Структура полимеров

Несмотря на успехи первых полимеров, без детального понимания процесса полимеризации дальнейший прогресс в этой области был бы невозможен. Данный процесс объяснил в 1920 г. немецкий химик Герман Штаудингер, который описал, каким образом молекулы соединяются в цепочки - из сотен тысяч атомов. Работа Штаудингера дала толчок к развитию промышленности пластмасс, и в начале 1930-х развернулось производство многих важных полимеров.
Полимеры образуются во время соединения между собой молекул-мономеров. Например, при получении полиэтилена молекулы этилена, каждая из которых состоит из двух углеродистых и четырех водородных атомов, образуют цепочку со структурой -(СН2СН)75000. Полный цепочку полиэтилена содержит до 25 000 молекул СН2.
Образование полимера из мономеров возможно под действием физических факторов, таких как температура, давление или механическое перемешивание. В других случаях полимеризация происходит с участием катализатора вещества, которая инициирует реакцию, но само при этом остается без изменений. Некоторые полимеры включают различные мономеры.

Первые полимеры

Событие, предопределившее развитие современной индустрии пластмасс, произошла в 1862 г., когда британский химик Александр представил Парке полимер на основе нитрата целлюлозы, названный впоследствии паркезином. Он получил этот материал, изменив с помощью кислоты на структуру целлюлозы, и применил касторовое масло для смягчения материала.
Технология Паркса приемлемая для лаборатории, однако довольно сложно использовать ее в крупномасштабном производстве. Через два года, в 1864 г., эту проблему решил американец Джон Уэсли Хайєтт. Как смягчающее агент он применил вместо касторового камфорное масло и доказал, что в таком виде процесс пригоден для производства. Хайєтт назвал новый продукт целлулоидом. Вскоре его начали использовать для изготовления сотен изделий, в частности рукояток для ножей, бильярдных шаров и фотопленки.

Усталость металла

Такой дефект, как усталость металла, может возникнуть тогда, когда металлическую деталь подвергать определенной нагрузке в течение длительного периода времени или в случае многочисленных изменений силы напряжения. Дислокации перемещаются в напряженную зону и препятствуют движению друг друга. В результате металл становится хрупким, и образуется трещина, которая может распространиться на всю толщину детали вплоть до ее конечного разлома. Чтобы избежать несчастных случаев, узлы и детали самолетов регулярно проверяют на усталость с помощью неразрушающего контроля.

Кристаллическая структура

Существует несколько способов препятствования такому перемещению. Один из них заключается в контролировании процесса отверждения во время изготовления с целью получения металла, состоящая из относительно большого количества мелких кристаллов. Чем больше кристаллов, тем больше границ раздела между ними, препятствующих перемещению дислокаций в металле. Второй способ блокирования движения дислокаций связан с добавлением атомов другого металла. Вот почему сплав из двух и более металлов тверже и прочнее, чем отдельно взятые металлы, из которых он состоит.
Можно также с помощью напряжений создать такое количество дислокаций в металле, по которой они сами будут мешать друг другу перемещаться. Такого механического укрепления (так называемого наклепа) можно добиться и с помощью напряжений, возникающих в процессе обычной металлообработки. В таких материалах, как стекло или керамика, нет дислокаций, которые легко перемещаются, поэтому они внезапно рушатся, если подвергнуть их напряжением, выше их предела упругости.

Дислокация

Когда металл подвергается напряжению без превышения его предела упругости, он растягивается, поскольку атомы немного «раздвигаются». После снятия напряжения атомы металла занимают свои начальные позиции, вследствие чего металл сжимается. Если напряжение выше предела упругости, некоторые металлы сохраняют новую форму после ее снятия. Это происходит потому, что в структуре кристаллов таких металлов присутствуют многочисленные дефекты дислокации. Одни кристаллы могут иметь лишний атом, а в других одного атома может не хватать. Такие дислокации образуются во время остывания и кристаллизации расплавленного металла. Они могут также формироваться, когда металл подвергается механическому напряжению, и он деформируется при меньшем напряжении. Напряжения, превосходящие предел упругости, заставляют атомные плоскости скользить одна по одной. Чем больше дислокаций, тем легче, не разрушая металл, придавать ему нужную форму путем ковки, прокатки или протяжки (растяжки).
Во время деформирования металла дислокации в нем перемещаются вдоль границ скользящих плоскостей атомов. Если препятствовать движению дислокаций, металл станет тверже и прочнее.