Материал: Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов

В связи с этим для решения структурных задач был разработан эффективны!! итерационны!! алгоритм, удобный для решения мно­ гих задач, где рассматривается бесконечное упругое пространен», содержащее конечное число включений.

Использование алгоритма позволило создать новый метод опре­ деления эффективных характеристик, сущность которого заключа­ ется не в осреднении быстро осциллирующих напряжении и дефор­ маций внутри исследуемого ансамбля частиц, а п оценке возмуще­ ния, производимого им но опешием коле.

Исследование плоских структур показало, что их компоновка ча­ стицами, различающимися по размерам в 3-6 раз, минимизирует поперечный модуль упругости, когда среди иII относительный проме­ жуток между частицами разных размеров получается одинаковым.

Установлено, что эффективныII модуль заметно не изменяется при переходе от регулярных структур х неупорядоченным, если на­ полнение не приближается к предельному.

5. Предложена представительная структурная ячейка, и принци­ пе позволяющая отобразить процессы, управляющие сс поведением п течение всего жизненного цикла.

Механическое поведение ячейки определялось решением краевых задач в рамках теории больших деформаций. В основу решений за­ кладывалась специализированная модель слабосжимаемоП н несжи­ маемой упругой среды и конечно-элементная вычислительная про­ цедура (глава 8).

Исследование мсхаипческой специфики структурной ячейки по­ зволило наполнить физическим И механическим содержанием поня­ тие структурного элемента, введенного в простейшей <|к>рме и базо­ вую конфигурацию модели в главе 1.

Эго позволило внести в описание структурного элемента следу­ ющие уточнения. Повреждение элемента рассматривается кик двухстаднПнык процесс: отслоение матрицы от частицы наполнителя с частичной потерей сопротивляемости и полная потеря сопроткплопкя. Соотношение между начально!) жесткостью элемента и его жесткостью после отслоения матрицы — это вполне определенная функция объемной доли наполнителя. Знание дс<|юрманионных ко­ эффициентов концентрации в структурной ячейке позволяет устано­ вить связь между собственной разрывной деформацией эластомера

II разрывной (предельной) деформацией ячейки. Определение объ­ емных изменении ячейки после образования вакуоли создает воз­ можности д ля обоснованной оценки сжимаемости композита в зави­ симости от модули упругости матрицы и текущих значений поврсжденкостн композита, его деформации напряженного состояния.

Использование этих данных позволило наполнить базовую кон­ фигурацию модели физическим содержанием (глава 10). Структур­ ный анализ механического поведения композита позволил выявить три характеристичных размерных уровня неоднородности, опреде­ ляющих жизненный цикл материала.

На нижнем уровне — это неоднородность между свойствами струю турпых ячеек, в значительной степени предопределяемая локальной геометрической неоднородностью структуры. Характерный размер этого уровни — размер частиц наполнителя.

Средний уровень неоднородности (меэоуровонь) дли образцов пря­ моугольной формы — это неоднородность между поведением попе­ речных сечений. При других формах тела — это размер наиболее напряженного равномерно нагруженного участка тела. Численное моделирование выявило ведущую роль меэоуроакя как источника, производящего макротрещиим.

Верхний уровень — это размер испытуемого тела. Разброс в прочностных испытаниях образцов внутри одной партии, в иден­ тичных условиях, объясняется разбросом в свойствах мезоуровией образцов.

б. Предпринята попытка копти пуллизировать дискретные моде­ ли, чтобы использовать их в конструкторских расчетах в форме при­ вычных для проектантов определяющих соотношений. Задача, та­ ким образом, заключается и преобразовании естественной (дискрет­ ной) неоднородности в неоднородность, отображаемую континуаль­ ной математической моделью. Аппарат метода конечных элементов оказался наиболее подходящим для решения этой задачи.

Механическое поведение каждого конечного элемента находится осреднением свойств наполняющих этот элемент случайных струк­ турных ячеек и выражает эффективные континуальные характе­ ристики через случайные. Сплошное тело, составленное из таких конечных элементов, иредстаплист собой кусочно неоднородный континуум. Исследование свойств такой среды позволяет оценивать

такоИ ээдачг» подготовлен в главе 6, где разработаны определяющие соотношения для вязкоупругих эластомеров при конечных дефор­ мациях.

В-третьих, с учетом второго замечания необходимо получить ре­ шения дом условий, когда ячейка испытывается при переменных во времени температурах.

13-чотпертых, п связи с тем, что появление адгезионных отсло­ ений и окончательное разрушение ячеек являются кинетическими процессами, требуется усовершенствовать ячеечную модель плодом

внее соответствующих кинетических закономерностей.

2.Недостаточно изуче-чтымн представляются закономерности возникновения и развитин поврежден кости, обусловленные естест­ венным разбросом прочности скрепления матрицы с частицами.

3.Проблемы, нуждающиеся о новых подходах

Эксперименты обнаруживают ряд особейиостей в механическом поведении композитом, не объяснимых рассмотренными структур­ ными моделями и требующих дальнейшего углублен йоге исследова­ ния.

1. Прочность и предельные деформации композитов в залненмости от размеров частиц канол пителя. Решение краевых задач о рас­ пределении напряжений и деформаций в упругей матрице вокруг жестких частиц инвариантно относительно размера частиц, что как будто должно сохранят!» зависимость макроскопического поведения от размеров частиц. Опытные данные не подтверждают такого пред­ положения. Использование в качестве наполнителей очень мел­ ких порошком (технического углерода, аэдеила, минералов) при­ водит к десяти-диадцатихратимм повышениям разрывных усилий и трех-иятикратному увеличению разрывных деформаций эласто­ мерных матриц, не склонных к кристаллизационному упрочнению. Носителем яром пости в таких системах являются в конечном счете эластомеры. Остается неясно, почему в присутствии мелких частиц прочностные возможности каучуков возрастают так сильно.

Представители различных специальностей объясняют природу упрочнения средствами своей области знания; химики — существо-