Сопротивление изотропных полимерных материалов

Настоящее время характеризуется все более широким использованием в различных отраслях техники полимерных материалов.

Так, например, полимерные материалы применяются в химическом машиностроении для изготовления различных емкостей и трубопроводов, предназначенных для хранения и перекачки газов и жидкостей (в том числе и агрессивных).

Многие детали медицинских аппаратов изготавливаются из полимерных материалов. Широко используются эти материалы в авиастроении, в ракетной и космической технике.

Полимерные материалы характеризуются рядом особенностей физикомеханических свойств, которые существенно отличают их от традиционных конструкционных материалов.

Особенности деформационных свойств изотропных полимерных материалов

Полимерные материалы могут находиться в различных агрегатных (жидкое и твердое) и физических состояниях.

При температурах, меньших температуры стеклования Г_с, деформация полимера главным образом обусловливается растяжением связей и изменением валентных углов молекул. При снятии нагрузки связи и валентные углы возвращаются к своим исходным состояниям, и полимерный материал деформируется упруго.

Физическое состояние полимеров в этой области описывается соотношениями упругости, соотношениями закона Гука.

Упругая деформация может быть отождествлена с деформацией хрупкого стекла; по этой причине указанную область называют областью стеклообразного состояния, а температуру Т_с — температурой стеклования.

При температурах, больших температуры стеклования и меньших температуры текучести Т_т, деформация полимерных материалов складывается из упругой, аналогичной деформации в стеклообразном состоянии, и вязкоупругой.

Возникновение вязкоупругой деформации обусловливается в основном изменением конформации, т. е. «распрямлением» закрученных макромолекул. Обе составляющие деформации являются обратимыми.

В отличие от упругой, мгновенно обратимой деформации, частично обратимая вязкоупругая деформация развивается и исчезает постепенно, являясь, таким образом, функцией времени.

Полная деформация полимера, находящегося в этой области изменения температур, называется вязкоупругой, а его физическое состояние описывается соотношениями вязкоупругости. Эта область называется областью высокоэластичных состояний полимеров.

Деформация полимерных материалов, находящихся в третьей области (Т> Т_т), складывается из обратимых упругой и частично обратимой вязкоупругой, а также из необратимой деформации течения, которая обусловливается главным образом смещением (течением) молекул относительно друг друга.

Деформация течения существенно больше упругой и вязкоупругой составляющих, и ее особенности в основном определяют вязкотекучее состояние полимерных материалов в третьей области. Поэтому температура Т_т, выше которой наблюдается это состояние, называется температурой текучести.

В табл. 5.1 приведены температуры стеклования и текучести некоторых аморфных полимеров.

Таблица 5.1

Заметим, что введенные выше понятия температур стеклования и текучести в определенной мере условны, так как переход полимерного материала из одного состояния в другое происходит постепенно в некоторой области температур перехода.

Детали и конструкции обычно эксплуатируются при температурах ниже температуры текучести. По этой причине в эксплуатационном диапазоне изменения температур полимерные материалы могут находиться преимущественно либо в упругом, либо в высокоэластичном состояниях.

Рассмотрим особенности деформации полимеров, находящихся в высокоэластичном состоянии.

Полимерные материалы в этом состоянии одновременно обнаруживают свойства идеальной упругости и вязкости. Такие материалы называются вязкоупругими. Следовательно, в вязкоупругих материалах напряжение в простейшем случае есть функция деформации и ее скорости, т. е. а = ст (е, dz/dt).

Вязкоупругие материалы по сравнению с идеально упругими обладают целым рядом особенностей, основные из которых сводятся к следующему.

1. Отсутствие однозначной связи между напряжениями и деформациями. Эксперименты показывают, что скорость деформирования оказывает существенное влияние на диаграмму растяжения «а — е» таких материалов. Из рис. 5.1 ясно, что одному значению деформации е' при различных ско;

Рис. 5.1.

ростях деформирования образцов из смолы III 1−1 соответствуют различные напряжения.

2. Способность к ползучести и релаксации. На рис. 5.2 приведены кривые ползучести иолиэфируретанового эластомера, а на рис. 5.3 — кривые релаксации полифиброна.

Рис. 5.2 Рис. 5.3

3. Рассеяние внутренней энергии в процессе деформации. Это явление, в частности, при гармонических процессах деформирования выражается в том, что на диаграмме «а — е» появляется петля гистерезиса, площадь которой определяет величину внутренней энергии, рассеянной за цикл.

Если вязкоупругий стержень подвергнуть некоторому периодическому нагружению, то в определенных интервалах деформаций и напряжений они изменяются с одной и той же частотой о, но сдвинуты по фазе:

• 4. Полимерные материалы обладают значительной диссипацией энергии, что приводит к заметному саморазогреву материала при циклическом нагружении. Так, например, температура циклически деформируемых (870 циклов в минуту, амплитуда деформации 30%) в условиях сжатия образцов резины при установившемся режиме теплопередачи превышала температуру окружающего воздуха примерно на 40—60 К.
• 5. Для многих полимерных материалов при заданных температурах существуют такие уровни напряжений, до которых вязкоупругие свойства оказы ваются л и ней н ыми.

Это свойство линейности, в частности, при ползучести выражается в том, что при любом фиксированном времени деформации находятся в таком же отношении друг к другу, как и напряжения (рис. 5.4).

Например, при t = V имеют место соотношения г₂ = 2е, ?₃ = Зе,. Если г₄ * 4е, то линейность при напряжениях с, и больших нарушается.

Рис. 5.4.

Область линейности свойств для многих полимеров в эксплуатационном диапазоне напряжений оказывается достаточно широкой. Поэтому здесь рассматриваются задачи линейной вязкоупругости.