Материал: Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов

Рис. 9. Распределение уси/шИ и ССЭ п моподисисрсноП компоэшиоЛ системе л УСЛФШШХ ил.К[юо;у|ородиого полк рпстигнпаилцих деформпцпВ

1 р|шаслыс "образцы7* находились под действием макроодиородной растягивающей нагрузки. Звездочками отмочены кривые, соответ­ ствующие системам с концентрацией 60%, кружки обозначают слу­ чай \р = 60%, а треугольники — <р = 40%. По осям ординат откла­ дывались 11|>оцснтныс доли от числа ССЭ с одинаковыми значения­ ми величин, указанных но другой оси. Г1 — усилие, возникающее о ССЭ; разно наибольшему значению Г1для данпого испытания.

Оказалось, что даже при однородном макронагруженин компо­ зитной системы различные структурные элементы вносят далеко неодинаковый вклад п формирование ее механического поведения. Большинство из них (больше 80%) практически не нагружено или слабо нагружено. 13 "образцах*, к которым приложены внешние растягивающие усилия, большая часть ССЭ находится с растяну­ том состоянии, но есть также н сжатые. Непосредственный анализ структуры л кривых распределений проекций Рг на ось нагружения и перпендикулярную ей плоскость показал, что сжатыми оказыва­ ются, как правило, тс ССЭ, оси которых составляют плоскостью ХОЯ углы, лежащие в диапазоне ±45°. Относительно небольшое количество перенапряженных элементов образуют в структуре ком­ позита жесткий пространственный каркас, который н воспринимает основную нагрузку при деформировании материала. Остальная же часть объема композита практически нс зпдсИстпована. Аналогии-

прочным будет та пли иная конструкция, практически невозмож­ но, даже если известны прочностные характеристики материала, полученные на стандартных образцах при стандартных испытани­ ях. Данное обстоятельство ньшуждает разработчиков закладывать о расчеты определенный запас прочности, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции. Следовнтельно, прочность — это один из решающих <|»пкторов, определяющих возможность применения дан­ ного материала н конструкции, так как совершенно очевидно, что ломкий материал непригоден к эксплуатации, как бы пн привлека­ телен он был с других точек зрения.

Условимся понимать под прочностью способность материала со­ противляться разрушению под действием механических деформа­ ций и напряжений, а нод разрушением — исчерпание несущей спо­ собности конструкции из-за накопления в кем микролопреждепнй и возникновения макротрстин, приводя тих к разделению тела на чести. Механизмом разрушения будем соответственно называть со­ вокупность явлений и нроцессон, возникающих при разрушению! и рассматриваемых с точки зрения механики.

В механике разрушения существуют два подхода к оценке проч­ ности структурно-неоднородных тел: феноменологический и етруктурныН. При феноменологическом подходе композитный материал рассматривается как сплошная однородная среда, наделенная темн НДИ1 иными эффективными прочностными характеристиками. Мате­ матическая модель такой среды строится на основе опытных данных без объяснения причин и внутренних связей, определяющих поведе­ ние материала. Подобный подход рассчитан прежде всего для того, чтобы облегчить интерполяцию результатов, корреляцию и поиск ошибок при обработке экспериментальных наблюдений. Феномено­ логические модели не представляют для нас особого интереса, так как они никак пс учитывают процессов и пилений, происходящих о материале па микроуровпо [24], и следовательно, не могут быть использованы для описания внутренних механизмов разрушения н экстраполяции уже известных знаний ка еще не исследованные объ­ екты (т. с. дли проектирования новых материалов).

Модели структурного типа строится обычно с двумя целями. Вопервых, для получения зависимостей эффективных характеристик разрушения композита от его струхтуры и свойств компонент, ко-

торыс можно затем использовать для оптимизации свойств комгкк зитных систем, выбора технологических режимов их переработки к т. д. Во-вторых, феноменологические теории было бы полезно не же основывать па какпх-то известных структурных соотношениях, а не брать с потолка.

Так как разрушение композита обусловлено локальными ме­ ханическими процессами, то для обоснования критериев разруше­ ния при структурном подходе необходимо, во-первых, охарактери­ зовать нерегулярность взаимного расположения частиц в матрице^ во-вторых, описать процессы возникновения локальных ммкронолреждсннП (трещин, разрывов, отслоенн(1 и т. д.) на осиоос физических механизмов разрушения каждой нэ изотропных фаз » отдельности.

Прочностное поведение наполненных зернистых композитов — основного объекта наших исследований — зависит от многих факто­ ров: свойств компонент, фракционного состава и концентрации на­ полнителя, степени неоднородности рапределепмя частиц но объему материала, состояния адгезии на поверхностях раздела фаз, скоро­ сти деформирования и т. д. Поэтому очень важно при изучении та­ ких сложных пилений, как разрушение и структурно-неоднородные средах, выбрать такую модель, которая, с одной стороны, учнтыва* ла бы с приемлемой точностью влияние всех основных структурных факторов, а с другой — была бы достаточно проста для расчетов. Структурно-механическая модель композита, описанная в предыду­ щих разделах, вполне удовлетворяет этим требованиям. С ее помо­ щью можно в явном виде учесть как неоднородность структуры, так н заложить на уровне отдельного структурного элемента практиче­ ски любой из нитсрссующих нас законов его локального разрушения.

Как уже говорилось, при деформировании наполненного компо­ зитного материала нагрузка по его объему распределяется крайпе неравномерно. Самые сильные перегрузки испытывают матрич­ ные прослойки между соседними включениями, причем возникаю­ щие там напряжения н деформации будут тем больше, чем мень­ ше зазор между частицами. Превосходя в несколько роз средние по объему значения, они могут вызывать возникновение локальных микроповреждений о материале (и виде микротрещиы в матрице и ее отслоений от включений) к лрн весьма Малых макродеформацннх, когда, казалось бы, материал связующего находится ещо достаточ-