чепие амплитуды прогрессивно снижает начальные модули, одна ко сопротивление образца при переходе от меньшей амплитуды к большей не снижается (!), в продолжает возрастать, оыоодя кривую растяжения па у|ю»е]|ь| характерный для одноразового испытания, пока образец не корпетсн. Аналогичная картина наблюдается, ко гда процесс: растяжения прерывают остановками, по время которых происходит релаксация напряжения (рис. 2, 6). При продолжении растяжения образец быстро "забывает”, что он был размягчен пред варительно релаксацией, и ведет себя, как нагруженный впервые [4].
Необратимое размягчение является причиной потерь упругой эне ргии. Поэтому в циклах растяжение — сокращение возникают петли гистерезиса (рис. 3). Повторяя циклы несколько раз при постоялкой амплитуде, паблюдмот значительное сужение петель, однако опн никогда не исчезают полностью [26]. Первая гистерезисная петли как бы состоит из двух составляющих: уменьшающихся в последу ющих циклах механических потерь и воспроизводимых остаточных потерь.
Композиты рассматриваемого класса обладают временной чув ствительностью, выражающейся » форме ползучести (рис. 4,а) [31], релаксации (рис. 4, 6) [20], зависимости сопротивления от скорости растяжения (рис. 4, и) [4, 20].
Установлено, что растяжение образцов сопровождается замет ным возрастанием объема, которое может достигать 20% к более (рис, 5, а) [12, 14, 10, 20, 20, 20, 30, 31]. Наложение внешнего да вления уменьшает объемные приращения. При этом повышается жесткость н прочность образцов (ряс. б, б) [14, 24, 30, 32].
Композиты — температурно-чувствительные материалы (рис. б), сильно увеличивающие сопротивление деформнровашио при перехо де из области высокоэластичсского состояния ь стеклообразное [7). Температурная чуоспин ельность композитов отражает температур ную чупстлителыюсть полимерных матриц н механизмов структур ных превращений, сопровождающих дефор миролапае. Ниже тем пературы стекловании композит извращается а твердый упругий материал с неоднородными свойствами па мик|>оуровне.
Предельные (разрушающие) характеристики композитов явля ются сложными функциями их структуры. Разрывные усилия и деформации зависят от прочностных свойств матрицы, силы скре-
Рис. 2. Изменение формы кривых растяжения при приторных испытаниях с возрастающей амплитудой (а) к и "релаксационными" остановками {б). Штри ховой линией показаны кривые однократного йеныпиши до разрыва
Рис. Э. Иэыеисикс формы гистере зисных петель при циклических ис пытаниях с постоянно!! амплитудой. 1-Л — номера никла
Рис. 5. Влияние инеишего золения
иа форму кривых растяжения (0)
пленил со с наполнителем, объемного содержания наполнителя, раз мера его мастик,, режима испытания обраэцои (скорости растяжения, температуры, величины инеишего давления).
Опыты показывают, что повышение концентрации наполнителя и эластомерных матрицах, когда диаметр частиц наполнителя пре вышает 10 мкм, приводит к уменьшению прочности и разрывной де формации композита [2*1, 31]. Если же размер частиц композита довести до 1 мкм, то увеличение его количества до определенкош объемного содержания (около 0,4), наоборот вызывает значительное (в 10-20 раз) повышение разрывных усилий иногда лрк 2-4-кратиом
Рис. С. Изменение механических свойств котю эигаш »лшомеров а м - Бислмости от темперптуры пениталий
возрастании разрывных деформаций по сравнению с иенам
ммматрицами [18, 27, 28].
Увелнчедше прочности скреплении матрицы о намолИнтелом обы
чно оыаыпает ноны теине прочности композитов и уменьшение их разрывных деформации [10]. Прочность и разрывные деформации композитов возрастают-также и с увеличением прочности и разрыв ных деформаций матриц.
Сформулировать общее эмпирическое выражение относительно зависимости продельных характеристик от структурных особенно стей композитов представляется затрудиительн ым.
2.Экспериментальные исследования структурных изменений
Экспериментальные исследования структурных изменений, со провождающих деформирование композитов, позволяют составить определенное представление о сущности физических явлений, кото рые могут быть причинами эффектов, отмеченных выше.
Установлено, что важнейшим феноменом, сопровождающим де формирование композитов, является микроскопическое нарушение их сплошности. Факт существования в наполненных полимерах разрывов сплошности (мнкропористостн) известен давно. Еще в [6, 16, 18, 22, 24, 27, 29, 30] отмечалось, что при растяжении кау чуков, содержащих твердые включения, вокруг последних наблюда ются лоры, возникающие вследствие отрыва каучука от поверхности частиц.
Также давно известно, что именно повреждения становятся глав ной причиной размягчения композитов при деформировании [12, И, 22, 27, 31]. Наиболее обстоятельно это явление исследовал Маллкиз [22], чьим именем оно к было названо. Молл низ показал, что повре ждения в системах каучук — наполнитель возникают не только за счет расслоений и внутренних разрывов сплошности матриц, по и на молекулярном уровне вулканизационных сеток.
Важная особенность рассматриваемого эффекта связана с тем, что отслаивание матрицы от наполнителя является кинетическим (временным) процессом. Это можно наблюдать по изменению объ ема образцов при испытаниях ка ползучесть, описанных в [31], где
показано, что ползучести наблюдалась только как результат про грессирующей мнк ролопреждемпости без участия унруговязкнх про явлений матрицы. В другой работе [16] установлено, что и релаксадни напряжений может определяться развивающимся а материале порообразованием.
Возникновение поврежденное™ обусловлено значительной ме ханической гетерогенностью композитных материалов, в которых жесткость матрицы по много раз меньше жесткости частиц наполни теля. Н результате макродеформ ацкя структуры реализуется толь ко через микродеформации матричных прослоек, разделяющих ча стицы. При объемных концентрациях наполнителя более 20% эти деформации получаются такими большими, что система оказыва ется неспособной их выдержипать без нарушения сплошности даже при умеренных макроскопических деформациях образцов.
Наблюдают несколько нидоп мнкронопрежденпЛ, что обусдовлняастси свойствами матрицы и прочностью се скрепления с наполни телем. Когда скрепление слабое, а матрица весьма эластична, иопреждсиность реализуется хак отслоение матрицы от поверхности частиц с обриэопаиисм лоры {вакуоли) [26, 27].
Омыт показы паст, что пакуолк, возникающие вокруг многих близ ко расположенных частиц, — достаточно устойчивые образования. Две вакуоли, потрещат нсь концами, никогда нс соединяются (рнс. 7). Пакуолк сохраняют спою |игдивцдуалы10сгь, пока не разрушится их стенка, что происходит вблизи линии контакта матрицы с эквато риальной зоной частицы. Чем выше собственная рвзрыпиая дефор мация матрицы, тем позже наступает этот момент. Высокая соб ственная эластичность эластомерных матриц обусловливает сохра няемость поврежденных отслоениями композитов до очень больших деформаций даже при значительных объемных наполнениях твер дой фазой.
Когда собственные разрывные деформации матрицы невелики (10-30%), а ее скрепление с поверхностью частлц значительно, раз рывы пошляются внутри матрицы у поверхности частиц в форме слабо раскрытых поперечных трещинок, которые легко сливаются друг с другом, формируя быстро растущие более крупные попереч ные тренцты [5] (рис. <8).