РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ - Расчет и обоснование толщины тротуарной плитки на основе термоэластопластов

В общем случае прочность ПКМ определяется ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия и силами главных химических валентностей полимерной матрицы. Когда макромолекулы матрицы не ориентированы (малонаполненные композиты), связи расположены под большими углами к направлению приложенной нагрузки. В такой ситуации макромолекулы обладают достаточной гибкостью. Вследствие подвижности и разной длины молекулярных цепочек в направлении действия нагрузки разрушение ПКМ в большей мере осуществляется за счет отделения звеньев и сегментов макромолекул при их относительном проскальзывании, нарушающем главным образом слабые вандерваальсовы связи.

В случае, когда наполнитель повышает прочность ПКМ, увеличивается как число сшивок в пространственной сетке полимерной матрицы, так и число поперечных сшивок в структуре композита, связывающих соседние частицы наполнителя с помощью макромолекул матрицы. Разрушение такой трехмерной жесткой структуры происходит преимущественно за счет разрыва связей главной химической валентности.

В ненагруженном материале видимых разрушений не наблюдается. Это объясняется тем, что наравне с процессами термофлуктуационного разрушения происходят идентичные по природе, но обратные процессы рекомбинации ранее нарушенных связей. Вероятности этих процессов равны, поскольку отсутствуют силовые условия, способные изменить скорость протекания какого-либо из процессов в ту или иную сторону.

При разрушении образующаяся сетка линейных трещин, разбивающих плоскую поверхность композита на многоугольники, число сторон которых находится в интервале от 4 до 6 (преимущественно образуются либо прямоугольники, либо шестиугольники). Трещины располагаются под углом 90 или120° одна относительно другой. Первопричиной деформационных процессов и процессов трещинообразования является энергетическая неустойчивость структуры ПКМ, обусловленная полями перенапряжений.

Вследствие того, что частицы усиливающего наполнителя имеют высокую когезионную прочность, разрушение ПКМ происходит либо когезионным путем (по полимерной матрице), либо имеет сложный адгезионнокогезионный характер. В последнем случае, который реализуется при невысокой адгезии, поверхность разрушения проходит через матрицу и дефектные зоны, расположенные на периферии граничных слоев полимера и охваты вающие поверхность отдельных частиц наполнителя. Рассмотрим разрушение ПКМ более подробно.

Усадочные деформации структурных блоков вызывают деформации и напряжения растяжения на поверхностях раздела. Это нарушает сплошность матрицы и приводит к появлению зародышевых трещин. Такие трещины опасны для структур более низкого масштабного уровня. При этом зарождение трещин происходит по межкластерным поверхностям, поскольку разрыв сплошности энергетически выгоден и более вероятен по ослабленным местам структуры. В структуре твердеющего ПКМ рост трещины происходит не непрерывно, а дискретно по мере накопления деформаций до достижения критических значений и разрыва межчастичных и межкластерных связей. Сохраняя общее направление движения, обусловленное градиентом усадочных деформаций на берегах, трещина продвигается по межкластерным поверхностям раздела.

ПКМ, как и другие конструкционные материалы, разрушаются вследствие развития начальных дефектов. В связи с этим необходимо отметить, что сам факт наполнения приводит к возникновению в композите различных тех нологических дефектов, к которым относятся трещины и поры, образующиеся в процессе изготовления [8]. Указанные дефекты возникают в результате побочного действия вводимого в полимер наполнителя, способствующего концентрации напряжений и тем самым служащие потенциальными источниками зарождения деструкции.

Распределение начальных трещин в объеме ПКМ и геометрия их развития зависят от соотношения прочностей и коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя. При этом возникают либо полусферические трещины вокруг частиц наполнителя, переходящие впоследствии в матрицу, либо трещины, проходящие сквозь частицы и матрицу; последние наиболее опасны при эксплуатации изделий.

Однако частицы наполнителя играют роль не только инициаторов трещин в композите. При малых скоростях роста уже имеющихся начальных трещин и подводимой к ПКМ энергии разрушения отдельные частицы способны тормозить и останавливать их рост. Встречаясь с частицей, такие трещины разрывают адгезионные связи по поверхности контакта частицы с матрицей (рис. 6). Тем самым вершина трещины притупляется, и происходит перераспределение локальных напряжений в области матрицы, граничащей с поверхностью раздела. В результате упругая энергия в вершине трещины понижается, и она прекращает свое развитие.

Источниками разрушения часто являются группы несмоченных полимером частиц наполнителя (агрегаты), образующиеся в результате формирования композита. Дисперсные частицы жесткой фазы ПКМ увеличивают остаточные напряжения вследствие различия в термическом расширении наполнителя и матрицы. При охлаждении композита ниже температуры стеклования полимерного связующего возникают остаточные термические напряжения как в матрице, прилегающей к поверхности частиц, так и внутри самих частиц. Места с максимальными напряжениями расположены не на поверхности раздела фаз наполнитель-- матрица, а на некотором расстоянии от нее.

модель торможения трещины (1) с частицей наполнителя

Рис. 7. Модель торможения трещины (1) с частицей наполнителя

(2), имеющей плохую адгезионную связь с полимерной матрицей (3).

При взаимодействии с ячеистым кластером сформировавшаяся трещина вследствие своего ветвления распадается на несколько малых трещин, которые, в свою очередь, тормозятся отдельными частицами кластера (рис. 7). Известно, что ветвление наблюдается преимущественно в тех случаях, когда трещина встречается с мощными полями сжимающих напряжений. Отсюда следует, что в ячеистых кластерах возникают значительные радиальные сжимающие напряжения, способствующие торможению трещин.

На границе раздела технологи ческих субкластеров кристалличность композита снижается, проявляется рыхлость матрицы, повышается ее пористость. Поэтому границы раздела субкластеров являются потенциальными местами зарождения и распространения трещин. Технологические субкластеры весьма мелкие и неспособны в отдельности существенно исказить поля напряжений, поэтому мозаика трещин при разрушении не обвивает каждый субкластер в отдельности, а охватывает их группы - блоки (границы субкластеров и блоков совпадают). В конкретных условиях нагружения поле напряжений внутри блока однородно, и трещинам энергетически невыгодно дробить его на более мелкие участки.

ветвление трещины вячеистом кластере эпоксидного композита, наполненного молотым кварцем (х200)

Рис. 7. Ветвление трещины вячеистом кластере эпоксидного композита, наполненного молотым кварцем (Х200)

Материал композиционный полимерный прочность

Похожие статьи




РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ - Расчет и обоснование толщины тротуарной плитки на основе термоэластопластов

Предыдущая | Следующая