книги / Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов

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

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