Способы регулирования структуры
Чтобы выдержать механические нагрузки, от полимерных материалов требуется сочетание самых различных свойств, например, определенное сочетание деформационных и прочностных свойств, твердость, ударная вязкость и др. Одним из показателей является зависимость деформации под напряжением, величина которой в свою очередь также определяется влиянием многих факторов:
- температура;
- амплитуда деформаций, величину которой желательно свести к минимуму, поскольку при больших амплитудах происходит постепенное накопление повреждений и разрушение материалов;
- длительность приложения нагрузки, которая позволяет определить долговечность материала в процессе воздействия на него эксплуатационных нагрузок.
Деформационные свойства полимеров. При изучении механических свойств полимеров они подвергаются различным деформациям. Зависимость напряжений от деформаций называют деформационной кривой растяжения. В начальный период деформации полимер ведет себя как упругое тело, деформация которого полностью обратима. Далее, когда величина относительной деформации достигает нескольких процентов, рост напряжений замедляется. Далее величина деформации при практически постоянном напряжении характеризуется большими относительными деформациями, которые имеют обратимую и необратимую составляющие. Данные свойства полимеров во многом определяют его поведение под действием внешних сил.
Общие аспекты. Пластичность характеризует свойства твердых тел деформироваться под действием нагрузки и, как только нагрузка исчезает, мгновенно возвращаться в исходное состояние с сохранением своих первоначальных размеров. Получаемая энергия «хранится» в материале. Общим свойством всех твердых тел является их пластичность до определенного предела, который называют пределом упругости. За этими пределами пластическая деформация становится необратимой, и часть энергии рассеивается в виде тепла.
Зависимость называют деформационной кривой растяжения. Диапазон изменения напряжений достаточно широк и соответствует зонам упругой, высокоэластической и вязкотекучей деформациям, последняя соответствует разрушающему напряжению и определяет значение предельной нагрузки, которую может выдержать материал. На начальном этапе твердое тело подчиняется закону Гука и величина его деформации прямо пропорциональна напряжению.
Коэффициент называют модулем упругости или модулем Юнга. Его величина меняется в пределах от 1МПа для эластичных материалов типа каучука до 105 МПа (100 ГПа) для жестких материалов, например металлов и стекол. Модуль Юнга используется как характеристика свойств клеевого материала и определяет способности клеевых соединений выдерживать нагрузку. В качестве косвенной характеристики может также использоваться твердость (чем она больше, тем большую нагрузку способен выдержать клеевой материал). Другой важной характеристикой полимерного материала является протяженность зоны пластической деформации. Начиная с некоторого значения напряжений, деформация уже не изменяется пропорционально и становится необратимой. Это свойство полимеров называют вязкоупругостью.
Механика разрыва объясняет механизм распространения трещины в твердом материале под напряжением. Скорость распространения трещины зависит от концентрации напряжений на краях трещины. Если под действием напряжений не происходит разрушение материала, то все равно имеет место их постепенное накопление. Если материал имеет только одну зону пластической деформации, то в этом случае он не способен рассеять избыток энергии и становится хрупким. Вероятность повреждений под действием аналогичных нагрузок существенно меньше, если материал способен к релаксации.
Мы наблюдаем двойственность требований к свойствам клеевого шва. С одной стороны, он должен обладать максимально высоким пределом упругости, чтобы выдерживать большие нагрузки, а с другой стороны, он должен обладать хорошими деформационными свойствами, чтобы рассеивать энергию и не допускать концентрацию напряжений, приводящую к росту и распространению трещин.
Примеры деформаций твердых тел. При нагрузках на сдвиг и изгиб материал ведет себя как упругое тело, т.е. в соответствии с законом Гука. Коэффициент Пуассона характеризует измерение поперечного сечения в процессе продольного растяжения. Модуль упругости при деформации сдвига (модуль сдвига) определяется из соответствующего уравнения. Значения коэффициента Пуассона изменяются в пределах от 0,25 (для густосшитых) до 0,5 (для эластомеров). Модуль сдвига G он выражает пропорциональность (до предела упругости) между напряжением и относительной деформацией.
Диаграммы напряжение — деформация различных типов полимеров
Типовые диаграммы вместе с характерными значениями Е и G. Кривые растяжения показывают, что свойства полимеров могут изменяться в широком диапазоне:
- очень высокая жесткость с небольшой пластической деформацией, что приводит к большой хрупкости (для редкосшитых полимеров или для специальных материалов, например цианакрилатов); средние значения жесткости в сочетании с небольшими деформационными характеристиками (100 МПа), что свойственно для сшитых полимеров, например для модифицированных каучуками эпоксидных материалов или для аморфных полимеров с повышенной температурой стеклования, например поликарбонатов;
- средняя жесткость в сочетании с высокоэластичностью, что способствует рассеиванию энергии (такими свойствами обладает полиэтилен);
- высокие значения деформации, но без сохранения пластических свойств (о таких материалах пойдет речь в данной главе).
Частично кристаллические полимеры и эластомеры хорошо подходят для использования в качестве клеевых материалов. Диаграммы о/е показывают, что не существует полимеров, которые могли бы в течение длительного времени выдерживать нагрузку без деформации. При создании клея требуется, чтобы он одновременно сочетал и прочностные (упругие), и деформационные свойства.
Загрузка ...