Гетерогенных материалов

Глава 3. Вязкоупругие свойства гетерогенных полимерных композиций с дисперсными частицами

3.2. Зависимость вязкоупругих свойств гетерогенных композиций от их состава и фазовой морфологии........ 151

3.3. Зависимость вязкоупругих свойств гетерогенных композиций от вре-

щи ми в отдельных компонентах (фазах), но и такими дополнительными факторами, как соотношением компонентов, фазовой морфологией композиций и взаимодействием между компонентами. Поскольку вязкоупругие свойства гетерогенных полимерных композиций непосредственно связаны с их структурой, соответствующие измерения динамических механических свойств могут быть использованы для оценки структуры и таких композиций, и привитых и блок-сополимеров, и смесей несовместимых полимеров. В частности, для исследования эластифицированных термопластов использовались измерения температурной зависимости изохронных модулей при сдвиге или растяжении (метод механической спектроскопии). Однако, если состав и морфологию гетерогенных композиций можно непосредственно определять по изохронным модулям, то полная оценка вязкоупругих свойств таких композиций требует анализа временной и температурной зависимости этих показателей в широком интервале времени и температур.

Данная глава ограничивается анализом только линейной вяз-коупругости, т. е. вязкоупругого поведения при малых деформациях изотропных гетерогенных полимерных композиций. В ней дается теоретический анализ зависимостей изохронных модулей от состава и фазовой морфологии композиций и сравнение их с эквивалентными механическими моделями и экспериментальными данными. Зависимость вязкоупругих свойств от времени анализируются с использованием принципа температурно-временной аналогии для гетерогенных композиций.

Одной из важных с теоретической точки зрения проблем является определение кривых температурных зависимостей модуля и tg 8 по данным о свойствах исходных компонентов и фазовой структуре гетерогенных композиций. В то же время практически важное значение при разработке новых полимерных композиций и их использовании приобретает возможность получать максимальную информацию об их структуре по результатам динамических механических испытаний. Решение этих проблем требует развития единого теоретического подхода. Ниже обобщаются и сравниваются развиваемые в настоящее время подходы к теоретическому анализу вязкоупругих свойств гетерогенных полимерных композиций.

Расчеты вязкоупругих свойств гетерогенных композиций явно или неявно основаны на аналогии в анализе упругости и вязкоупругости, так что для нахождения эффективных расчетных уравнений вязкоупругих свойств необходимо рассмотреть возможности расчета упругих свойств гетерогенных композиций. Расчет модулей упругости изотропных сред по свойствам образующих их фаз является очень старой проблемой, подробный обзор которой дан в работах [2—7] на примерах бинарных композиций, чаще всего полимеров, наполненных твердыми частицами. Хотя за эти годы появилось большое число различных выражений для модулей упругости гетерогенных композиций, все они основаны всего на двух теоретических подходах — вариационном анализе, определяющем граничные (предельные) значения упругих констант, и нахождении конкретных значений этих констант по данным о конкретном напряженном или деформированном состоянии одной из фаз. Для изотропных гетерогенных композиций наиболее обобщенные выражения для предельных значений упругих констант получены Паулем [8] и Хашиным со Штрикманом [9]'. Учитывая морфологические особенности гетерогенных композиций, в частности используя схему набора сфер, Хашин получил более узкие

значения пределов упругих констант [10]. Хилл [11], Будянский [12, 13], ог ол о.е 0.5 <р Кернер [14] и Ван-дер-Поль [15] про-Гг анализировали упругость гетерогенных композиций с дисперсными частицами в непрерывной матрице, исходя из различных допущений о напряженном состоянии композиций. Кроме того, для обработки экспериментальных данных, особенно по вязкоупругим свойствам гетерогенных композиций, широко используется метод механических моделей [16—24]. В некоторых случаях параметры моделей связывают с вязкоупругими свойствами материалов, сравнивая результаты анализа моделей и результаты теоретических исследований [25].

Выражения для предельных значений упругих констант, полученные на основании вариационного анализа. Как указывалось в обзоре методов анализа упругости гетерогенных композиций [6], Пауль [8] установил предельные значения упругих констант для различных систем, используя теоремы о минимумах добавочной энергии и потенциальной энергии (энергии деформирования). Для бинарной композиции верхний (GUP) и нижний GiP пределы модуля упругости при сдвиге определяются по формуле

Рис. 3.3. Модели сферических включений для расчетов модулей упругости гетерогенных композиций:

Расчет конкретных значений упругих констант. Выражения (3.3—3.5) связаны только со свойствами и объемными долями фаз. При их выводе не делалось никаких предположений о характере расположения фаз, их распределении и морфологии, кроме допущения об изотропности композиции. Приняв некоторые дополнительные предположения о фазовой морфологии и деформированном состоянии гетерогенных композиций, можно получить выражения для конкретных значений их модулей упругости. Наиболее известные выражения такого типа получены Будянским [12, 13], Хиллом [11], Кернером {14] и Ван-дер-Полем [15]. Эти выражения недавно уточнены Смитом [26]. Хотя эти выражения позволяют рассчитать значения модулей упругости гетерогенных композиций конкретной структуры, они довольно резко различаются подходом к проблеме и получаемыми результатами.

В табл. 5 приведены акустические свойства некоторых гетерогенных материалов, используемых в дефектоскопии.

75. Тамуж В. П. Особенности разрушения гетерогенных материалов. — Механика композитных материалов, 1982, № 3, с. 406—409.

В области механики многокомпонентных гетерогенных материалов особую сложность представляет изучение адгезии между элементами композиции, которая оказывает существенное влияние на работоспособность материалов с защитными покрытиями, на несущую способность армированных систем и т. д. В свою очередь эта характеристика зависит от внешних условий, таких как температура и время, а также от вида напряженного состояния в элементах композиции вблизи границы раздела.

М и т ю ш о в Е. А., Г е л ь д П. В., А д а м е с к у Р. А. Обобщенная проводимость и упругость макрооднородных гетерогенных материалов. — 10 л. —

(5) прочность гетерогенных материалов с трещинами — распространение трещины по границе раздела.

ных трещин в твердых сплавах. Они являются важным дополнением к уже широко исследованным кривым Велера. Кроме того, приведенные в работе результаты позволяют судить о микроскопических механизмах процесса усталости гетерогенных материалов с хрупкими компонентами.

75. Тамуж В. П. Особенности разрушения гетерогенных материалов. — Механика композитных материалов, 1982, № 3, с. 406—409.

Механическое нагружение и локальное повышение температуры ускоряют коррозионное воздействие среды (особенно в случае гетерогенных материалов), что приводит к образованию окисных пленок и отложений продуктов электрохимических реакций. Механическое воздействие способствует разрушению этих пленок и ускоряет протекание коррозионных процессов.

бое значение данная проблема получила в последние годы в связи с развитием тонкопленочных технологий, широким применением SiO2 в качестве компонентов гетерогенных материалов микроэлектроники, полупроводниковой техники (различные изделия, использующие гетероструктуры металл — оксидный полупроводник) и т. д. [5—7, 79, 80].

Описываемый способ используется особенно успешно для получения полированных поверхностей гетерогенных материалов, например спеченных материалов, твердых сплавов, чугуна, закаленных сталей, а также для исследований неметаллических включений в металлах и сварных соединений разнородных металлов. Время полирования алмазными пастами значительно меньше, чем при обычных способах механического полирования. Обработка ведется в более чистых условиях, так как для увлажнения полировального сукна расходуется небольшое количество жидкости на основе спирта. Процесс можно автоматизировать, применяя вибрационные полировальные устройства или специальные держатели образцов.

Электролитическое полирование позволяет получать у большинства гомогенных сплавов гладкие поверхности без образования деформационных слоев. Хорошие результаты полирования гетерогенных материалов получают лишь в том случае, если отдельные фазы растворяются в электролите приблизительно равномерно, что возможно только при близости их электрохимических потенциалов. Неметаллические включения не растворяются в процессе полирования и большей частью выпадают из металла, оставляя пустоты на поверхности. Края трещин, случайно выходящих на поверхность образца, скругляются, вследствие чего сами трещины кажутся шире, чем в действительности. Получение острых кромок образца также связано с большими трудностями. Только тщательное предшествующее механическое выравнивание и последующее очень кратковременное электролитическое полирование дают в отдельных случаях хорошие результаты.