книги / Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов
..pdfИздан кс осущ ествлено при под
УДК 539.3
держ ке Росс иНекого 1^оида ф ун дам ентальны х исследовании но проекту 95-01-00412а
Структурный механизмы формиролдиня механических СВОЙСТВ ЗП|НШСТЫХ ПОЛПМОрШ.1Х ХОВНЮЭЕСТОП. Ко.'1, аН'[0]ЮП. Екатеринбург: УрО РЛН, 1997, 15ВК 5*7691-0680-8.
Зернистые композиты рассматриоаются как н ек о то р ы е иерархически построенные конструкции. Каждый структурныII у|хщень характеризует ся споим набором понятий, своим способом иродегаНДСПИЯ СВОЙСТВ 11сн язк со смежными структурными уровнями. Выявляются II исследуются свой ства элементов основных структурных уровнен II их пэлн.мная СВЯЗЬ 11 взаимная обусловленность.
Для материаловедов-лолимерирпсаь, конструктороп к нроекти|х1пщиков изделии из композиционных материалов, студентов высших учебных заведении соответствующего профиля.
Ответственный редактор В. В. Мошев Рецензент Ю. В. Соколкни
13ВИ 5-7691-0680-8 |
© |
В. В. Моюсь, Д. Л. Свистков, |
|
О. К. Гарншнн, С. Е. Валамии |
|
|
|
|
ЛВ—1997 |
|
Л. Л. Роговой, Б. II. Ков]Ю0у |
|
Л. Л. Комар, Л. А. Полотин |
|
|
|
Л. Л. Кожевникова, 1997 |
© УрО РАН, 1997
ПРЕДИСЛОВИЕ
13 книге рассматриваются матричные композиты, наполненные изометрическими частипамп шаровой формы, промышленными ана логами которых, можно считать резины различного назначения, по лимеры, содержащие зернистые наполнители, твердые ракетные то- 11,чина и т. и. Механические споИстпа указанных материалов, нссмо- 11>я на их широкое промышленное и бытовое использование, вряд ли можно считать достаточно познанными, Эго обстоятельство часто создаст значительные помехи при разработке новых материалов с заданными механическими свойствами, требует постановки большо го количестна э к сиеримемтоп и кс всегда приводит к положительным результатам.
Понимание природы и значимости внутренних механизмов, фор мирующих эффективное поведение, становится одно1 из задач пер востепенного значения. Структурно*механические исследования как разновидность материаловедчсскоП науки призваны устанавливать и объяснять снизь ниутрен них (микроскопических) механизмов, воз никающих при деформировании материала, с его макроскопическим (эффективным, служебным) механическим поведением. Понимание такоН связи помогает разработчикам новых материалов еще до по становки экспериментов проектировать их структуру под заданные требования, что сокращает время отработки н уменьшает затраты па опытную проверку и освоение производства.
Структурную механику можно рассматривать и как теоретичес кую базу для построения континуальных («[щпомеиолотчсских) ме ханических моделей, используемых в конструкторской деятельно сти.
Композиты в монографии рассматриваются как некоторые ие рархически построенные системы с достаточно четко выраженны ми размерными уровнями. Каждый уровень характеризуется своим
способом представлении свойств и характером синаи со смежными структурными уровнями. Изложение материала » основе своей от ражает эту -схему.
Монография содержит итоги исследовании, (наполненных кол лективом авторов в Институте механики сплошных сред Урал1*скоп> отделения Российской академик наук о течение последних 16 лет.
В. В. Моими
ВВЕДЕНИЕ
Н . 5Г. М о ш е к
Дисперсно наполненные (и дальнейшем зернистые) композиты хлрпкгеризуюгея весьма сложным механический поведением, кото рое обусловлено различными по природе обратимыми и необрати мыми структурными изменениями, всегда сопутствующими дефор мированию этих материалов. 1Внастоящее время можно указать по крайней мере лят(> таких механизмов.
1Гаиболее изучена изменчивость, обуслонлсииая вязкоупругими свойствами полимерно!! матрицы. Источником се является молеку лярное трение, интенсивности которою изменяется в широких пре делах и заииспмости ох химической природы полимера и его тем пературы. При температурах, значительно превышающих темпера* туру стеклования полимерной матрицы, и при наличии в ней пла стификатора влияние собственной вязкости матрицы (особенно для эластомеров) может оказать»! слабым.
Хорошо изпостен так называемый эффект Маллииза. Его сущ ность заключается п том, что при деформировании внутри поли мерных матриц и на границе их скрепления с частицами наполните ля возникают микроскопические повреждения либо как нарушения молекулярных сеток (л случае эластомеров), либо как более круп номасштабные внутренние разрывы полимерной матрицы, либо кок отслоения ее от частиц наполнителя, в большинстве случаев сопро вождаемые порообразованием. Нарушение сплошности усиливается с деформацией, приводя к заметному размягчению композиционных материалоп. Накопленная повреждешюсти такого типа иоент в зна чительной мере необратимый характер. Хотя эффект Маллииза из вестен с начала 20-х годов, достаточно разработанных феноменоло гических описаний его, учитывающих кинетику явлении, наскодьхо нам известно, не создано.
Маллинэова повреждаемость на структурном уровне приводит к несовместности перемещении а областях раэрыиои м отслоений. В тех случаях, когда поверхности микрораэрывов окаэыпаются п со прикосновении друг с другом, а это неизбежно п механически неод нородных гетерогенных структурах, между межфазнымл поверхно стями возникает трение как новы II физически И процесс, оказываю щий значительное влияние на эффективное механическое поведение композитов. Это пиутрсппсс мсжнопсрхпостнос трение замкнуто на объемах порядка размера частиц наполнителя. Фрикционная дис сипация указанного типа, насколько нам известно, не стала пока объектом обстоятельных исследовании, хотк се роль о формирова нии механического поведения представляется значительной, особен но когда материал подвергается циклическим воздействиям.
В композитах, матрицы которых содержат пластификатор, воз никает еще один диссипативныЛ механизм, способный вызывать при деформировании заметное изменение механического поведения. Вы сокая локальная неоднородность силовых нолей на размерном уров не частиц наполнителя вызывает перетекание пластификатора из мест, где матрица гидростатически сжата, о места, где она гидроста тически растянута. Это приводит х перераспределению матричных микрообъемов н в конечном счете к ослаблению напряженного со стояния системы, которое внешне носпринимаете я как обычная вяз коупругая релаксация напряжений п матрице, Эффект становится особенно заметным при высоких концентрациях пластификатора п матрице.
И, наконец, источником непостоянства свойств является также неоднородность микродеформацпй в полимерных матрицах, обусло вленная наличием частиц наполнителя и случайным их распреде лением, которая приводит к микроскопической неоднородности те пловыделений термодинамической природы. Это явление получило название термоупругого гистерезиса. Значимость эффекта зависит от условий деформирования и свойств матричного материала. В мягких эластомерных матрицах при невысоких скоростях деформи рования композита этот эф<]>ект вряд ли может быть значительным.
Многолетние нсслсдопаиня вязкоупругих свойств полимеров, от раженные и многочисленных монографиях, создали достаточный на учный задел для успешного использовании этого механизма при ре-
1ИСШ1И разнообразных научных л т-схпичсских проблем. Поэтому в данной монографии процессы молекулирной вязкоупругости не рассматриигнотся.
Основное внимание уделено описанию и ксследопанию менее изу ченных структурно-механических проблем: геометрии случайно об разованных структур, особенностям структурных напряжений и де формаций, аоэнихнолейию и развитию структурной поиреждешюсти, закономерностям микрофрикцнн, мнкродпффузиоиным влия ниям, процессам перехода от накопления микроскопической повре жденное™ к макроскопическому разрушению.
Представлялось целесообразным осуществлять построение струк турной теории па основе иерархического подхода, поднимаясь от некоторого нижнего размерного уроння, с<|юрмиропапного на базе фе номенологии, через более крупные структурные уровни к макроско пическому размеру с соответствующими осреднениями па каждой иерархической ступеньке, 13 соответствии с этой схемой в качество нижнего размерного уровня был принят размер, включающий хотя бы одну частицу наполнителя и прилегающую к ней прослойку ма трицы. Состаилякицис элементы таких исходных систем (матрица н частицы) принимаются некоторыми континуумами и характеризу ются соответствующими континуальными характеристиками, таки ми как модули сдвиговой н объемной упругости, упругие потенциалы II Г1р.
Методологический подход, отраженный в данной монографии, представляет попытку решения проблем структурной механики по схеме, описанной выше, хотя это удалось реализовать зге в подпой мере,
13 вводном разделе дается общее представленне о специфике ме ханического лоледеиия зернистых полимерных композитов (он по строен как обобщение опытного материала п данной области) к иысназываются предположении о механизмах, формирующих это пове дение.
Далее рассматривается комплекс структурных проблем общего назначения ( геометрический синтез случайных структур, создание методов расчета структурных напряжениII к деформаций) и частных задач по исследованию отмеченных бышс специфических механиз мов (диффузия пластификатора в неоднородных силовых нолях ма-
трины, структурная повреждаемость, фрикционным механизм, воз никновение макроскопического разрушения из рассеянных мпкроповреждеинП; некоторые континуальные феноменологические), по строенный па базе структурных представлений.
Хотя все главы связаны единым замыслом, каждая из них явля ется достаточно закопченным исследованнем, которое может быть использовано в работах, выходящих за рамки данном монографии.
Монография завершается общей оценкой полученных результа тов н рекомендациями но дальнейшим напраплеииям н ауш от но-
Г Л А В А1
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЗЕРНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ
В . В . М о ш е и , В . I I . К о н р о »
" Истинные пауки — гпс, которые опыт
заставил пройти екоозъ ощущения*
Леонардо да /1инчи
1. |
Феноменологические наблюдения |
. . |
9 |
2. |
Экспсримсм70ЛЫ1ЫС исследования структурных нэшмсенлИ |
И |
|
3. |
ПростоНшие структурные модели и их возможности . |
|
23 |
4. |
Заключение |
|
43 |
5. |
Список литературы . |
|
15 |
1.Феноменологические наблюдения
Испытания композитов при простом одноосном нагружении об наруживают ряд споКетненпых только им особенностей, совокупный учет которых очень затрудняем построение адекватных феномено логических описании. Широко распространены испытания! при ко торых образцы растягивают с постоянно!! скоростью, фиксируя о качестве отклика материала его силовое сопротивление. Механиче ская характеристика материала чаще всего представляется зависи мостью напряжения (7, вычисленного по отношению к начальному сечению образца, от деформации е. Этот вид испытаний будет нами использован в основном при анализе механического поведения ма териала. Рисунки, приводимые далее, иллюстрируют общую зако номерность, не отражая индивидуалыюсть какого-либо конкретного композита. Указание численных значении деформации, напряжений