Почему этот популярный инженерный пластик сочетает жесткость и ударную вязкость?

В области материаловедения жесткость и ударная вязкость часто рассматриваются как противоположные характеристики — их оптимизация является важной задачей для инженерных пластиков.

1. Понимание понятий

Жесткость

Жесткость — это способность материала сопротивляться деформации под действием нагрузки. Обычно измеряется через модуль упругости (модуль Юнга).
Чем выше модуль — тем выше жесткость. Например, поликарбонат (PC) обладает высоким модулем и устойчив к изгибу.

Ударная вязкость

Ударная вязкость — это способность материала поглощать энергию и деформироваться без разрушения.
Например, полиоксиметилен (POM) демонстрирует хорошую вязкость: при ударе он может деформироваться, поглощая энергию, не разрушаясь.

2. Взаимосвязь между жесткостью и вязкостью

Баланс

Как правило, увеличение жесткости может снижать вязкость, и наоборот.

• Добавление стекловолокна увеличивает жесткость, но делает материал более хрупким.

• Пластификаторы повышают вязкость за счёт подвижности цепей, но ослабляют жёсткость.

Как добиться обоих свойств

Некоторые инженерные пластики достигают баланса благодаря молекулярному дизайну и технологии обработки.

Например, современные полиамиды (нейлоны) можно модифицировать для повышения и жесткости, и ударной вязкости за счёт ориентации цепей и контролируемой кристалличности.

3. PEEK — инженерный пластик с высокой жесткостью и вязкостью

Молекулярная структура

Основная цепь

PEEK (полиэфирэфиркетон) содержит чередующиеся эфирные (-O-) и кетонные (-CO-) группы, соединённые с ароматическими кольцами.

• Ароматические кольца придают структуре жёсткость.

• Эфирные и кетонные звенья обеспечивают небольшую гибкость, поглощая удары.

Регулярность цепей

Высокая регулярность молекул способствует высокой кристалличности, что повышает жёсткость.
Аморфные области при этом обеспечивают ударную вязкость, предотвращая разрушение при нагрузке.

4. Преимущества PEEK

• Tg (температура стеклования): ~143°C

• Температура плавления: ~334°C

• Сохраняет стабильные свойства при высоких температурах

• Высокий модуль упругости = отличная жёсткость

• Большое удлинение при разрыве и высокая ударная прочность = хорошая вязкость

5. Применение PEEK

Благодаря таким свойствам, PEEK используется в аэрокосмической отрасли, медицине и автомобилестроении:

• Аэрокосмос: Работает при высоких температурах и вибрациях.

• Медицина: Используется для суставных протезов, выдерживает нагрузки и удары.