Высокоэластические характеристики для «жестких» и «мягких» полимеров

Модули Е и G не являются постоянными величинами для данного полимерного материала, поскольку их величины существенно зависят от температуры. Диаграммы показывают наличие двух типов эластичности при кратковременных нагрузках: небольшая деформация полимеров в стеклообразном состоянии или сшитых полимеров, и большая деформация эластомеров. В термодинамическом плане оба вида эластичности отличаются друг от друга. Эластичность «жесткая» имеет «теплосодержащее» происхождение из-за поглощения энергии — эндотермическое, что связывают с перемещением атомов. Эластичность «каучуковая» имеет «энтропийное» происхождение — экзотермическое, которое происходит из-за «структурирования» макромолекул под воздействием нагрузки (что в ряде случаев может привести к частичной кристаллизации). Это определяет двойственное влияние температуры: при нагреве стеклообразный полимер становится все «мягче» (значение модуля упругости уменьшается), тогда как эластомер, наоборот, «затвердевает» (увеличивается).

Пластичность и ударопрочность клеевых материалов. Среди преимуществ при выборе того или иного клеевого материала достаточно часто в качестве критерия выбора используют величину ударной вязкости, которая определяет поведение клеевого материала при воздействии мгновенных нагрузок. Такими же свойствами должны обладать противоударные стекла и ветровые стекла автомобилей. Клеевые густосетчатые материалы или же полимеры в стеклообразном состоянии не могут быть использованы для этих целей по причине своей хрупкости.

Преднамеренный небольшой подогрев шин перед автомобильными гонками связан с улучшением эластичных свойств эластомеров за счет изменения температуры. В других видах спорта, например, большой теннис, также известен этот «секрет», когда немного подогретый резиновый мяч лучше отскакивает от земли.

Трещина и рассеивание энергии. В данном разделе сайта подробный механизм образования трещин в полимерных материалах не рассматривается. Рассмотрим только некоторые общие положения.

Связь между напряжением при разрыве и размерами дефектов. В механике разрушения твердых тел принимают, что «сопротивление разрыву материала тем слабее, чем больше в нем дефектов». Дефекты можно моделировать с помощью эллипсов, большая ось которых является перпендикулярной к нагрузке. Для хрупких материалов напряжение для разрыва обратно про­порционально величине а, отсюда следует оценка влияния размера дефекта.

При анализе рассмотренного механизма разрушения не следует делать преждевременных выводов. Это связано с тем, что упрощенный анализ не учитывает тот факт, что дефекты, которые уже имели место на материале, не носят все эллиптический характер и не ориентированы в определенном направлении. По тем же условиям, согласно которым мы определили, что величина обратно пропорциональна др. величине, мы также можем утверждать, что продольный разрыв имеет тенденцию замыкаться. Это не соответствует действительности. Подтверждением этого являются опытные модели, на которых изучалось распространение трещины: например тесты на «двойном кронштейне», в частности, расщепление (метод открытия) или «угловой». Все результаты экспериментальных исследований показали, что усилия всегда перпендикулярны вынужденной трещине.

Газовые пузыри в швах. Наличие сферических микродефектов, абсолютно деформируемых, например, в виде воздушных пузырей (газ может быть любым), далеко не во всех случаях приводит к ухудшению свойств полимерных материалов. Пузырьки в небольшом количестве, наоборот, улучшают сопротивление за счет локального рассеивания энергии напряжений. Это очень хорошо, поскольку химики знают, что практически невозможно получить полимерные материалы без пузырьков. Они также знают, что регулировать размер и количество воздушных включений в материале с изменяемой вязкостью очень сложно: нет очевидной возможности контроля механической стойкости с помощью дисперсии газовых пузырьков. Другим способом уменьшить скорость распространения трещины является введение в состав клеев полых микрошариков или нанотрубок.

Рассеивание энергии. Другая ключевая концепция механики разрушения касается энергии деформации. С макроскопической точки зрения энергия деформации (или плотность энергии деформации, отнесенная к единице поверхности) есть площадь под кривой. Кроме способности к рассеиванию, этот параметр не содержит никакой иной полезной информации. Для понимания механизма разрушения клеевого материала необходимо вернуться к изучению скорости изменения энергии в зоне начала прорастания трещины. Величину можно определить, зная следующие параметры:

  • сопротивления материала (единица измерения Дж • м 2);
  • процент восстановления энергии, т.е. разница от восстановленной энергии во время небольшого увеличения зоны трещины.

Из вышесказанного следует, что разрушение происходит в том случае (т.е. трещина начинает распространяться), если коэффициент восстановления энергии выше, чем сопротивление разрыву.

Таким образом, условием разрушения является критическое раскрытие микротрещины, которое зависит от константы материала. Трещина начинает распространяться с катастрофической (для данного материала) скоростью, когда ее раскрытие в вершине в процессе деформирования достигает своего критического значения и становится равным данной константе. Для хрупких моделей физический смысл константы соответствует удлинению при разрыве химических связей.

Практические рекомендации. Архитекторам хорошо известно, что при наличии практически близких значений жесткости (изменяется в пределах 200 и 100 ГПа) сталь и стекло имеют существенно отличные друг от друга значения коэффициентов восстановления энергии (соответственно 2000 и 20 Дж • м2). Именно по этой причине арматуру делают именно из стали, а не из стекла. Если сравнить свойства органического стекла и поликарбоната, то оба этих материала являются термопластами с температурами стеклования: 110 и 150°С, соответственно. Они также имеют достаточно близкие значения модуля упругости (2,5 и 1,5 ГПа), однако способность рассеивать энергию у поликарбоната практически в десять раз выше, чем у оргстекла. Именно по этой причине производят замену витражей: стекло на оргстекло, которое также лучше заменить на поликарбонат. Для клеевых материалов также требуются не столько высокие «классические» параметры (сопротивление разрыву, модуль упругости и пр.), сколько хорошие значения коэффициента восстановления энергии.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:

Copyright © 2017 Современные технологии обработки древесины. All Rights Reserved.
При использовании материалов сайта гиперссылка на www.technologywood.ru обязательна.