avea loc controlat sau în mod natural. Devitrifierea

necontrolată a sticlelor are consecinţe negative asupra proprietăţilor mecanice şi

optice (sticla devine fragilă şi pierde transparenţa datorită refracţiei razelor de

lumină pe limitele grăunţilor).

Fig. 7.12.Schema structurilor silicei: a − structura cristalină; b – structură vitroasă

Fig. 7.13. Variaţia volumului specific cu temperatura în cazul SiO2

În mod obişnuit materialele ceramice au structura alcătuită din faze

cristaline însoţite de o fază vitroasă aşa cum se observă în figura 7.14 a care

prezintă structura unei ceramice refractare; cantitatea de fază vitroasă depinde de


237

compoziţia chimică şi de procesul tehnologic de fabricare, tehnologiile moderne

permiţând obţinerea unor ceramice cu structură cristalină aşa cum se obsevă în

figura 7.14 b în care se prezintă structura aluminei (Al2O3) cristaline.

Fig 7.14. Structurile unor ceramice:

a – ceramică refractară cu faze cristaline şi masă vitroasă; b – ceramică cristalină (Al2O3)

7.5.2. Materialele ceramice silicatice Materialele ceramice silicatice aparţin sistemului ternar SiO2−Al2O3−X,

unde X poate fi K2O, Na2O, CaO sau MgO; materiile prime utilizate au

următoarele caracterisitici:

- argilele sunt silicaţi de aluminiu hidrataţi însoţiţi de impurităţi (oxizi

metalici ) care influenţează culoarea finală a materialului ceramic; varietatea de

argilă cea mai utilizată este caolinul (Al2O3 ·2SiO2·2H2O) care are o structură

lamelară şi este constituit din granule, formând în prezenţa apei o suspensie

coloidală ce conferă amestecului plasticitate;

- nisipul de cuarţ (silice) modifică plasticitatea argilelor la uscare şi ardere

în timpul căreia suferă transformările cristalografice cuarţ→ tridimit→ cristobalit;

- feldspatul este denumirea generică pentru compuşii complecşi de tipul

alumino-silicaţilor de K, Na, Ca, Mg; au rol de fondanţi deoarece în timpul arderii

formează cu argila şi silicea compuşi cu temperatură mică de topire fiind la originea

masei vitroase care leagă particulele de silice şi de argilă şi reduce porozitatea.

Pentru obţinerea ceramicelor silicatice, amestecului pulverulent de materii

prime i se adaugă o cantitate determinată de apă obţinându-se o pastă (numită şi

“barbotină”), din care se realizează piesele ce apoi se usucă şi se calcinează prin

încălzire la temperaturi de 900…1500 oC, în funcţie de compoziţia chimică şi

scopul urmărit. In timpul arderii rezultă o anumită cantitate de fază lichidă care

prin răcire formează o reţea sticloasă în jurul granulelor pe care le leagă sub


238

forma unui material solid şi dens. Procesul de vitrifiere este însoţit întodeauna de

contracţie şi stă la baza obţinerii majorităţii materialelor ceramice. In funcţie de

concentraţiile componentelor şi de condiţiile tehnologice se obţin următoarele tipuri

de materiale ceramice: teracotă, faianţă, gresie ceramică, porţelan moale, tare sau

tehnic; în figura 7.15 se prezintă în triunghiul concentraţiilor componentelor de bază

domeniile corespunzătoare acestor ceramice, iar în tabelul 7.5 câteva caracteristici

ale acestora. Tabelul 7.5. Materialele ceramice pe bază de argile

Denumirea materialului Caracteristici Domenii de utilizare

Teracotă Porozitate: 15…30 % Suprafaţa: glazurată sau nu Temperatura de ardere: 950…1050 oC

cărămizi, ţigle, ţevi ceramice

Faianţă Porozitate: 10…15 % Suprafaţa: glazurată, opacă Temperatura de ardere: 950…1200 oC

echipamente sanitare, vase, placaje etc.

Gresie ceramică

Porozitate: 0,5…3 % Suprafaţa: glazurată sticloasă Temperatura de ardere: 1100…1300 oC

echipamente sanitare, placaje, pardoseli, aparatură pentru laboratoare de chimie etc

Porţelan Porozitate: 0…2 % Suprafaţa: glazurată sticloasă Temperatura de ardere: 1100…1400 oC

izolatoare elctrice, condensatori electrici, aparatură pentru

laboratoare de chimie, vase etc

Structura ceramicelor fiind neomogenă, proprietăţile lor sunt influenţate

puternic de raportul dintre cantitatea de fază cristalină şi cantitatea de fază

vitroasă. Creşterea conţinutului de feldspat (deci a masei vitroase) determină

reducerea rezistenţei mecanice şi a rezistivităţii electrice; creşterea conţinutului de

caolin şi de silice, (faze cristaline) determină creşterea rezistenţei mecanice şi a

temperaturii de utilizare.

Dintre materialele ceramice silicatice, cea mai mare răspândire în tehnică

o au porţelanurile, care sunt mase ceramice vitrifiate albe (translucide în strat

subţire) ale căror faze cristaline se pot stabili cu ajutorul diagramei binare de

echilibru SiO2−Al2O3 prezentată în figura 7.16.

Analizând această diagramă se constată că sistemul SiO2−Al2O3 prezintă

transformare eutectică, transformare peritectică şi formează un compus cu topire

incongruentă; acest compus se numeşte mulit, corespunde formulei chimice

3Al2O3·2SiO2, are formă aciculară, duritate ridicată şi este baza majorităţii

constituenţilor materialelor ceramice silicatice. In acest sistem SiO2 cristalizează


239

sub formă de cristobalit, care este un compus cu reţea CFC, în care baza o

constituie tetraedrii [SiO4], ceea ce îi conferă duritate ridicată, iar celălalt

component Al2O3 cristalizează sub formă de corindon, care este un compus cu

reţea hexagonală compactă de ioni de oxigen în care ionii de Al ocupă 32 din

golurile octaedrice. Analiza transformărilor la răcire a ceramicelor care au la bază

acest sistem se face la fel ca în cazul diagramelor de echilibru ale sistemelor de

aliaje. Deoarece în condiţii industriale vitezele de răcire sunt mai mari decât cele

corespunzătoare echilibrului, o parte din topitură nu va reuşi să cristalizeze,

solidificându-se sub formă de fază sticloasă.

Fig. 7.15. Domeniile ceramicelor silicatice în sistemul argilă – cuarţ - feldspat Fig 7.16. Diagrama de echilibru a sistemului

SiO2-Al2O3

Componentul de bază al porţelanurilor tehnice este mulitul care asigură

acestuia rezistenţă mecanică şi rezistenţă la şoc termic ridicate, rezistenţă la

agresiunea acizilor şi alcaliilor. Proprietăţile dielectrice ale ceramicelor depind în

mare măsură, de natura şi conţinutul de oxizi, de parametrii procesului de ardere şi

de temperatura la care funcţionează materialele. Rezistă foarte bine la acţiunea

arcului electric şi nu prezintă urme de îmbătrânire. Aur rezistenţ redusă la

tracţiune şi se contractă foarte mult la răcire, motiv pentru care în ele nu se pot

îngloba piese metalice. Caracteristicile câtorva tipuri de porţelanuri utilizate în

tehnică sunt prezentate în tabelul 7.6.


240

Tabelul 7.6. Porţelanuri tehnice – caracteristici principale

Denumirea comercială a materialului

Densitatea, kg/m3

Rezistenţa la compresiune,

N/mm2

Permitivitatea relativă εr, la

60Hz….106Hz

Rezistivitatea de volum r, Ωm

Porţelan pentru izolatori de joasă tensiune 2200…2400 173…345 5,5…7.5 109…1012

Porţelan pentru izolatori de înaltă tensiune 2350…2500 173…550 5,0…7,0 1010…1012

Cordierit (compus de bază 2MgO·2Al2O3·5SiO2)

2100…2650 138…620 3,5…5,5 109…1013

Steatit (compus de bază 3MgO·4SiO2·H2O) 2800…2950 414…2970 5,7…6,5 1012…1013

Ceramică titan-zirconiu 3500…5500 275…830 - 1010…1013

Pentru reducerea (sau chiar eliminarea) absorbţiei de apă în pori, piesele

din ceramică se acoperă cu glazuri; acestea sunt straturi compacte sticloase

obţinute în timpul procesului de ardere din stratul de vopsea pe bază de boraţi,

carbonaţi alcalini şi oxizi metalici aplicat pieselor înainte de calcinare. Pe lângă

faptul că prin glazurare se reduce higroscopicitatea, datorită coeficientului de

dilatare mai mic al glazurii iau naştere tensiuni de compresiune în strat care

contribuie la îmbunătăţirea rezistenţei mecanice a pieselor.

7.5.3. Materialele ceramice oxidice

Materialele ceramice oxidice sunt materiale policristaline formate din

oxizi sau compuşi oxidici şi lipsite de faze sticloase. Datorită energiei mari de

legătură a oxizilor, compuşii sunt foarte stabili la acţiunea agenţilor chimici şi au

duritate şi rezistenţă la compresiune ridicate.

Componenţii mai importanţi ai acestor ceramice sunt: oxizi (Al2O3, ZrO2,

MgO, TiO2 şi BeO), titanaţi şi ferite.

Oxidul de aluminiu (Al2O3, alumina) are temperatura de topire 2054 oC

şi cristalizează sub formă de corindon aşa cum s-a arătat mai sus. Caracteristicile

de exploatare ale pieselor pe bază de alumină depind în mare măsură de

concentraţia masică a acesteia; cu creşterea conţinutului de Al2O3 creşte rezistenţa

la compresiune, temperatura de utilizare şi rezistivitatea electrică; de exemplu,

prin creşterea % Al2O3 de la 85 % la 99,7 % rezistenţa la compresiune creşte de la

1800 N/mm2 la 2500 N/mm2 iar temperatura de utilizare de la 1300 oC, la 1700 oC

Alumina este cea mai importantă ceramică oxidică şi are utilizări multiple, cum

ar fi materialele refractare, materiale izolante, unelte de tăiat, abrazivi, implanturi

medicale. In condiţii tehnologice deosebite şi cu materii prime de puritate înaltă,


241

se obţine alumina transparentă utilizată în optica tehnică.

Oxidul de zirconiu (ZrO2) are temperatura de topire-solidificare 2690 oC

şi prezintă mai multe forme alotropice: reţea monoclinică de la ta până la 1000 oC,

tetragonală pe intervalul 1200…2370 oC şi cubică peste 2370 oC. Existenţa

transformărilor alotropice care se produc cu creştere de volum înrăutăţeşte

comportarea materialului; pentru evitarea acestor neajunsuri se adaugă CaO şi/sau

MgO care în concentraţii mai mici de 10…15% se dizolvă în ZrO2 şi stabilizează

structura cubică ce se menţine de la temperatura de cristalizare până la

temperatura ambiantă, aşa cum rezultă din figura 7.17 în care se prezintă

diagrama de echilibru a sistemului ZrO2 – CaO;

Oxidul de magneziu (MgO – magnezită) are temperatura de topire 2800 oC şi constituie baza materialelor refractare pentru căptuşelile cu caracter bazic a

cuptoarelor. Pe lângă MgO, refractarele bazice pot conţine şi alţi oxizi dintre care

mai des întâlniţi sunt CaO, Al2O3 şi Cr2O3. Pentru exemplificare, în figura 7.18 se

prezintă diagrama de echilibru a sistemului MgO − Al2O3, din care rezultă

formarea compusului MgAl2O4 (sau MgOAl2O3) numit şi spinel, care este o fază

bertholidă cu topire congruentă (v.scap. 2.2); spinelul are o reţea cristalină cubică

complexă în care ionii Mg2+ ocupă interstiţiile tetraedrice, iar ionii Al3+ ocupă

interstiţii octaedrice; tipul de structură spinelică este frecvent întâlnită, locul

ionilor Mg2+ şi Al3+ fiind luat de alte metale.

Fig. 7.17. Diagrama de echilibru a sistemului

ZrO2 – CaO Fig. 7.18. Diagrama de echilibru a sistemului

MgO − Al2O3


242

Titanaţii sunt compuşi cu formula MTiO3, unde M este un metal bivalent

(Ba, Ca, Mg, Sr); se utilizează pentru proprietăţile feroelectrice (se polarizează în

câmp electric) la realizarea generatoarelor şi traductoarelor pentru ultrasunete,

fiind materiale piezoelectrice.

Feritele sunt compuşi ai oxidului de fier (Fe2O3) şi ai altor metale (Ba, Mg,

Sr, Mn, Zn, Ni, Cu, Li etc) având formula generală nkMkO·qFe2O3 unde nk este

numărul de molecule al oxidului metalului Mk, k=1,2,3; se utilizează ca materiale

feromagnetice (v. cap. 8) datorită rezistivităţii electrice ridicate şi costului mai

redus decât al aliajelor metalice.

7.5.4. Materialele ceramice neoxidice

Materialele ceramice neoxidice sunt compuşi de tipul carburi, nitruri,

boruri sau siliciuri ale căror unităţi structurale au la bază de obicei legături

covalente care le conferă temperaturi înalte de topire sau de descompunere modul

de elasticitate şi duritate ridicate. Aceste caracteristici le-a impus ca materiale

destinate unor categorii largi de aplicaţii pentru obţinerea de piese prin sinterizare

sau sub formă de fibre pentru obţinerea materialelor compozite.

Câteva ceramice neoxidice şi proprietăţile lor mai importante sunt

prezentate în tabelul 7.7. Tabelul 7.7. Caracteristicile unor materiale ceramice neoxidice

Denumirea şi formula chimică a materialului

Densitatea, kg/m3

Duritatea Knoop*

Modulul de elasticitate,

kN/mm2

Rezistenţa la compresiune,

N/mm2

Temperatura de topire sau de

descomp., oC

Carbura de siliciu (SiC) 2700…3200 3000 380…420 900…1100 2400

Nitrura de siliciu (Si3N4) 1900…3200 160…320 250…700 1898

Carbura de bor (B4C) 2510 3500 440…460 2700…2900 2425

Nitrura cubică de bor (BN) 3480 5000 840…870 6500…7000 1540

Carbura de wolfram (WC) 15500 2700 580…620 4500...5000 2780

Carbura de titan (TiC) 4800…4940 3100 330…350 2500…2800 3100

* Metoda Knoop de determinare a durităţii se bazează pe aceleaşi principii ca şi microduritatea Vickers, cu deosebirea că baza piramidei de diamant (care constituie penetratorul ) este un romb.


243

7.5.5. Sticlele

Aşa cum s-a arătat în scap 7.5.1, baza structurii sticlelor silicatice o

constituie reţeaua spaţială de unităţi [SiO]4− legate în poziţii aleatoare.

Utilizarea sticlei de silice cu această structură este limitată la aplicaţii speciale

unde se cere refractaritate ridicată. Pentru majoritatea aplicaţiilor însă este necesar

ca temperatura de curgere Tc să fie mai redusă pentru prelucrarea sticlei în

condiţii economice corespunzătoare.

Acest lucru se realizează prin adăugarea altor componente, care modifică

structura prin apariţia unor ioni metalici ce se pot plasa între tetraedrii [SiO]4−, aşa

cum se observă în figura 7.19 a, sau pot lega tetraedrii între ei, aşa cum se observă

din figura 7.19 b.

Fig. 7.19. Structura sticlelor:

a – sticla silico – sodică; b− sticla calco-sodică

În acest context, componentele sticlelor se pot grupa după cum urmează:

a) Formatorii de reţea (vitrifianţi) sunt oxizi ai elementelor cu cationi de

rază mică şi sarcină relativ mare (Si4+, B3+, P5+, etc.); cationii respectivi se

înconjoară (coordinează) cu 3−4 ioni de oxigen formând tetraedri sau piramide

care se leagă între ei prin vârfuri, dând naştere reţelei spaţiale dezordonate; aşa

cum a fost arătat, formatorul de reţea cel mai utilizat este silicea (SiO2) însoţit în

unele cazuri de oxidul boric B2O3 şi/sau pentaoxidul de fosfor (P2O5);

b) Modificatorii de reţea sunt componentele cu rol de fondanţi (de


244

exemplu: oxidul de sodiu Na2O, oxidul de potasiu K2O şi oxidul de litiu Li2O) sau

de stabilizatori (de exemplu: oxidul de calciu CaO, oxidul de magneziu MgO,

oxidul de bariu BaO şi oxidul de zinc ZnO). Temperatura de topire a silicei se

reduce în prezenţa fondanţilor prin distrugerea continuităţii reţelei datorită ruperii

lanţurilor Si−O−Si de către ionii metalelor alcaline; pentru exemplificarea

influenţei fondanţilor, în figura 7.20 se prezintă diagrama de echilibru a sistemului

SiO2−Na2O, pe care se observă existenţa unei transformări de tip eutectic la

temperatura de 800 oC şi formarea compusului Na2O·2SiO2 cu temperatură de

topire mai mică decât a silicei. Sticlele formate numai din silice şi oxizi alcalini

au rezistenţă scăzută la acţiunea substanţelor chimice, rezistenţă mecanică şi

rezistenţă la şoc termic reduse. Imbunătăţirea caracteristicilor se realizează prin

acţiunea stabilizatorilor care sunt oxizi ai metalelor bivalente alcalino-pământoase

(Ca, Ba, Mg) ai căror ioni contribuie la realizarea legăturilor între unităţile

structurale (v. fig.7.19b).

c) Intermediarii sunt componente care contribuie atât la formarea reţelei

cât şi la modificarea unor caracteristici; în această categorie intră Al2O3, PbO şi

ZrO2, oxizi care acţionează prin înlocuirea în reţea a ionului Si4+ cu ionii

metalelor respective.

Sticlele sunt materiale nehigros-

copice, casante, dure, rezistente la

acţiunea acizilor (cu excepţia acidului

fluorhidric) şi cu proprietăţi dielectrice

bune. Permitivitatea relativă depinde de

natura şi cantitatea oxizilor metalici,

având valori mari în cazul sticlelor ce

conţin oxizi ai metalelor grele.

Rezistivitatea electrică scade cu

creşterea conţinutului de oxizi metalici

(în special oxizii metalelor alcaline). De asemenea, creşterea temperaturii şi

prezenţa umidităţii reduc rezitivitatea şi rigiditatea dielectrică. Există o varietate

foarte mare de tipuri de sticle, care se pot grupa în funcţie de tipul oxizilor care

imprimă sticlei anumite proprietăţi; compoziţiile chimice ale câtorva tipuri de

sticle utilizate mai frecvent, sunt prezentate în tabelul 7.8.

Fig. 7.20. Diagrama de echilibru a

sistemului SiO2 − Na2O


245

Tabelul 7.8. Compoziţiile chimice ale unor sticle uzuale Concentratia masică în % pentru:

Formatori de reţea

Modificatori şi stabilizatori de reţea Intermediari Tipul sticlei

SiO2 B2O3 Na2O K2O CaO MgO Al2O3 Alţii *

Sticle calco-sodice (sticlă plană) 72 - 14 1 8 4 1 - Sticla boro-silicatică (“Pyrex”) 80,5 12,9 4 0,4 - - 2,2 - Sticla alumino-silicatică 54 7,5 0,5 - 22 0,5 14,5 - Sticla cu plumb (‘cristal”) 35 - - 7 - - - 58% PbO Sticla Vycor 96 3 < 0,2 < 0,2 - - - -

Sticle pentru fibre: - tipa A – calco-sodică normală 70 1,5 16 - 8 3 1,5 - - tip AR – rezistente la alcalii 62 - 14 - 4 16 2 58% ZrO2 - tip C – rezistente la coroziune 65 5 8,5 - 14 3 4 0,5 Fe2O3 - tip E – rezistivitate elctrică mare 54 8 <0,5 <0,5 17 5 15 0,3 Fe2O3 - tip S − rezistenţă mecanică mare 65 - - - - 10 25 -

* Pe lângă componentele de bază, unele sticle conţin şi cantităţi mici de alţi oxizi metalici pentru îmbunătăţirea proprietăţilor optice sau pentru colorare.

Sticlele calco-sodice sunt cele mai uzuale, fiind utilizate pentru fabricarea

geamurilor (sticla plană), ambalajelor, obiectelor de menaj şi anumitor aparate de

laborator. Răspândirea lor extrem de mare se datorează costului redus al materiilor

prime. Limitele concentraţiilor pentru oxizii de bază (SiO2, Na2O şi CaO) rezultă

pe de o parte din condiţia reducerii temperaturii de topire ceea ce ar însemna

cantităţi mai mari de Na2O, iar pe de altă parte asigurarea unei rezistenţe chimice

mai bune, ceea ce ar însemna concentraţii de CaO mai mari, dar acesta are

influenţă negativă asupra solidificării (favorizează cristalizarea). Sticlele calco-

sodice conţin 70…75 % SiO2, 13...19 % Na2O şi 8...11 % CaO; pentru reducerea

tendinţei de cristalizare se introduce 3…4 % MgO.

Sticlele boro-silicatice se caracterizează prin coeficienţi de dilatare mici,

fiind utilizate ca sticle speciale pentru aparatura de laborator care lucrează la

temperaturi ridicate. Utilizarea oxidului B2O3 alături de SiO2 ca formator de reţea

are ca efect reducerea temperaturii de topire, fără să afecteze stabilitatea chimică şi

fără să modifice proprietăţile de solidificare ale silicei.

Sticlele alumino-silicatice au temperaturile punctelor fixe de vâscozitate

ridicate putând fi utilizate şi la temperaturi înalte. Conţinutul redus de oxizi

alcalini le conferă o rezistivitate electrică foarte mare şi rezistenţă chimică bună.

Sunt utilizate la fabricarea izolatorilor, fibre pentru materiale electroizolante

compozite (matrice din răşini epoxidice) etc.

Sticlele cu plumb au rezistenţă chimică scăzută, dar proprietăţi optice şi

electrice deosebite (permitivitate relativă mare şi pot fi lipite pe metale).


246

Denumirea comună de “cristal de plumb” se folseşte pentru sticlele care conţin

peste 20 % PbO.

Sticla de cuarţ (99,5% SiO2 topit) este utilizată în special la realizarea

tuburilor pentru descărcări în gaze datorită faptului că sun transparente la radiaţiile

ultraviolete; se prelucrează greu având temperatură ridicată de topire (1713 oC).

Analizând compoziţiile chimice ale sticlelor utilizate pentru fibre

(v. tabelul 7.8), se constată că sunt sticle alumino-silicatice şi boro-silicatice;

prezenţa Al2O3 ca intermediar, (formator şi modificator de reţea) conduce la

creşterea stabilităţii chimice, care capătă importanţă mai mare în cazul fibrelor

datorită secţiunii reduse şi suprafeţei mare de expunere la mediu. În cazul fibrelor

tip E utilizate în electrotehnică se remarcă limitarea conţinutului de oxizi alcalini,

deoarece prezenţa acestora conduce la micşorarea rezistivităţii electrice (ionii Na+,

K+ sunt purtători de sarcină electrică).

Rezistenţa la tracţiune a fibrelor de sticlă este mult mai mare decât cea

determinată pe epruvete deoarece structura are un grad de anizotropie cu atât mai

pronunţat cu cât diametrul fibrei este mai redus, iar prin procesul de fabricaţie se

realizează obţinerea de fibre cu suprafeţele lipsite de defecte; se ating astfel rezistenţe

la tracţiune de 2000…5000 N/mm2 în funcţie de conţinutul de SiO2 şi de diametrul

fibrei (de exemplu, la fibrele din silice pură (SiO2) se obţin şi rezistenţe de 8000

N/mm2). Aceste proprietăţi explică rezistenţa deosebită a materialelor compozite

unidirecţionale realizate prin înglobarea fibrelor de sticlă dispuse paralel într-o

matrice de răşină epoxidică.

Cuvinte cheie

agent de reticulare, 221, 225 alumina, 240 aminoplaste, 229 antioxidant, 226 antistatic, 225 argile, 237 atactic, 219 celuloza, 232 ceramice, 232 ceramice neoxidice, 242 ceramice oxidice, 240 ceramice silicatice, 237 configuraţie, 219 conformaţie, 220 copolimer, 219 corindon, 239 cristalite, 220 cristobalit, 239

curbă termo-mecanică, 222 dendrimer, 219 devitrifiere, 236 disproporţionare, 217 duritate Knoop, 242 elastomeri, 223 faianţă, 238 feldspat, 237 fenoplaste, 229 ferite, 242 fibrilă, 221 fondant, 243 glazură, 240 grad de cristalinitate, 220 grad de polimerizare, 216 gresie ceramică, 238 homopolimer, 219 intermediari, 244


247

izotactic, 219 lanţ molecular (catenă), 215 lanţ siloxanic, 231 magnezită, 241 masă moleculară, 216 material de umplutură, 225 material elastomeric (cauciuc), 229 melamine, 229 modificatori de reţea, 243 monomer, 215 mulit, 238 oxidul de zirconiu, 241 plastifiant, 225 poliadiţie, 218 policondensare, 218 polidispersie, 216 polidispersitate, 217 polietilenă, 216 polimer, 215 polimer reticulat, 221 polimerizare, 217 porţelan, 238 răşini epoxidice, 229 răşini poliesterice, 229 reacţie în lanţ, 218 reacţie în trepte, 218

segment de lanţ molecular, 220 sferulită, 221 silice, 235 silicon., 231 sindiotactic, 219 spinel, 241 stabilizator, 244 starea amorfă (vitroasă), 233 steroizomer, 219 sticle, 233 sticle alumino-silicatice, 245 sticle boro-silcatice, 245 sticle calco-sodice, 245 sticle cu plumb, 245 sticle pentru fibre, 246 structură amorfă, 220 temperatură de curgere, 222 temperatură de vitrifiere, 236 teracotă,, 238 termoplaste, 223 termorigide (duroplaste), 223 titanaţi, 242 tranziţie sticloasă (vitroasă), 222 triacetat de celuloză, 232 vitrifiant, 233, 243 vulcanizare, 230

Bibliografie 1. * * * Hütte, Manualul inginerului. Fundamente, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1995 2. Constantinescu D, Vasilescu D.S. şi Ciocea N. Stiinţa materialelor,

Editura Didactică şi Pedagogică, Bucuresti, 1983 3. Ifrim A. Noţingher P. Materiale electrotehnice, Editura Didactică şi

Pedagogică, Bucuresti, 1992 4. Krawczak P. Essais mecaniques des plastiques, Techinques de

l’Ingenieur, AM 3510, Paris, 1999 5. Nica Al., Ceramica tehnică, Editura Tehnică, Bucureşti, 1988 6. Nölle G. Tehnologia sticlei, Editura Tehnică, Bucureşti, 1981 7. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactică şi

Pedagogică, Bucuresti, 1995 8. Shackelford J., Introduction to Materials Science for Engineers,

Macmillan Publishing Company, New York, 1988 9. Smith Ch. O. The Science of Engineering Materials, Printice Hall, Inc.

New Jersey, 1986 10. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, Sixt

Edition, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989 11. Zecheru Gh. Drăghici Gh. Elemente de ştiinţa şi ingineria materialelor,

vol. 2, Ed. ILEX şi Ed. UPG Ploiesti, 2001.


248

Teste de autoevaluare T.7.1. Care dintre următoarele afirmaţii despre polimeri sunt adevărate:

a) sunt substanţe organice micromoleculare care conţin mai multe componente;

b) sunt compuşi chimici (în marea majoritate a cazurilor organici) cu molecule

de dimensiuni mari; c) numărul de monomeri din lanţul macromolecular

reprezintă gradul de polidispersie moleculară; d) numărul de unităţi structurale din

lanţul macromolecular reprezintă gradul de polimerizare?

T.7.2. Care dintre afirmaţiile următoare despre reacţia de polimerizare sunt

advărate: a) este o reacţie în trepete care necesită activare energetică la fiecare

secvenţă; b) este o reacţie în lanţ ce se iniţiază în prezenţa unei substanţe introduse

special în acest scop; c) prin polimerizare se obţin substanţe a căror compoziţie

chimică diferă de a monomerilor din care provin; d) în timpul procesului de

creştere a catenelor ambele capete ale lanţului sunt libere?

T.7.3. Cum se realizează întreruperea reacţiei de polimerizare: a) prin

introducerea unui radical care reacţionează cu monomerii liberi şi consumă

energia necesară continuării reacţiei de polimerizare; b) prin unirea capetelor

libere a două catene; c) prin răcirea bruscă a amestecului de reacţie; d) prin

transferul de la un lanţ la altul a unui unui atom de H care reface legătura dublă

C = C a monomerului?

T.7.4. Prin ce se caracterizează reacţia de policondensare: a) este procesul

prin care două molecule organice diferite reacţionează pentru formarea unei

molecule complexe; b) este procesul prin care două molecule organice identice

reacţionează pentru formarea unei molecule complexe; c) polimerii obţinuţi prin

policondensare au compoziţie chimică diferită de a monomerilor din care provin;

d) creşterea lanţului macromolecular se realizează prin formarea de noi legături în

urma reacţiilor de condensare (reacţie în trepte)?

T.7.5. Prin ce se caracterizează reacţia de poliadiţie: a) este procesul prin

care două molecule organice identice reacţionează pentru formarea unei molecule

complexe; b) este o reacţie în lanţ la fel ca polimerizarea; c) este o reacţie în trepte

care decurge fără eliminarea unei substanţe cu molecula mică; d) polimerii care se

formează prin poliadiţie au de obicei în lanţurile principale şi alţi atomi decât


249

carbonul?

T.7.6. Care dintre afirmaţiile următoare despre copolimeri sunt adevărate:

a) sunt rezultatul unirii unor monomeri de acelaşi tip; b) sunt rezultatul unirii în

lanţul macromolecular a unor monomeri diferiţi; c)după dispunerea monomerilor

pot fi copolimeri statistici, copolimeri grefaţi şi copolimeri bloc; d) după

dispunerea monomerilor pot fi: steroizomeri, copolimeri atactici sau copolimeri

isotactici?

T.7.7. Care dintre afirmaţiile următoare despre termoplaste sunt adevărate:

a) sunt substanţe macromoleculare cu structura liniară sau ramificată, complet

amorfă sau parţial cristalină; b) pot fi încălzite în vederea prelucrării o singură

dată; c) se utilizează numai în stare vitroasă; d) pot fi încălzite în vederea

prelucrării de un număr nelimitat de ori ?

T.7.8. Care dintre afirmaţiile următoare despre termorigide sunt adevărate:

a) sunt substanţe macromoleculare cu structura ramificată; b) sunt substanţe

macromoleculare cu grad mare de reticulare; c) se prelucrează într-o stare de

polimerizare incompletă; d) la o reîncălzire ulterioară nu se mai atinge starea

vâscoasă?

T.7.9. Cum se comportă elastomerii la încălzire: a) odată cu creşterea

temperaturii deformarea elastică se produce la solicitări mai mici; b) are loc

înmuierea prin reducerea pronunţată a vâscozităţii; c) îşi menţin proprietăţile înalt

elastice până aproape de descompunere; d) se durifică pe măsură ce creşte

temperatura prin creşterea gradului de reticulare?

T.7.10. Care dintre următoarele mase plastice aparţin termoplastelor:

a) polietilena; b) poliamidele; c) aminoplastele; d) polistirenul?

T.7.11. Care dintre următoarele mase plastice aparţin termoplastelor:

a) răşinile acrilice; b)fenoplastele; c)policarbonaţii; d) siliconii?

T.7.12. Care dintre următoarele mase plastice aparţin termorigidelor:

a) fenoplastele; b)poliuretanii liniari; c) răşinile alchidice; d) siliconii?

T7.13. Care tipuri de legături se întâlnesc în cazul materialelor ceramice:

a) legături metalice; b) legături ionice şi legături covalente; c) legături metalice şi

legături covalente; d) legături ionice şi legături moleculare?

T.7.14. Care dintre afirmaţiile următoare depre structura materialelor

ceramice sunt adevărate: a) este o structură complexă ce conţine faze cristaline şi


250

faze amorfe; b) structura este complet cristalină; c) structura este complet amorfă;

d) structura este complexă, formată din faze metalice şi faze nemetalice?

T.7.15. Ce se poate spune despre corpurile vitroase (amorfe): a) structura

este constituită din lanţuri spaţiale în care poziţia relativă a unităţilor structurale

este aleatoare ca în starea lichidă; b) se topesc şi se solidifică la temperatură

constantă; c) distanţele dintre particulele constitutive şi intensitatea legăturilor nu

sunt uniforme; d) structura corespunde unei stări stabile cu energia liberă minimă?

T.7.16. Ce reprezintă devitrifierea sticlelor: a) trecerea în stare fluidă

prin reducerea treptată a vâscozităţii; b) modificarea numărului de coordinaţie

al unităţii structurale; c) pierderea componenţilor cu rol de vitrifianţi din

structură; d) trecerea spre starea de echilibru stabil prin creşterea gradului de

ordine din structură?

T.7.17. Ce este caolinul: a) o varietate de silice cu granule foarte fine;

b) o varietate de argilă cu structură lamelară; c) compus chimic definit pe bază

de calciu cu formula 2CaO·SiO2; d) alumino-silicat hidratat cu formula

Al2O3 ·2SiO2·2H2O?

T.7.18. Care dintre afirmaţiile următoare despre feldspaţi sunt adevărate:

a) sunt compuşi alumino-silicatici de Na, K, Ca, Mg; au rolul de a forma fazele

cristaline ale ceramicelor; c) măresc rezistenţa la deformare sub sarcină a

ceramicelor; d) au rolul de fondanţi fiind la originea masei vitroase care leagă

particulele de silice şi de argilă în structura ceramicelor?

T.7.19. Ce rol are glazurarea pieselor confecţionate din ceramică: a) de a mări

rezistenţa la deformare sub sarcină; b) de a micşora higroscopicitatea prin formarea

unui strat compact cu structură vitroasă; c) de a mări rezistenţa mecanică prin crearea

unor tensiuni reziduale de compresiune?

T.7.20. Care dintre următoarele substanţe au rol de formatori de reţea în

structura sticlelor: a) silicea (SiO2); b) oxidul boric (B2O3); c) oxidul de sodiu

(Na2O); d) oxidul de zinc (ZnO)?

T.7.21. Care dintre următoarele substanţe au rol de modificatori de reţea

(fondanţi) în structura sticlelor: a) alumina (Al2O3); b) oxidul de litiu (Li2O);

c) oxidul de sodiu (Na2O); d) oxidul de plumb (PbO)?

T.7.22. Care dintre următoarele substanţe au rol de stabilizatori în

structura sticlelor: a) alumina (Al2O3); b) oxidul de magneziu (MgO); c) oxidul de

sodiu (Na2O); d) oxidul de zinc (ZnO)?

Date post:	23-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	elena-paulina
View:	37 times
Download:	2 times

Capitolul 7 Sm

Documents