ВВЕДЕНИЕ

Полимерные материалы (пластмассы, композиты, пластики) — это композиции определенного состава, получаемые из мономеров, олигомеров, полимеров с введением при их изготовлении либо в процессе формования изделии различных компонентов (ингредиентов) для целенаправленного придания свойств как матери­алу, так и изделию из него.

Прочность полимерных материалов приобретает все более актуальное значение. До появления кинетической точки зрения на разрушение полимеров придерживались представлений о разру­шении исключительно с позиций механики упругих твердых тел, имеющих дефекты. Однако экспериментальные факты доказывают существенную роль вязкоупругих релаксационных явлений при разрушении полимеров. При этом описание релаксационных явлений в полимерных материалах связывается с рассмотрением их как сплошных сред, которые по своим механическим свойствам занимают промежуточное положе­ние между упругими твердыми телами и вязкими жидкостями (что приводит к возникновению явлений вязкоупругости).

Исключи­тельное сочетание прочностных свойств зависит от специфического строения полимеров — наличия двух видов связей, резко различающихся энергией и длиной прочных химических связей между атомами в цепи и значительно более слабых межмолекулярных связей ме­жду цепями. Прочность реальных кристаллических тел иногда в сотни раз меньше теоретических значений, рассчитанных по энергиям связей между атомами или ионами. Это объясняется дефектным строением реальных кристаллов, наличием в каждом материале большого числа дефектных мест и трещин. Разрыв про­исходит в самом опасном (дефектном) месте. Механические свойства твердых тел в течение длительного вре­мени изучались главным образом на поликристаллических объек­тах (металлах), при исследовании которых были установлены ос­новные закономерности разрушения твердого тела.

Разрушение — это разрыв связей между элементами тела (ато­мами, молекулами, ионами), приводящий к разделению образца на части (разрыв или скол). Сопротивление материала разруше­нию принято называть прочностью или механической прочностью. Прочность обычно ха­рактеризуют величиной напряжения, вызывающего разрушение тела. Напряжение, вызывающее разрыв, называется разрывным напряжением или сопротивлением разрыву и выражается в кГ/ или кГ/ .

Предел прочности - напряжение, при котором происходит хрупкое разрушение или необратимая деформация полимерного материала.

Ударная прочность является технической характеристикой полимерного материала. Под ударной прочностью понимают сопротивление материала разрушению при высокой скорости его деформирования и малом времени нагружения до разрушения материала.

Для поликристаллических тел установлено два вида разруше­ния: хрупкое и пластическое. Хрупким разрушением называется разрушение, которому пред­шествуют только обратимые (упругие) деформации; или это такое разрушение, при котором перед разрушением не происходит заметного визуального пластического течения материала. Пластическим разрушением называется разрушение, которому предшествуют деформации, обусловленные перегруппировкой от­дельных элементов структуры тела (такое разрушение отличается от вязкого разрушения, при котором разрушение происходит за счет полного взаимного проскальзывания цепей макромолекул). В кристаллических телах и низкомолекулярных стеклах эти деформации необратимы и носят название пластического течения. Предельная деформация - максимальная деформация полимерного материала перед разрушением.

В то же время такой важнейший показатель механических свойств, как прочность, у полимеров значительно ниже, чем, например, у металлов. Это обстоятельство существенно ограни­чивает применение полимерных материалов в каче­стве конструкционных.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Прочностные характеристики полимерных материалов

Основными характеристиками прочности полимеров являются: разрушающее напряжение , максимальное значение относительной деформации и временная характеристика прочности. Если время с начала нагружения до разрушения образца определяется при постоянном деформирующем напряжении, то такую харак­теристику называют долговечностью материала [4].

При постоянной температуре долговечность (по Журкову) определяется следующим соотношением:

= A (1),

где A и – константы, характеризующие материал и зависящие от температуры; – постоянное напряжение, кгс/ [12].

Важной характеристикой прочности является максимальная деформация, развивающаяся к моменту разрыва. Эту величину называют максимальной относительной де­формацией . Значение , как и значение, зависит от температуры, от вида деформации (растяжение, сжатие, изгиб) и от скорости деформирования.

По величине в известной мере можно судить о том, в каком состоянии находился полимер в момент разрыва. При разрыве хрупкого тела значения не превышают долей процента; в высо­коэластическом состоянии достигает сотен процентов, а в не­которых случаях превышает тысячу процентов.

Максимальные значения характеристик прочности, например величину , можно рассчитать, определив суммарную прочность связей, препятствующих разрыву образца. Таким путем получают теоретическое значение прочности [4].

Временная зависимость прочности при статической нагрузке называется статической усталостью материала, временная зависимость прочности при динамической нагрузке — динамиче­ской усталостью материала. Часто оба эти явления называют утомлением материала [2].

Работа, затрачиваемая на разрушение при ударе и отнесенная к единице поверхности разрушения, называется удельной ударной вязкостью, хотя, разумеется, эта величина вовсе не является вязкостью [4].

Если приложить к материалу фиксированную нагрузку, то с течением времени деформация материала будет расти. Это явление называют ползучестью.

Вязкоупругую реакцию материала при приложении постоян­ной нагрузки или при определенной деформации называют статической вязкоупругостью. При приложении переменной на­грузки или деформировании по периодическому закону вязкоупругость называют динамической [3].

Прочность полимерного материала не может быть рассчитана простым суммированием прочности всех связей, приходящихся на поперечное сечение образца и противодействующих разделению его на части. Причиной этого, в частности, является наличие микро­дефектов различной степени опасности, которые случайно распре­делены по объему образца. На краях этих микродефектов воз­никают перенапряжения тем большие, чем опаснее микродефект. Образование в полимерах надмолекулярных микроструктур мо­жет явиться причиной увеличения их неоднородности. Это осо­бенно существенно для кристаллизующихся полимеров, которые иногда разрушаются по поверхностям, ограничивающим кристал­лические образования. В тех случаях, когда кристаллические об­разования взаимно пронизывают друг друга, прочность полиме­ров при прочих равных условиях становится значительно больше.

Особое значение придается так называемым «проходным макро­молекулам», соединяющим между собой элементы надмолекуляр­ной структуры полимера. В тех направлениях, в которых имеется больше проходных макромолекул, прочность полимерного тела наибольшая.

А. П. Александров и С. Н. Журков предложили статисти­ческую теорию прочности хрупких тел. Согласно развитым ими представлениям разрыв происходит не только одновременно по всей поверхности разрушения, но и постепенно. Разрыв начи­нается с самого опасного очага разрушения, где напряжение до­стигает значения, сравнимого с величиной теоретической проч­ности. Затем происходит разрушение в других дефектных местах. Рост трещин заканчивается разрушением материала [1].

Причиной образования первичных трещин в полимерном мате­риале, согласно С. Н. Журкову и сотр., являются тепловые флюк­туации, т. е. локальные резкие возрастания внутренней энергии, вызывающие разрыва химической связи в основной цепи полимера. Атомы цепных молекул колеблются около своих равновесных поло­жений с частотой — . В том месте, где тепловые флюк­туации становятся больше энергии химических связей, последние разрываются. При сравнительно невысоких температурах тепловые флюктуации приводят к разрыву некоторых химических связей, но процесс распада компенсируется восстановлением связи. Прило­женное напряжение создает возможность накопления флюктуаций. Изложенная теория называется флюктуационной теорией прочности. Термофлуктуационная теория прочности исходит из того, что разрыв химических связей обусловлен тепловыми флуктуациями, а напряжение уменьшает вероятность восстановления этих связей, придавая тем самым определенную направленность процессу разрушения [2].

Временная зависимость прочности полимеров, обусловленная кинетической природой термофлуктуационного механизма разру­шения, наиболее полно и систематически исследована Журковым с сотрудниками, Бартеневым и Гулем. Температурно-временная зависимость прочности по Журкову имеет вид:

= (2),

где – долговечность (время до разрушения) материала; - постоянная, численно близкая к периоду тепловых колебаний атомов – с; – начальный активационный барьер процесса разрушения, значение которого близко для металлов к энергии сублимации, для кристаллических ориентированных и стеклообразных полимеров – к энергии химических связей; – постоянная, зависящая от структуры и природы материала; – напряжение в материале, кгс/ ; k – постоянная Больцмана; T - абсолютная температура [11].

Вероятность разрыва определяется множителем ве­личина которого зависит от приложенного напряжения. Растяги­вающее напряжение снижает величину энергии активации на значение , тем самым увеличивается вероятность разрыва связей, ответствен­ных за прочность. Чем сильнее напряжены полимерные молекулы, тем вероятнее разрушение в них связей и тем скорее тело разры­вается. Таким образом, разрушение полимеров в основном обуслов­лено тепловыми флюктуациями; внешние силы создают лишь на­правленность процесса [2].

Одно из основных положений статистической теории прочности хрупких тел сводится к тому, что распределение дефектов в об­разце подчиняется законам статистики. Более опасные дефекты встречаются реже, чем менее опасные, а прочность определяется самым опасным дефектом; поэтому образцы с малым поперечным сечением, например тонкие нити, имеют повышенную прочность не только за счет особенностей структуры поверхностного слоя.

По мере растяжения образца в результате его утонения воз­растает напряжение. Если материал пластичен, то одновременно с возрастанием напряжения происходит перегруппировка частиц материала, приводящая к снижению («рассасыванию») напряже­ния. Когда скорость возрастания напряжения становится больше скорости уменьшения перенапряжений, на неоднородностях воз­никают перенапряжения, ведущие к разрыву. В принципе эта схема приложима и к кристаллам, так как показано, что кристаллы в определенных условиях обладают пластичностью.

Для разных тел, по-видимому, характерны различные меха­низмы образования трещин. В поликристаллах роль трещин играют участки неплотного контакта между отдельными кристал­лическими зернами. В монокристаллах слабыми местами следует считать места выхода пластических сдвигов на поверхность. Трещины могут возникать также на включениях или неоднородностях, механические свойства ко­торых отличаются от механических свойств образца в целом.

Статистическая природа прочности полимеров проявляется достаточно четко при их хрупком разрушении. При хрупком разрушении низкомолекулярных твердых тел нарастание напряжений в процессе предшествующей деформации может быть компенсировано и ограничено течением или релакса­ционными процессами. Особенностью хрупкого разрушения поли­мерных материалов является относительно большое значение ре­лаксационных процессов в деформациях, предшествующих раз­рушению. Это относится также к образованию и росту первичных трещин[1].

В диапазоне температур и скоростей деформации, в которых пони­жение температуры (или повышение скорости деформирования) сопровождается уменьшением степени дополнительной ориентации, наблюдается аномальная температурная и скоростная зависимости прочности. Это область перехода от высокоэластического к хруп­кому разрушению[4].

При феноменологическом рассмотрении процесса разрушения установлено наличие двух фаз разрушения: фазы, характеризую­щейся зависимостью структуры от теплового движения кинети­ческих единиц, и фазы, не зависящей от этого движения. Эти две фазы соответствуют характерным областям (гладком, зеркальной и шероховатой) на поверхности разрыва и различаются скоростями роста поверхности разрыва.

Зеркальной области поверхности разрушения при хрупком разрушении соответствует медленный рост микротрещин (рисунок 1.1). На этой стадии процесс в сильной мере зависит от температуры н времени. Атермическая фаза начинается резким возрастанием скорости распространения фронта разрыва. В зависимости от состояния полимерного материала, температуры и скорости нагружения может проявляться либо одна из этих фаз, либо обе. При варьи­ровании температуры и скорости нагружения возможен переход от одного из рассмотренных случаев к другому [1].

Рисунок 1.1. – Схема распада межкристаллической аморфной

прослойки - образования субмикроскопической трещины

в нагруженном ориентированном полимере

Микротрещины образуется не только на поверхности, но и во всем объеме образца, и их образование является необратимым процессом: длительный отдых образца после снятия нагрузки при­водит к уменьшению размера трещины, но не к полному ее «зале­чиванию». Трещина остается, и при приложении любого растяги­вающего усилия снова начинает расти.

Микротрещины возникают и в таких образцах, в которых при растяжении не образуется шейки, однако в этом случае образова­ние трещин протекает менее интенсивно [2].

Разрушение полимеров начинается с микродефектов, распо­лагающихся обычно на поверхности образца. Специфичность процесса разрушения полимеров проявляется в том, что микродефекты в полимерах могут разрастаться до размеров, сравнимых с размерами сечения образца. Релаксационные свойства полимер­ных материалов обусловливают перераспределение и выравни­вание напряжений, что приводит к согласованному росту микродефектов. При больших скоростях нагружения перераспределе­ние напряжений не успевает произойти, и микродефекты растут несогласованно (рисунок 1.2) [1].

Рисунок 1.2. – Схема строения (а) и прорастания (б)

микроскопических трещин в нагруженных полимерах

Разрушение нехрупких стекол характеризуется следующими особенностями. Разрушению предшествуют значительные деформации - вынужденные высокоэластические, развивающиеся под действием локальных напряжений и вызывающие сег­ментальную подвижность в микрообластях, прилегающих к вершине микротрещины.

Разрушение протекает в две стадии. Первая стадия состоит в образовании и накоп­лении микротрещин, называемых трещинами «серебра». Микротрещины «серебра» - осо­бый вид дефектов, которые возникают при деформировании стеклообразных нехрупких тел по механизму вынужденной высокоэластичности. В микротрещине происходит расслаива­ние полимера на микротяжи и вся микротрещина оказывается заполненной чередующимися областями ориентированного полимера и микропустотами. Наличие трещин «серебра» практически не оказывает влияние на прочность и мо­дуль упругости полимера, так как трещина не растет, поскольку ее створки соединены. Микрорасслаивание полимера обусловлено процессом релаксации, протекающим под дей­ствием напряжения. В результате релаксации происходит снижение коэффициента кон­центрации напряжений. Вторая стадия представляет собой разрушение - прорастание магистральной трещи­ны или разрушение по трещинам «серебра» с предварительным растяжением микротяжей в трещине при величине напряжения, равной предельно достижимому, или разрушение по неориентированному материалу.

Таким образом, для повышения прочности хрупких стекол в них вводят эластоме­ры, расширяющие релаксационный спектр полимера [15].

Разрушение полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии, имеет свои особенности. Медленная стадия в отличие от хрупкого разрыва дает шероховатую, а быстрая — зеркаль­ную зону поверхности разрыва. В высокоэластическом состоянии полимеры проявляют способность к дополнительной ориентации в области распространения разрыва. Микродефект в этом случае уже нельзя называть микротрещиной, так как он имеет при одно­осном растяжении форму овала или полуовала. Большая скорость протекания релаксационных процессов по сравнению со скоростью нагружения обусловливает рассасывание напряжений и образо­вание тяжей в области разрыва (рисунок 1.3) [1].

а) б)

Рисунок 1.3. – Внутренняя (а) и краевая (б) микротрещины

в поперечном разрезе полимерного материала

При механическом разрушении полимеров хрупкий разрыв в чистом виде может проявляться, по-видимому, только при тем­пературах, близких к абсолютному нулю. Тем не менее, в зависи­мости от структуры и состояния полимерного материала, механизм разрушения может быть преобладающим. Обнаружено, что уменьшение температуры и увеличение скорости деформиро­вания способствует хрупкому разрушению и, наоборот, увеличе­ние температуры и уменьшение скорости деформирования способ­ствует преобладанию пластического разрушения у линейных полимеров.

Процесс усталостного разрушения полимеров в настоящее время представляется следующим образом: возникновение первичной усталостной трещины, медленный рост ее до критической величины, катастрофически быстрое разрушение образца при создании в материале критического значения напряжения. В случае жестких полимерных материалов на первой медленной стадии наблюдается образование гладкой зоны, вторая стадия характеризуется возникновением шероховатой зоны, которую создают сколы при слиянии нескольких прорастающих трещин. Долговечность образца определяется фактически первой стадией. Первичная трещина образуется в месте структурного дефекта материала. Таким образом, усталостное разрушение жестких полимерных материалов проявляется как хрупкое или псевдохрупкое разрушение [11].

Существует два кинетических подхода к рассмотрению процес­сов разрушения полимеров. В первом из них в качестве кинети­ческого процесса рассматривают разрыв первичных внутримолекуляр­ных связей, а во втором — вторичных межмоле­кулярных связей. Первый подход получил название модели Журкова и Бюхе, а второй — модели Тоболь­ского — Эйринга [3].

Первый кинетический подход основан на использовании термина долговечности, например:

= (3),

где — долговечность; — предэкспоненцнальный множитель, физический смысл которого вскрыт в работах Бартенева; — начальный энергетиче­ский барьер; — объем, в котором осуществляется элементарный акт разрыва; — коэффициент перенапряжения; — разрушающее напряжение, кгс/ .

Второй кинетический подход основан на использовании кинетических уравнений типа принятых при описании многочисленных реологических процессов:

= (4),

где — разрушающее напряжение, кгс/ ; v — скорость разрыва связей, препят­ствующих разделению образца на части; и - константы; К — параметр уравнения, отражающий форму и размеры микроде­фектов, а также характер распределения напряжений по цепям; — энергия активации процесса разрыва [1].

Разрушение дисперсно-наполненных КМ условно можно разделить на две основные стадии:

инициирование микропор и микротрещин;

развитие магистральной трещины (хрупкие матрицы) либо рост и объединение микропор (пластичные матрицы).

Крупные частицы в наполненных композитах как правило являются очагами появления микропор и микротрещин. При встрече с включениями движущийся фронт трещины на мгновение останавливается. По мере того, как этот фронт прогибается между каждой парой частиц, его длина увеличивается. В своей теории Ленг разрабо­тал модель, в которой предполагается, что увеличенная длина фронта трещины может давать существенный вклад в энергию разрушения хрупкого композитного материала с дисперсными частицами. После приложения значительного напряжения фронт трещины начинает продвигаться между каждой парой включе­ний, образуя новые площади поверхностей разрушения, что приводит к увеличе­нию длины фронта. Для дальнейшего разрушения материала приложенные силы должны произвести работу на образование новой поверхности разрушения и на увеличение длины фронта трещины [18].

Поскольку разрушение пред­ставляет собой процесс преодоления сил взаимодействия между элементами структуры материала, то в принципе закономерности, которым подчиняется этот процесс, должны быть общими незави­симо от того, происходит ли разрушение под действием внешних механических, электрических сил или сил иной природы. Разруша­ющим внешним силам способствуют флуктуации тепловой энер­гии. Потенциальный барьер перехода кинетической единицы из состояния «до разрушения» к состоянию «после разрушения» (когда рассматриваемая кинетическая единица оказывается на поверхности, образовавшейся в результате разрушения) существен­но понижается за счет работы внешних сил. Природа этих сил не столь существенна в том смысле, что понижение высоты потенци­ального барьера может произойти как за счет механических, так и за счет сил другой природы. Одновременное действие сил раз­личной природы приведет к суммарному эффекту понижения по­тенциального барьера элементарного акта разрушения.

Электронный пробой происходит в результате разрушения диэлектрика электронной лавиной, образующейся при взаимодей­ствии потока электронов с элементами структуры диэлектрика при высоком значении напряжения.

При тепловом пробое разрушение диэлектрика по одному из направлений (в слабом месте) происходит в результате плохого отвода из данного участка тепла, образующегося за счет диэлек­трических потерь. Образование теплового пробоя более вероятно при высоких температурах и при длительном воздействии напря­жения. При кратковременном воздействии напряжения и относи­тельно низких температурах более вероятен электронный пробой.

При электронном пробое происходит, грубо говоря, разрыв материала электрическими силами. При тепловом пробое элек­трическая прочность зависит лишь косвенно от химической при­роды материала — через величину диэлектрических потерь, про­водимость, теплопроводность [1].

Температурная зависимость электрической прочности также аналогична температурной зависимости механической прочности: при фиксированном положении эле­ментов структуры (стекло) повышение температуры сопровожда­ется увеличением рассеивания электронной лавины и повышением электрической прочности. В температурной области, характери­зующейся относительной подвижностью элементов структуры, повышение температуры, сопровождается увеличением подвижно­сти звеньев цепных молекул, увеличением ориентации перед раз­рушением и увеличением электрической прочности. После того, как способность упрочняться за счет ориентации полностью реа­лизуется, дальнейшее повышение температуры будет сопрово­ждаться уменьшением прочности.

Раз­рушение полимерных тел под действием электрических сил про­текает по законам, схожим с законами их разрушения под действием механических сил. Разрушающее напряжение (ме­ханическое) при конечных скоростях нагружения увеличивается с увеличением интенсивности межмолеку­лярного взаимодействия; зависит от размеров образцов [1].

При всех скоростях деформа­ции наблюдается температурная зависимость разрушающего механического напряжения, которая формально может быть выражена уравнением:

= (5),

где – разрушающее напряжение, кгс/ ; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура; и U – константы [4].

Под теоретической прочностью понимают максимальную квазиупругую растягивающую силу, которая вызывает диссоциацию и преодолевает взаимодействие между частицами тела [11].

Для приближенных оценочных расчетов теоретической прочности твердых тел наиболее удобно выражение:

= 0,1E (6),

где – теоретическая прочность, кгс/ ; E – модуль Юнга в направлении растяжения.

Объяснение различия теоретической прочности и прочности реального тела впервые дано Гриффитсом в 1921 г. Согласно Гриффитсу, в любом материале имеются микротрещины различных размеров и ориентации. Под действием напряжения в вершинах микротрещин возникают перенапряжения, значительно превосходящие средние растягивающие напряжения в материале [11].

Высвобождающаяся энергия упругого деформирования расхо­дуется на увеличение поверхностной энергии растущей трещины. Теория Гриффитса объясняет рост трещины и разрушение материала тем, что высвобождающаяся при этом энергия упругого деформирования превышает энергию, необходимую для образования новой поверхности [3].

Энергетическая концепция Гриффитса рассматривает разру­шение твердого тела как атермический критический процесс, поэтому она физически может быть оправдана только при очень низких температурах вблизи абсолютного нуля [11].

Таким образом, достижение предельного напряжения, называемого прочностью, ни­когда не обусловлено концентрацией и прочностью связей, проходящих че­рез сечение образца (именно так определяют теоретическую прочность поли­мера), а связано с числом и размером неоднородностей, которые инициируют пластические деформации, субмикротрещины, микротрещины, магистраль­ные трещины и, наконец, приводят к разрушению полимера [9].

Факторы, влияющие на прочность полимерных материалов

Процесс разрушения полимеров зависит от таких внешних факторов, как скорость деформации, характер напряженного состояния, действие агрессивных сред, поверх­ностно-активных веществ, температура, степень полимеризации и др.

С увеличением скорости деформации прочность полимерных материалов, как правило, возрастает. Это объясняется тем, что разрушению способствуют флуктуации тепловой энергии, при­водящие к нарушению связей, препятствующих разделению образца на части. Такое нарушение связей облегчает разрушение в тем большей мере, чем длительнее действие нагрузки и, следо­вательно, чем меньше скорость ее приложения. Однако если в условиях испытания возможно увеличение степени ориентации или кристаллизация полимера под действием нагрузки, то влия­ние скорости деформации может иметь более сложный характер: когда с увеличением скорости деформации уменьшается степень дополнительной ориентации полимерного материала в месте распространения разрыва, то одновременно уменьшается и проч­ность [1].

Различные факторы влияют на процесс окислительного растрескивания так же, как и на дру­гие виды растрескивания напряженных материалов, за исключением следующего: при окислительном растрескивании не может быть предельных значений напряжений и деформаций; через некоторое время прочность полимера в результате деструкции уменьшается до такой степени, что он не может противостоять даже незначительным напряжениям. Увеличение напряжения или деформации приводит к тому, что уменьшается глубина химических изменений полимер­ного материала, необходимых для его разрушения [8].

Протеканию химических реакций, способствующих образо­ванию трещин и разрушению образцов, благоприятствует агрес­сивность среды. Воздействие радиации также сопровождается развитием химических реакции, инициируемых в основном ради­калами, образующимися при облучении полимерных материалов. С ростом интегральной дозы резко уменьшается разрушающее напряжение для образцов, испытанных как в процессе облучения, так и после его прекращения: после его прекращения действие может быть двояким [1].

Ультрафиолетовое излучение значительно увеличивает скорость деформации ползучести и снижает долговечность полимерных материалов, находящихся под нагрузкой [14].

При введении низкомолекулярного компонента (растворителя, пластификатора, жидкой агрессивной среды) проявляется одновременно действие двух процессов. Во-первых, происходит сни­жение прочности вследствие уменьшения интенсивности межмо­лекулярного взаимодействия между частями макромолекул и другими элементами надмолекулярной структуры. Во-вторых, как правило, увеличивается подвижность элементов структуры, и материал успевает в большей мере ориентироваться перед разрушением образца. Естественно, что увеличение степени ориентации перед разрывом сопровождается увеличением проч­ности [1].

В результате коррозии изменяются физико-механические свойства полимерных материалов. Набухание приводит к их размягчению, потере прочности и постепенному разрушению, химические реакции — к де­струкции (распаду полимерных молекул и выделению образующихся при этом продуктов). При наличии дру­гих компонентов, например пластификаторов, в резуль­тате химического взаимодействия со средой, последние могут выделяться (вымываться) из материала; при этом уменьшается пластичность полимера и происходит рас­трескивание и механическое разрушение [10].

В общем случае воздействие температуры и влаги (термовлажностное старение (ТВС)) на композиционные материалы связано со сложным комплексом различных процессов. Влага, сорбируемая слоистыми композиционными материалами при ТВС, способна вызывать как обратимые, так и необратимые изменения в волокне, связующем, на границе раздела волокно — связующее. Одним из обратимых эффектов влияния влаги является ее пластифицирующее действие, вследствие чего снижается температура стеклования органического волокна и полимерного связующего, что приводит к снижению прочности и жесткости. Результатом необратимого эффекта ТВС является изменение структуры в зоне раздела волокно — матрица, а именно: расслоение композиционного материала, разрушение волокна или растрескивание матрицы, что приводит к снижению механических характеристик композиционного материала [23].

Влияние пластификаторов, как правило, сводится к уменьше­нию межмолекулярного взаимодействия между участками макро­молекул и выражается поэтому в увеличении деформируемости и уменьшении прочности. Однако следует иметь в виду, что введе­ние пластификаторов облегчает ориентацию материала в месте роста области разрыва, облегчает рассасывание перенапряжений, и в силу этих причин в некоторых случаях введение пластификато­ров может сопровождаться существенным увеличением прочности. Такой эффект удается наблюдать даже при набухании полимеров, состоящих из легко деформируемых макромолекул, например вулканизатов каучуков [4].

Окислители вызывают разрыв или образование но­вых химических связей в полимере, что приводит к по­тере эластичности, например резин, при одновременном увеличении твердости и прочности, созданию внутрен­них напряжений, обусловливающих хрупкость полимер­ного материала и, в конечном счете, его разрушение [10].

Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение материала. Это воздействие не сопровождается необ­ратимыми изменениями структуры. Дефекты структуры являются теми точками образца, на которых осуществляется адсорбция молекул активной среды. Разрушение всегда сопровождается образованием новой поверхности. Вследствие этого возникновение и развитие пластических сдвигов, а также микротрещин в присутствии поверхностно-актив­ных веществ значительно, облегчается. Разгружение сопровож­дается так называемым адсорбционным последействием, состоя­щим в том, что молекулы поверхностно-активного вещества не по­зволяют трещине сомкнуться и лишь постепенно удаляются из нее. Таким образом, адсорбционное последействие облегчает раз­рушение при новом цикле нагружения [1].

Зависимость прочности от молекулярного веса у ориентирован­ных и неориентированных полимеров имеет различный характер. В области высоких молекулярных весов, где прочность неориенти­рованных полимеров сохраняется практически постоянной или меняется незначительно, прочность ориентированных полимеров продолжает заметно увеличиваться с ростом молекулярного веса [4].

С увеличением молекулярной массы (или степени полимеризации) полимеров возрастает сопротивление их растрескиванию под действием окружающей среды; сужение молекулярно-массового распределе­ния полимеров, например за счет уменьшения низкомолекуляр­ных компонентов, приводит к росту сопротивления растрески­ванию [11].

Весьма важным является также влияние степени поперечного сшивания на прочность полимера. В случае полимеров с хорошо ориентированной структурой, или состоящих из жестких макро­молекул, увеличение степени поперечного сшивания сопровож­дается увеличением прочности. Если же в полимере в процессе нагружения увеличивается степень ориентации, то при малых степенях сшивания прочность возрастает с увеличением степени сшивания, в то время как дальнейшее увеличение степени попе­речного сшивания сопровождается уменьшением прочности [4].

Небольшое число поперечных связей не затрудняет распрямле­ния цепей при деформации, а процессы течения исключаются. По­этому относительное содержание ориентированной или закристал­лизованной части при деформации с увеличением частоты сетки должно возрастать, что приводит к увеличению прочности. При достаточно частой сетке дальнейшее увеличение частоты уже на­чинает препятствовать ориентационным процессам: чем больше частота сетки, тем меньше возможность ориентации, тем меньше прочность.

На прочность полимерных материалов большое влияние оказы­вают размеры и форма надмолекулярных структур. Образец с малыми сферолитами обладает высокой проч­ностью и имеет хорошие эластические свойства; образцы с круп­ными сферолитами разрушаются хрупко. Увеличение размера сферолитов приводит к повышению хрупкости и снижению прочности. Полимеры с глобулярной структурой по сравнению с фибриллярной структурой, как правило, хрупки и разрушаются при ударе [2].

Таким образом, уменьшение прочности при увеличе­нии размера кристаллических образований (при одинако­вой степени кристалличности) или при уменьшении сте­пени кристалличности — общая закономерность для всех эластомеров, независимо от типа сферолитов и температу­ры испытания, если разрушение их происходит при ма­лых деформациях. Если же разрушению закристаллизованного образца предшествует его деформирование, то прочностные характеристики его не зависят от размера исходных сферолитов [13].

Большое влияние на прочность полимеров оказывает регуляр­ность структуры: регулярность расположения в цепных молеку­лах связей 1—2 и 1—4; соотношение изотактической, синдиотактической и атактической фракций и т. п. Как правило, при прочих равных условиях увеличение плотности полимера сопро­вождается увеличением его прочности. Наличие разветвлений способствует образованию менее плотной (по сравнению с неразветвленной структурой) упаковки, что сильно уменьшает проч­ность полимерного материала [4].

Значительное увеличение температуры может двояко влиять на разрушение полимеров. С одной стороны, повышенная температура может облегчить перемещение дефектов внутри кристаллических образований, способствуя более быстрому распространению трещин; с другой стороны, возросшая молекулярная подвижность может облегчить и ускорить релаксацию напряжения или пластическое течение, не сопровождающееся разрушением. На суммарный эффект может сильно влиять метод испытания. Стойкость к растрескиванию различна в случае, если напряжения в образце создаются постоянной внешней нагрузкой или в результате приложения постоянной деформации. При повышении температуры стойкость к растрескиванию уменьшается до тех пор, пока не будет достигнута температура плавления наиболее низкоплавкой фракции. Выше этой точки влияние температуры неопределенно, так как скорость релаксационных процессов резко возрастает и приводит к снижению эффекта действия напряжений. Поэтому считают нецелесообразным при сравнении сопротивляемости разрушению разных полимеров ускорять испытание путем чрезмерного повышения температуры [11].

В области температур, где при заданной скорости нагружения понижение температуры сопровождается уменьшением степени ориентации материала в месте распространения разрыва, проч­ность с понижением температуры будет не увеличиваться, а умень­шаться. Во всех остальных температурных областях понижение температуры сопровождается увеличением прочности [1].

На этапе проектирования учитываются факто­ры, влияющие на изменчивость эквивалентных на­пряжений для сложного напряженного состояния нагруженного изделия и на изменчивость предель­ных прочностных характеристик. К факторам, влияющим на изменчивость эквивалентных напря­жений, относятся рассеяние характеристик, вид напряженного состояния и температура. Соста­вляющими модели расчета надежности по крите­рию прочности в общем случае являются характе­ристики полимерного материала: модуль упругости Е, коэффициент Пуассона , коэффициенты ли­нейного теплового расширения в стеклообразном и в высокоэластическом состояниях и тем­пература стеклования .

Анализ факторов, влияющих на прочность, по­казывает ее зависимость от состояния или чистоты поверхности, масштабного фактора или влияние абсолютных размеров образца, влияние концен­траторов напряжений и температуры.

С повышением толщины образцов увеличива­ется стойкость материала к старению и увеличивается вероятность безотказной работы. Это связано с тем, что, в процессе старения после насыщения поверхностных слоев кислородосодержашими продуктами и закрытия каналов свободного досту­па кислорода в более глубокие слои материала на­блюдается монотонное снижение прочности [17].

Пути (способы) увеличения прочности

полимерных материалов

Для получения полимерных материалов с более совершенной структурой, высоким комплексом тех­нологических, физико-механических и эксплуата­ционных свойств разрабатываются методы модифи­кации этих материалов путем введения различных по природе и назначению ингредиентов в виде на­полнителей, пластификаторов, отвердителей, а так­же совершенствуются режимы формирования по­крытий из них [21].

При подборе полимерного материала, работа­ющего при достаточно низких температурах, целесообразно использовать либо доста­точно полярный материал с большим значением удельной когезионной энергии, либо сшитый материал, представляющий трех­мерную сетку, состоящую из атомных групп, связанных ковалентной связью. Увеличение прочности достигается за счет синтеза материала с более прочными связями между атомными группиров­ками.

Прочность полимерных материалов увеличивается за счет увеличения скорости релаксации напря­жений в пиках перенапряжений. В большинстве случаев это до­стигалось введением низкомолекулярных пластификаторов. Процесс образования кристаллитов при введении легирующих добавок не нарушается. Эти структурные изменения сопровождаются увеличением скорости протекания релаксационных процессов в системе и способствуют упрочнению системы.

Замена части связей, противодействующих разрушению, обус­ловленных межмолекулярным взаимодействием, на связи сил главных химических валентностей увеличивает прочность ориен­тированных полимерных материалов [1].

Таким образом, ориентированные полимеры обладают анизо­тропией механических свойств, которая обусловлена ориентацией цепей и проявляется у полимерных материалов в процессе их пере­работки (например, при каландровании). Прочность каландрованного материала всегда больше в направлении каландрования, чем в перпендикулярном направлении (каландровый эффект). Анизо­тропия наблюдается также у полимерных материалов, подвергну­тых холодной вытяжке [2].

Одним из кардинальных путей увеличения прочности полимерных материалов является стремление обеспе­чить противодействие хрупкому разрушению не межмолекуляр­ных, а химических связей. Это осуществляется главным образом либо ориентацией, либо — поперечным сшиванием.

Одним из эффективных путей повышения прочности полимерных материалов является формирование соответствующих типов надмолеку­лярных структур. В частности, хорошие результаты дает введение искусственных зародышеобразователей для стабилизации и улучшения характеристик проч­ности.

Структура и релаксационные свойства разрушающего мате­риала отличны от исходных, присущих материалу до деформации. Поэтому изучение превращений надмолекулярных образований в различных условиях нагружения является одной из необходи­мых предпосылок получения прочных полимерных материалов. Даже в условиях деформации эластомеров, когда роль надмолеку­лярных образований выражена менее четко, существенное значе­ние имеет перестройка структуры, сводящаяся в этом случае к ори­ентации звеньев макромолекул. Особенно существенна ориента­ция, развивающаяся в вершине надрыва и формирующая струк­туру той части материала, в которой осуществляются элементар­ные акты разрывов [1].

Для увеличения прочности эластомеров су­щественным является образование прочных и лабильных поперечных связей, за счет которых происходит деформирование трех­мерной сетки.

Для упрочнения полимерных материалов широко используют керамические «усы», обладающие прочностью в 10—100 раз боль­шей, чем прочность других материалов (стекловолокно, металли­ческий корд и т.д.).

Таким образом, обеспечение достаточной адгезии между слоями, использование способности слоев связующего поглощать энергию, выделяющуюся в ходе элементарного акта разрыва, подбор компонентов с деформационными и прочностными характеристи­ками, обеспечивающими получение прочных комбинированных ма­териалов, уменьшение дефектности компонентов и системы в целом способствуют созданию высокопрочных полимерных материалов [1].

Для повышения прочности полимерных материалов и для других целей иногда применяется метод ориентации полимера. Метод ориентации основан на том, что полимер при повышенной температуре (выше температуры стеклова­ния) подвергают вытяжке в одном или в двух направлениях. В результате это­го молекулы полимера ориентируются и распрямляются. В таком растянутом состоянии полимер охлаждают до температур значительно ниже температуры стеклования. Вследствие сильного возрастания времени релаксации при охлаж­дении полимер сохраняет приобретенную им структуру, находясь в напряжен­ном (как бы закаленном) состоянии. Этот метод применим, очевидно, только в тех случаях, когда температура стеклования полимера лежит значительно (на 50—70 ) выше той температуры, при которой материал будет применяться. Впрочем, при более значительном повышении температуры изменяется и харак­тер достигаемого эффекта, так как ориентация молекул в относительно большей степени становится равновесной [6].

Упрочнение полимерного образца в продольном направлении связано с тем, что при хорошей ориентации более крепкие структурные элементы (химические связи) располагаются вдоль этого направления приблизительно парал­лельно и однородно; разрыв, следова­тельно, происходит более одновремен­но, чем у плохо ориентированных сис­тем, и требует преодоления как хими­ческих, так и межмолекулярных сил. В направлениях, перпендикулярных оси ориентации, встречается только сопротивление межмолекулярных сил, и поэтому прочность образца сравни­тельно невелика. Таким образом, лю­бое упорядочение структуры, будь это ориентация микрокристаллитов или звеньев макромолекул, приводит к бо­лее согласованному, «коллективному» сопротивлению цепных молекул их разрыву. С возрастанием упоря­доченности все больше становится число молекул, одновременно и в одинаковой степени сопротивляющихся разрушению. В неориен­тированных полимерах макромолекулы рвутся последовательно, «поодиночке», в местах возникновения перенапряжения, и проч­ность материала меньше. Важное следствие способности полимеров менять свою структуру, ориентироваться в самом процессе дефор­мации состоит в повышении прочности материала в зоне микротре­щин, что предотвращает разрушение образца, если скорость ориен­тации (релаксации) больше скорости роста трещины [5].

По-видимому, увеличение прочности в результате ориентации материала связано с одновременным действием трех факторов: 1) переходом от разрыва межмолекулярных ван-дер-ваальсовых связей к разрыву химических связей в цепях (переход от разрушения связей одного типа к разрушению связей другого типа должен был бы сопровождаться увеличением модуля упругости в направлении ориентации); 2) выравниванием и залечиванием неоднородностей в процессе предварительной вытяжки и 3) возникновением анизотропии упругих свойств, что может затруднить прорастание трещин поперек направления предварительной вытяжки, так как в направлении ориентации макромолекул материал имеет наибольший модуль упругости [1].

К числу факторов, способствующих упрочнению полимера в ре­зультате ориентации, следует отнести также возможное «залечива­ние» дефектов и нивелирование неоднородностей структуры. Наличие микродефектов и неоднородностей структуры приводит к тому, что реальная прочность полимерных материа­лов, в том числе высокоориентированных волокон и пленок, значи­тельно меньше теоретической прочности, т. е. прочности бездефект­ной, идеально построенной системы с полной ориентацией полимер­ных цепей в направлении растяжения и с идеальной их упаковкой. Для кристаллических полимеров — это бездефектная монокристал­лическая структура. С этой точки зрения в аморфно-кристаллических полимерах аморфная фаза является дефектной частью струк­туры. Помимо теоретической прочности существует предельно достижи­мая прочность, т. е. прочность полимера с максимально возможной степенью ориентации [16].

Помимо ориентации и поперечного сшивания эффективным примером повышения прочности является графитизация — на­гревание полимерного материала в среде инертного газа до тех пор, пока в результате отщепления атомных группировок от основ­ных цепей не образуются связи С—С, характерные для графита.

Иная картина наблюдается в обычных условиях эксплуатации, когда значение температуры эксплуатации и скорости нагружения таковы, что в ходе разрушения материала рвутся межмолекулярные связи. Тогда увеличение прочности достигается за счет увеличения числа атомных групп с более интенсивным межмоле­кулярным взаимодействием [1].

Все приведенные выше механизмы упрочнения (обусловленные введением в полимерную систему компонентов, образующих либо более стабильные, либо более лабильные связи между элемен­тами структуры) характеризовались изотропным изменением проч­ности, между тем как, например, одноосная ориентация полимер­ного материала обеспечивает упрочнение материала в направле­нии вытяжки и ослабление — в перпендикулярном направлении.

Чтобы обеспечить путем введе­ния в систему усиливающих компонентов увеличение прочности материала в наиболее опасных направлениях, необходимо ориен­тировать в этих направлениях цепочечные структуры наполни­теля. Это частично реализуется, например, при наполнении поли­мерной системы нитями, расположенными вдоль оси максималь­ных напряжений. Однако такой способ обеспечивает только ли­нейное направленное усиление материала [1].

Увеличение механической прочности полимер­ной композиции при введении в него наполнителя обусловлена силами адгезии и упрочнением самого полимера вследствие умень­шения его толщины и ориентации макромолекул. Так как силы адгезии могут достигать величины порядка 3000 кг/ , что пре­восходит техническую прочность каждого из компонентов компози­ции, большое значение имеют структура наполнителя (анизотроп­ность, волокнистость, слоистое строение) и другие факторы, опреде­ляющие его механическое поведение [5].

В ряде случаев при взаимодействии полимера и наполнителя образуются химические соединения. Твердый тонкодисперсный наполнитель часто играет роль адсорбента, на поверхности которого адсорбируются молекулы полимера. При этом образу­ются высокоориентированные адсорбционные слои, способствую­щие повышению механической прочности полимерного материала. Размер частиц наполнителя должен находиться в известном соответствии с размерами структурных образований в полимере [2].

При больших размерах частиц наполнителя наблюдается отслоение до дос­тижения предела текучести всего образца. Чем больше размер частиц, тем раньше при нагружении возникает пора, быстрее растет, объединяет соседние в макро­скопический разрыв. Стоит отметить, что поры представляют собой более опас­ные инициаторы трещин, чем связанные с матрицей частицы, что также приводит к более низким прочностям. Для повышения прочности необходимо стремиться к минимальному размеру частиц наполнителя. Увеличение прочности связи на гра­нице раздела между матрицей и частицами затрудняет возникновение микропор на границе раздела, хотя слишком сильное адгезионное взаимодействие повышает напряженность системы [18].

При наполнении вязких тер­мопластов жесткими наполнителями в количестве более 20% наблюдается переход от пластическо­го течения к хрупкому разрушению. При этом имеет место существенное снижение удар­ной вязкости, работы разрушения. Модуль упругости растет с возрастанием количе­ства наполнителя, но при этом увеличиваются раз­мер и количество трещин, возникающих в процессе нагружения при отслаивании матрицы от дисперс­ных частичек, в момент достижения напряжений, соответствующих адгезионной прочности системы [25].

Введение в состав композита минеральной дисперсной фазы позволяет существенно сократить расход дефицитных полимерных смол, а также повысить твердость, жесткость и износостойкость материала. Весьма ощутимое влияние оказывает объемное содержание дис­персной фазы и на способность хрупкой полимерной матрицы сопротивляться развитию в ней трещин, так как трещиностойкость самым непосредственным образом зависит от интен­сивности развития в малой окрестности конца трещины процессов, предшествующих акту локального разрушения [19].

Полимеры, получаемые методом ступенчатой полимеризации, представляют большой технический интерес (поликапролактам, полиоксиметилен и др.). Реакция ступенчатой полимеризации не сопровождается выделением побочных низкомолекулярных продуктов, что облегчает проведение технологических процессов, способствует повышению прочности полимерных материалов и уменьшению усадки на заключительных стадиях образования полимера [7].

Растрескивание полимерных материалов в значительной степени зависит от способа их переработки. Наибольшее растрескивание вызывают растягивающие напряжения, оставшиеся в материале после прессования или других технологических операций. Предварительный отжиг полимерного мате­риала всегда повышает стойкость его к растрескиванию и способствуют повышению прочности полимерного материала [2].

Улучшение структуры и повышение физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий из композиций на основе эпоксидных смол достига­ется обработкой ультразвуковых покрытий на ста­дии нанесения полимера, формирования покрытия или воздействием на готовое покрытие.

Ультразвуковая обработка композиции значитель­но повышает долговечность полимерных покрытий. Так, покрытия, обработанные в ультразвуковом поле в течение 10...15 мин, теряют адгезионную прочность всего на 10...15%, а у покрытий, не обработанных в ультразвуковом поле, наблюдается значительное па­дение адгезионной прочности. Это об­условлено высокой степенью отверждения покрытий после обработки композиций ультразвуком [21].

Необходимым условием для получения высокопрочного композиционного материала с заданными свойст­вами является взаимодействие волокна (нити, ткани и т.д.) и полимерной матрицы на межфазной границе, что возможно за счет регулирования поверхностной активности волокон различными методами модифи­кации, например, плазменными методами [22].

Увеличение прочности полимерного материала, находящегося под воздействием агрессивных сред, наряду с обычными приемами достигается выбором полимера, стойкого к воздействию агрес­сивных сред в силу своего химического строения. Если это за­труднительно, то в композицию добавляют вещества, ингибирующие процесс химического взаимодействия полимера с агрессивным реагентом. Существенное увеличение механической прочности при воздействии агрессивных сред достигается также путем ослабления факторов, ускоряющих взаимодействие полимера с агрессивным реагентом. К числу таких приемов следует отнести предотвраще­ние фотосенсибилизирующего действия ингредиентов и устранение вредного влияния сильных поглотителей света с помощью различных веществ и добавок [1].

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для того чтобы реализовать возможность увеличения проч­ности полимерных материалов за счет создания комбинированных систем, необходимо возможно полнее разобраться в причинах увеличения прочности. С этой точки зрения особый интерес пред­ставляют комбинированные пленочные материалы. Во-первых, это одна из наиболее простых (в отношении распределения напря­жений в материале) систем, являющаяся в некотором роде мо­делью для теоретических расчетов и их проверки. Во-вторых, прозрачность и оптическая активность ряда пленок позволяют наглядно изучать процесс разрушения комбинированных мате­риалов и находить пути увеличения их прочности [1].

Широкое практическое применение нашли армированные пла­стики (текстолиты, стеклопласты, углепластики), так называют композиции, состоящие из полимеров и высокопрочных волокон (стеклянные, химические и синтетические волокна, ткани и маты на их основе, графитовое волокно, а также угольное волокно, борное и т д.).

Большой интерес для космических целей представляют такие армирующие наполнители, как нитевидные монокристаллы окиси алюминия, карбидов кремния и бора, графита и т. д. (так на­зываемые «усы»), у которых удельная прочность (отношение проч­ности к плотности) значительно выше, чем у непрерывных сталь­ных и стеклянных волокон.

Наполнители не только увеличивают механическую прочность полимерных материалов, но и оказывают очень большое влияние и на другие их свойства. Применение асбеста позволяет изготовлять изделия, кратковременно выдерживающие температуру до 10 000 °С; неко­торые наполнители (обычно активные) усиливают устойчивость полимерных материалов к износу, а другие увеличивают термо­стойкость и снижают горючесть [5].

Значительный интерес представляют металлонаполненные по­лимеры (металлополимеры), где наполнителями служат по­рошкообразные металлы или металлические волокна (алюминий, никель, сталь, олово, кадмий и т. д.). Такие металлополиме­ры отличаются высокой прочностью (особенно в случае примене­ния волокон), термостойкостью, тепло- и электропроводностью. Прочность в некоторых случаях обусловлена химическим взаимо­действием полимера с металлом (образование комплексов за счет -электронов двойных связей, реакция карбоксильных групп с окислами на поверхности металла и т. д.) наряду с физическим взаимодействием. Некоторые полимеры этого типа вследствие своей дешевизны и доступности заменяют цветные и драгоценные металлы в производстве вкладышей подшипников, изделий с вы­сокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения, другие применяются в радиотехнике, для защиты от радиации (свинцовый наполнитель), при изготовлении магнитных лент, каталитических систем (наполнитель — платина, палладий, родий, иридий) и т. д. [5].

Наиболее перспективными являются компози­ции на основе термореактивных олигомеров, моди­фицированных различными эластомерами и напол­ненных металлическими порошками (карбидами и оксидами). Эти полимеры выгодно отличаются от других материалов способностью отверждаться в процессе переработки без воздействия повышен­ных температур и давления [21].

Наибольшая прочность и высокая адгезия к армирующим волокнам среди реактопластов прису­ща эпоксидным смолам, поэтому их предпочтительно использовать для изготовления более нагруженных изделий. Они также достаточно термостойки. При модификации этих смол фенольными связующими их показатели заметно улучшаются.

Волокна СВМПЭ отличаются от других высоко­прочных волокон не только более высоким уровнем удельных механических характеристик, но также и минимальным коэффициентом трения, положитель­ным влиянием скорости деформации на прочность, резким увеличением прочности в области отрица­тельных температур, химической и биологической инертностью, уникальными диэлектрическими свой­ствами [22].

Все возрастающее значение приобретают эластичные магнит­ные материалы (магнитные резины, магнитопласты), напол­ненные порошкообразными ферритами (например, никель-цинко­выми) и сочетающие магнитные и электроизоляционные свойства с гибкостью, мягкостью, низкой плотностью и прочностью. Они легко перерабатываются в изделия сложной формы, которые за­тем подвергаются намагничиванию в специальных устройствах. Повторяя все неровности соприкасающихся с ними поверхностей, магнитные резины служат для изготовления уплотняющих лент дверей бытовых холодильников, герметических магнитных кон­тактов и т. д. Среди других областей применения этих материалов можно назвать телевидение, памятные устройства электронно-вы­числительных машин, магнитоуправляемые контакты искусствен­ного сердца и др. Твердые наполнители также широко используются в лакокра­сочной промышленности. Введение наполнителей в состав красок, шпатлевок и грунтовок позволяет повышать прочность и атмосферостойкость пленок, снижать усадку и внутренние напря­жения, возникающие в процессе высыхания покрытий, получать матовые пленки [5].

Расширение сферы применения полимерных материалов в промышленности сдерживается от­сутствием научно обоснованного подхода к выбору критериев работоспособности, методов оценки на­дежности изделий, недостаточным опытом их эк­сплуатации в различных условиях. В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные и методы оценки надежности, учитывающие особен­ности поведения полимерных материалов. Особен­ностью полимерных композиционных материалов является значительное рассеяние прочностных и деформационных характеристик в исходном со­стоянии, а также их изменение и рассеяние в про­цессе эксплуатации. Кроме того, отсутствуют мето­ды оценки надежности изделий из полимерных ма­териалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации с учетом статистической изменчи­вости их характеристик.

Модель расчета надежности по критерию проч­ности основана на анализе распределений дей­ствующих и предельных напряжений. Для оценки прочностной надежности необходимо знать ра­спределение случайных величин - максимального эквивалентного напряжения и предельных проч­ностных характеристик [17].

При изучении поведения элементов конструкций, изготовленных из полимерных композитов, наиболее распространенным подходом является сведение рассматриваемых материалов к однородным, в общем случае анизотропным, с некоторыми эффективными характеристиками. Этот подход позволяет достаточно точно описывать статическое поведение композитных конструкций, все размеры которых существенно превышают характерный размер структурной неоднородности исследуемого композита. Однако он не дает возможности рассматривать задачи исследования концентраций напряжений, возникающих вблизи трещин, вырезов, различных технологических отверстий. Рассматривая композит как однородное тело невозможно предсказать изменение уп­ругих и прочностных характеристик материала вблизи концентраторов напряжений. Для оценки прочности композитных материалов с концентратором напряжений возможно использование экспресс-критерия, в котором учтена нелинейность диаграмм деформирования композита с использованием энергетических соображений Г. Нейбера [20].

Преимущество композиционных материалов состоит в том, что им можно придать необходи­мые конструктивные свойства, а также создать материал с высоким значением прочности, деформи­руемости, а также вязкости разрушения. Классические методы упрочнения металлов (закалка, меха­ническая обработка, создание сплавов) не позволяют, повышая прочность материала, сохранить не­обходимые значения вязкости разрушения. Надёжность работы конструкции зависит не только от запаса прочности конструкционного материала, но и от вязкости разрушения - способности материа­ла препятствовать распространению трещины. Наличие большого числа границ раздела в структуре КМ способствует торможению трещин, что и может привести к повышению прочности и вязкости материала [24].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработка новых полимерных материалов связана с необходимостью достичь определенных показателей прочности, которые позволят использовать тот или иной полимер для различных целей. Долгое время складывалось мнение, что полимерные материалы обладают намного более низкой прочностью, чем остальные металлические сплавы, но на самом деле данное утверждение не совсем верно, так как прочность полимеров может в несколько раз превосходить прочность металлических сплавов. В настоящее время полимерные конструкции могут быть использованы при изготовлении автомобилей, летательных аппаратов, а также различных видов деталей, которые испытывают высокие прочностные нагрузки.

Прочность полимерных материалов может быть достигнута различными способами.  В ряде случаев повышенные прочностные свойства полимеров достигаются в процессе синтеза материала благодаря формированию молекулярной структуры, которая позволяет достичь высокой плотности полимера. Для формирования определенной молекулярной структуры могут  быть использованы как различные условия протекания химических реакций, так и различные условия протекания полимеризации.

Для выбора оптимальных методов синтеза полимеров ученые используют различные методики изучения протекания реакций, а также проводят множество экспериментов, в результате которых может быть разработана методика получения прочных полимеров.

Еще одним методом получения прочных полимеров является способ изготовления полимерных материалов. Например, в некоторых областях промышленности применяется ручная сборка каркаса материала из углеводородных волокон с последующим нанесением на каркас другого вида полимера. Данная методика позволяет получить готовое изделие повышенной прочности, которое может быть использована в качестве корпуса. Также в настоящее время для повышения прочности полимеров используется армирование материалов, которые затем могут применяться в качестве различных деталей.

Под понятием «прочность полимеров» также иногда понимается электрическая или химическая прочность. Электрическая прочность представляет собой свойство полимерного материала выдерживать высокие нагрузки, связанные с повышенным напряжением или силой тока. Данные виды полимеров активно применяются при изготовлении различных видов радиодеталей.

Химическая прочность полимеров представляет собой возможности материала противостоять различным видам химического воздействия. Например, целый ряд полимеров выдерживают воздействие со стороны различных кислот и щелочей, что позволяет использовать их при изготовлении емкостей для хранения и перевозки агрессивных веществ.

Задачей кон­структоров и технологов, работающих в области полимерных материалов, является учет общих закономерностей прочности при создании полимерных материалов с заданными свойствами. При этом необходимо учитывать как особенности строения полимеров, так и режимы эксплуатации изделий. Большое разнообразие хими­ческих структур различных полимерных материалов и разнообразие ингредиентов, применяемых в полимерных композициях, дает в этом отношении технологам-полимерщикам практически неогра­ниченные возможности.

Используя известные в настоящее время закономерности разрушения полимерных тел, технологи и конструкторы могут применять большой арсенал методов воздействия на прочностные характеристики полимерных материалов и определять наиболее эффективные условия эксплуатации каждого полимерного мате­риала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / В.Е. Гуль. – 3-е изд., перераб. и дополн.– М.: Химия, 1978. – 328 с.

Тагер А.А. Физико-химия полимеров [Текст]: учебное пособие / А.А. Тагер. - 2-е изд. – М.: Химия, 1968. – 536 с.

Нарисава И. Прочность полимерных материалов [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов. Перевод с японского Ю.М. Товмасяна / Под ред. Ал.Ал. Берлина, Т. Ёкобори / И. Нарисава. – М.: Химия, 1987. – 400 с.

Гуль В.Е. Прочность полимеров [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / В.Е. Гуль. – М-Л.: Химия, 1964. – 228 с.

Шур А.М. Высокомолекулярные соединения [Текст]: учебник для университетов / А.М. Шур. – 3-е изд., переработанное, дополненное. – М.: Высшая школа, 1981. – 656 с.

Киреев В.А. Краткий курс физической химии [Текст]: учебник для химико-техн. спец. вузов / В.А. Киреев. – 3-е изд. – М.: Химия, 1963. – 648 с.

Лосев И.П. Химия синтетических полимеров [Текст]: учебник для химико-техн. спец. вузов / И.П. Лосев, Е.Б. Тростянская. – М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1960. – 574 с.

Виноградов Г.В. Конструкционные свойства пластмасс [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов. Перевод с английского / Под ред. Э.Бэра / Г.В. Виноградов, А. П. Зезин, Ю. С. Зуев, М. И. Рогайлин, Г. Б. Шкляева, Е. Д.Яхнин. – М.: Химия, 1967. – 464 с.

Иржак В.И. Сетчатые полимеры (синтез, структура, свойства) [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / В.И. Иржак, Б.А. Розенберг, Н.С. Енилолопян. – М.: Наука, 1979. – 248 с.

Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств [Текст]: справочное пособие для химико-техн. спец. вузов / Г.Я. Воробьева. – 2-е изд., перераб. и дополн.– М.: Химия, 1975. – 816 с.

Манин В.Н. Физико-химическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / В.Н. Манин, А.Н. Громов. – Л.: Химия, 1980. – 248 с.

Роговин З.А. Успехи химии и физики полимеров [Текст]: сборник статей для химико-техн. спец. вузов / З.А. Роговин, А.А. Берлин, В.А. Кабанов, В.В. Коршак, Г.Л. Слонимский. – М.: Химия, 1970. – 448 с.

Бухина М.Ф. Кристаллизация каучуков и резин [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / М.Ф. Бухина. – М.: Химия, 1973. – 240 с.

Елизаветин М.А. Повышение надежности машин [Текст]: книга для инженерно-техн. спец. вузов / М.А. Елизаветин. – 2-е изд., переработанное, дополненное. – М.: Машиностроение, 1973. – 430 с.

Гришин А.Н. Влияние некоторых факторов на прочность при сжатии высоконаполненных полимеркомпозитных материалов / А.Н. Гришин, Л.И. Казанская, И.А. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. – 2010. – №7. – с. 400-406.

Бабаевский П.Г. Термопласты конструкционного назначения [Текст]: книга для инженерно-техн. работников / П.Г. Бабаевский, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин, Б.В. Перов, А.А. Рыбин. – М.: Химия, 1975. – 240 с.

Реутов А.И. Надежность изделий из полимерных композиционных материалов с учетом статистической изменчивости их характеристик / А.И. Реутов // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – №2. – с. 58-62.

Блохин А.Н. Влияние нанодисперсных частиц на прочностные свойства полимерных матриц / А.Н. Блохин, В.П. Таров, М.С. Толстых // Вестник ТГТУ. – 2012. – №3. – с. 737-741.

Осипов Н.Л. К вопросу о прочности полимерных композитов, применяемых в автомобилестроении / Н.Л. Осипов, В.А. Пирожков, И.С. Чабунин // Известия МГТУ «МАМИ». – 2014. – №2. – с. 45-47.

Сапожников С.Б. Конструкционная прочность полимерных композитов на основе коротких стеклянных волокон / С.Б. Сапожников, Р.Р. Абдрахимов, А.А. Шакиров // Вестник ЮУрГУ. – 2014. – №1. – с. 50-54.

Гаджиев А.А. Технологические способы повышения механических характеристик композиционных полимерных материалов / А.А. Гаджиев, А.С. Кононенко, А.М. Орлов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. – 2009. – №2. – с. 70-73.

Сергеева Е.А. Прочностные характеристики композиционных материалов на основе плазмоактивированных сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, А.Р. Ибатуллина, А.С. Брысаев // Вестник НИО КНИТУ. – 2010. – №7. – с. 133-135.

Кутьинов В.Ф. Влияние климатического старения на характеристики упругости и прочности полимерных композитных материалов / В.Ф. Кутьинов, В.А. Киреев, О.В. Старцев, В.Н. Шевалдин // Ученые записки ЦАГИ. – 2006. – №4. – с. 54-64.

Абдуманонов А. Влияние структуры на прочность композиционного материала / А. Абдуманонов, Р.М. Валиев, С.Н. Каримов // Доклады Академии наук Республики Таджикистан. – 2010. – №7. – с. 511-515.

Брусенцева Т.А. Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц / Т.А. Брусенцева, А.А. Филиппов, В.М. Фомин // Наноиндустрия: науч.-техн. журнал. – 2013. – №3. – с. 25-27.

Код для цитирования: Скопировать