УДК 691.342:539.4
В., канд. техн. наук, Д., д-р техн. наук, профессор
Липецкий государственный технический университет
РОЛЬ СТРУКТУРНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО ФАКТОРА
В ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СМОЛЫ ФАМ
Большинство современных строительных материалов представляют собой композиты. Наиболее эффективные из них, предназначенные для работы в агрессивных условиях эксплуатации, созданы на основе высокомолекулярных соединений – синтетических смол. Однако широкому применению полимерных материалов в строительных композитах препятствует несовершенство их структуры. Это обстоятельство определяет основные свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ).
В процессе эксплуатации строительные ПКМ подвергаются различным воздействиям: механическому, температурному, радиационному, влиянию агрессивных промышленных сред и т. д. Поэтому особое значение приобретает совершенствование экспериментальных методов оценки прочности и механизмов разрушения строительных ПКМ.
Экспериментальные исследования прочности образцов, изготовленных из ПКМ на основе фурфуролацетонового мономера (ФАМ), проведенные на кафедре строительных материалов Липецкого государственного технического университета показали, что в любом образце установлено случайное распределение дефектов.
В ходе исследования из ПКМ на основе ФАМ изготавливалось несколько наборов однотипных изделий (образцов) в которых структурообразующие факторы варьировались в следующих интервалах: соотношение полимер - наполнитель П/Н=0,5 – 0,9; коэффициент раздвижки зерен наполнителя α=1,1 – 1,5; толщина полимеросвязующего слоя δ0=25∙10-6…125∙10-6 м.
Структуры этих образцов имели случайный характер. Очевидно, это связано с хаотичным расположение всех макромолекул, составляющих данный образец материала. Причем это расположение будет разным у различных, но однотипных образцов. Это говорит о том, что особенности структуры ПКМ можно описать с помощью функции распределения неоднородностей структуры, учитывающей их характер, расположение в материале и т. п.
При этом каждый из однотипных образцов с точки зрения набора содержащихся в них дефектов структуры рассматривался как выборка определённого объема из генеральной совокупности, представляющей собой весь объем ПКМ, из которого изготовлены образцы.
Следует отметить что, чем меньше объем изделия, тем менее представительной была выборка, так как не все дефекты структуры могли попасть в образец достаточно малого объема. Отсюда следует, что функция распределения дефектов структуры будет существенно отличаться от аналогичной функции распределения образцов достаточно большого объема.
Результаты эксперимента позволяют говорить о том, что после приложения к образцу ПКМ на основе смолы ФАМ нагрузки в нем протекают в областях перенапряжения, окружающих дефекты его структуры, распределенные по некоторому вероятностному закону, случайные термоактивированные процессы перестройки структуры материала под приложенную нагрузку и последующий разрыв связей, ведущий в конечном итоге к разделению материала образца на части.
Статистический разброс измеренных значений прочности, очевидно, обусловлен двумя причинами. Первая связана с неизбежными в каждом эксперименте случайными погрешностями измерений и с невозможностью абсолютно точно каждый раз воспроизвести условия испытания. Вторая причина – более глубокая и состоит в том, что разрушение материала обусловлено развитием имеющихся в нем структурных и технологических дефектов различной степени опасности. Появление того или иного дефекта в образце есть случайное событие. Отсюда и неоднозначность результатов испытаний, даже если бы не было случайных погрешностей. Первый фактор можно назвать инструментальным, а второй структурным.
Разрушение композиционных материалов является случайным процессом, реализующимся путем термофлуктуационных актов перестройки их структуры и разрыва связей (химических и межмолекулярных) прежде всего в областях перенапряжения материала. Однотипные образцы одного и того же ПКМ на основе смолы ФАМ могут находиться в различных прочностных состояниях – «низкопрочном» и «высокопрочном» – в зависимости от степени и характера дефектности структуры материала образца.
Все однотипные образцы всегда можно разделить на два класса: содержащие изначально нарушения сплошности материала (образцы, содержащие начальные трещины) и не содержащие начальных трещин. Образцы, которые содержат начальные трещины, находятся в «низкопрочном» состоянии. Такие же образцы, но не содержащие начальных трещин можно считать находящимися в «высокопрочном» состоянии.
Для образцов находящихся в «низкопрочном» состоянии таким звеном процесса разрушения является либо развитие одной (реже нескольких) наиболее опасных начальных трещин, либо конкурирующее разви-
тие большого числа микротрещин близких размеров, ведущее, в конечном счете, к тому, что одна из них или несколько достигнут состояния начала атермического роста, завершающегося разрушения образца.
«Высокопрочные» образцы композиционных материалов разрушаются по следующему сценарию. Основной вклад в кинетику их разрушения вносит процесс накопления субмикротрещин, образующихся в слабых местах структуры материала (например, в зоне контакта смола ФАМ - наполнитель, матрица-заполнитель и т. д.). После накопления достаточно большого числа субмикротрещин, когда среднее расстояние между ними становится сравнимым с их размером, начинается процесс их слияния, ведущий к образованию трещин разрушения.
Физико-механические характеристики ПКМ одного и того же состава являются случайными величинами и, следовательно, должны определяться их функциями распределения.
Эти функции могут быть найдены теоретически на основе решения кинетических уравнений процесса разрушения, описывающих эволюцию структуры материала после приложения нагрузки.
Так как в основе этой теории лежат случайные процессы эволюции гетерогенностей и дефектов структуры ПКМ, то кинетические уравнения процесса разрушения должны определять в любой момент времени t от начала нагружения (t=0) вероятности нахождения указанных гетерогенностей и дефектов структуры в том или ином возможном для них состоянии, описываемом достаточным для этого набором параметров.
Зная эту вероятность, можно в свою очередь, найти вероятность того, что время, за которое та или иная гетерогенность или дефект структуры достигнет критического для данного ПКМ состояния, ведущего его к уже атермическому (не активированному тепловыми флуктуациями) разрушению, будет лежать в интервале (t, t+Dt). А эта функция, по определению, есть уже плотность распределения вероятностей значений разрывного напряжения 
, если испытания проводятся в режиме постоянной скорости нагружения: 
, или долговечности, если испытания проводятся в условиях постоянного растягивающего напряжения 
.
Кинетические уравнения эволюции структуры нагруженного ПКМ должны решаться при заданных начальных условиях. Таковыми являются: значения нагрузки, условия теплового и материального контакта ПКМ со средой, если они меняются со временем и изначальное распределение структурных гетерогенностей и дефектов структуры в материале образца. Так как это распределение носит случайный характер, определяемый методами математической статистики или теории вероятностей, то можно считать что прочностные характеристики ПКМ определяются статистической кинетикой его разрушения в заданных условиях нагружения.
Во всех прочностных состояниях их эволюцию можно описать кинетическим уравнением для вероятности нахождения нагруженного композиционного образца в том или ином допустимом состоянии. Это состояние в общем случае может быть описано некоторым набором параметров l1, l2, l3 …, ln (n – число параметров), определяющих каждый момент времени состояние всех тех «кинетических объектов» (трещин, субмикротрещин, слабых мест структуры материала) в объеме материала, эволюция которых определяет процесс его разрушения.
С учетом этого общее кинетическое уравнение может быть представлено в виде 
, здесь 
- вектор состояния образца ПКМ, соответствующий набору параметров 
; 
- вероятность нахождения образца в момент времени t в состоянии, для которого значения компонент вектора 
лежат в интервале 
; 
- вероятность перехода в единицу времени (т. е. частота перехода) образца состояния, характеризуемого вектором , в состояние, характеризуемое вектором 
.
Сформулированный подход в исследовании ПКМ на основе смолы ФАМ позволил наиболее точно оценить прочностные свойства в рамках существующих концепций управления конструкционными свойствами строительных композитов, что чрезвычайно важно для инженерных расчетов при проектировании новых материалов и строительных конструкций из ПКМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. М. и др. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров/ Э. М. Карташев, Б. Цой, В. В. Шевелев. – М.: Химия, 2002.-736 с.
2. Н. и др. Прочность композитных материалов/ В. Н. Козомазов, А. Н. Бобрышев, В. Г. Корвяков, В. И. Соломатов: Под ред. В. И. Соломатова. – Липецк: НПО «Ориус», 1995. –112 с.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
Основные порталы (построено редакторами)