Материал: Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов

Если при растяжении на образец, (рис. а) налагают смешнее гидростатическое давление, то о случае мягких эластомерны* ма­ триц происходит уменьшение пористости (рис. О, б), сопровождаемое повышением жесткости материала л результате усилении упругой напряженности матрицы и действия других факторов, которые бу­ дут рассмотрены и дальнейшем. Усиление композита давлением нс может быть беспредельным. Оно прекращается после того как по­ ристость системы приближается к нулевой и материал становится практически сплошным. Действие давления на сопротивление ра­ стяжению композитов ослабевает при использовании матриц с вы­ сокой жесткостью.

Поросодсржащне поврежденные системы должны обладать зна­ чительной (по сравнению с обычной) объемной сжимаемостью. В связи с тем, что величина пористости увели пинается с ростом де­ формации, коэффициент объемного сжатия композитов, накаплива­ ющих ноореждепность, становится переменным, сильно меняющим­ ся материальным параметром.

Образование вакуоли вокруг включения приводит, как показыва­ ют опыты, к проскальзыванию матрицы вдоль поверхности включе­ ния, сопровождаемому межфазным трением (фрикцией), которое в качестве нового диссипативною механизма, по-видимому, и обусло­ вливает остаточные повторяющиеся гистерезисные нетли, показан­ ные па рис. 3. Повышение давления, увеличивая площадь контакта матрицы с включением, должно усиливать фрикциолиые потери, од­ нако только до определенного предела, который достигается, когда вся поверхность включения становится поверхностью трепня.

Роль микрофрнкцнл в формировании свойств композита в лите­ ратуре освещена недостаточно. Представлялась целесообразной по­ становка специальных экспериментов, в которых фрикционная дис­ сипация не была бы затемнена диссипативными процессами иной природы.

Технология приготовления композита состояла помешивании по­ рошкообразного хлористого калия с сырым полнбутадпенопым кау­ чуком, пластифицированным на 50% пнзковяэким (около0,001 Па с) маслом. Затем нагреванием осуществляли поперечное сшипанне мо­ лекул каучука, переводя матрицу из текучего состояния о упругое. Приготовленные образцы содержали 55% по объему частиц хлорн-

стого калия размером около 200 мкм и имели форму двусторонних лопаток с рабочеП частью длиной 40 мм и поперечными: размерами 5x7 мм. Поверхность образцов покрывали тонкой пмеокоэластичноИ пленкой бутадкеистиролыюго хермоэластопласта, чтобы защитить образцы от проникновении л поры воздуха при наложении давле­ ния.

Образцы готовили к испытаниям путем предварительных цикли­ ческих растяжений и сокращении при некоторою заданной ампли­ туде деформации до получения повторяющихся гистерезисных пе­ тель. Таким способом устранялась необратимая Маллинзова дис­ сипация. Применение сильно пластифицированной матрицы делало се собственную вязкость пренебрежимо малой (при принятых режи­ мах испытания гистерезисные потерн в иенаиолпенной матрице не наблюдались). Собственно испытания заключались » растяжении образцов со скоростью 3 мм/мин с последующим возвратом к нуле­ вой нагрузке при той же скорости. Температура испытании комнат­ ная. Опыты проводили при нескольких внешних давлениях ог 0,002 до 0,68 МПа} которые создавали о приборе перед началом испыта­ ния.

На рис. 10, а показана последовательность изменения гистере­ зисных петель во время предварительно!! подготовки образца ци­ клическими нагружениями. Первоначальные значительные потери работы уменьшаются и после пятою цикла начинают повториться.

Затем получены гистерезисные петли при внешних давлениях 0,002; 0,1, и 0,4 МПа (рис. 10, б). Видно, что фрикционные поте­ рн значительно возрастают при повышении внешнего давления, п то время как ненаполпенный матричный эластомер своих свойств с повышением давления нс изменяет.

Эти же опыты показали, что наложение внешнего давления на поросодержащнП образец увеличивает сопротивление последнего за счет не только усиления фрикционного сопротивления, но и возра­ стания упругого сопротивления матрицы в связи с ее большей дефор­ мацией, о чем можно судить по значительному возрастанию среднего наклона гистерезисных петель (см. рис. 10,6).

Испытания выявили, что образцам с накопленной поорежденностью свойственна релаксация напряжений, причиной которой мо­ жет быть только фрикция, поскольку предварительная обработка

СГ} МПа

<7. МПа

0,1

0.05

о, 0.2 е 0.04 0.08 Б

Рис. 10. Изменение гнетсрез»симк петель вояреилпредварительноII подготовки образцов к ксниташпш (а). 1—4— номера цикла иагруж-аджи. Влияние ддвло пип па форму гистерезисных кегель предварительно лопревдгаяык образцов

(б). Внешнее доплепие, МПа: 1 — 0,003; 2 — 0,1; 3 — 0,4

образцов исключала Миллимзову поврежден кость н вязкоупругость матрицы. Так как фрикционное сопротивление оказалось чувстви­ тельным к внешнему давлению, было предположено, что и фрнк- П.Но]|иая релаксация напряжении должна вести себя подобны» же образом.

Опыт выполняли па образце, содержащем 35% по объему напол­ нителя Образцы подготавливали по схеме, описанной выше. Ре­ лаксационные кривые (деформация 2&%) определяли при давлениях 0,002; 0,1 н 0,4 МПа. Из рис. 11, где приведены результаты, следу­ ет, что, действительно, при низком внешнем давлении, когда пло­ щадь сцепления матрицы с наполнителем незначительна, релакса­ ция напряжений в образце выражена слабо, тогда как при давлении 0,4 МПа она эамстио возрастает.

Полученные результаты, при обнаружении значимости фрикци­ онного механизма, нс давали достаточно полного н|>едставле1111я о самом этом механизме, специфичность которого заключается и том, что одно из трущихся коитртсл (эластомер) в структуре зернистых композитов способно значительно увелн'пшать поверхность трепня при деформировании.

Рис. II. Влияние длилсиня на фор­ му релаксационных крипмх, пбуслолленнглх фрикцией. Внеишее лпплонис,

МПа: I — 0,002; 2 — 0,1; 3 — 0,4

Чтобы получить хотя бы качественное представление о законо­ мерностях фрикции в повреждаемых зернистых композитах, были спроектированы и исследованы физические модели, отображающие это явление по возможности освобожденным от других влиянии.

Первое устройство (рис. 12) предстапляло собой стальной стер­ жень 2 В контакте с резиновой трубкой 1, жестко скрепленной одним концом со стержнем. Второй конец трубки был закреплен на сталь­ ной втулке 3, свободно перемещающейся по стержню. Стержень и втулку фиксировали в зажимах машины для растяжения. Полость трубки была Герметизирована, поэтому при растяжении внутренняя поверхность резиновой трубки прижималась к стержню атмосфер­ ным давлением. Усилие растяжения представляло упругое сопро­ тивление трубки, заторможенное трением о поверхность стержня. Очевидно, что в ходе испытания поверхность трения возрастала.

Гистерезисная кривая (рис. 13, а), сформированная действием двух указанных причин (собственпос вязкое сопротивление резины было пренебрежимо мало), по форме качественно близка к соот­ ветствующим опытным данным. Неполное сокращение трубки при обратном ходе указывает па наличие трения покоя.

Па этом же приборе исследовали фрикционную релаксацию пу­ тем быстрого растяжения трубки с последующей фиксацией дефор­ мации (рис. 13, б). Механизм этого процесса заключается в следу-