Статья по теме: Высокопрочном состоянии

Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина

Скачать полный текст

Прочность полимера в высокопрочном состоянии определяется прочностью бездефектных структурных элементов твердого тела. Для капронового волокна (см. табл. 3.1) высокопрочное состояние характеризуется при О К значением 0m(0) = 3-r-6 ГПа, а при 300 К — значением ап = 2ч-4 ГПа, что превышает обычно наблюдаемую прочность капроновых волокон в несколько раз. Специально приготовленные образцы в кристаллическом ориентированном состоянии (игольчатые кристаллы полиоксимети-лена [3.15]) достигают при 300 К прочности 3,6 ГПа при толщине «иголки» 2,4 мкм, но уже при толщине 12 мкм прочность снижается до 0,36 ГПа — обычного значения прочности промышленных полимерных волокон.[1, С.44]

Из предыдущих разделов следует, что для полимеров в высокопрочном состоянии можно выделить температурные области хрупкого, квазихрупкого и пластического разрыва полимера. В области хрупкого разрыва силы межмолекулярного взаимодействия не вносят существенного вклада в процесс разрушения и основным фактором разрушения поэтому является термофлук-[1, С.48]

Согласно концепции Шишкина, и прочность не должна зависеть от степени ориентации. Но известно {3.25]!, что хрупкая прочность сильно зависит от ориентации, и это понятно: чем больше ориентация, тем большая часть рвущихся целей находится в направлении оси волокна. Поэтому в высокопрочном состоянии при переходе от неориентированного к предельно ориентированному состоянию хрупкая прочность должна возрастать в три раза. Далее, очевидно, что у ориентированного полимера с молекулярной массой М—*i°° разрушение может происходить только при разрыве цепей. Практически эта ситуация реализуется для промышленных полимеров (М>105). Макромолекулы достаточно длинны, чтобы не наблюдалось их скольжение без разрыва цепей. Далее, если прочность полимеров определяется силами межмолекулярного взаимодействия, то расчет теоретической прочности должен производиться по формуле Орована о"т«0,1 Е, где Е — модуль Юнга (см. гл. 1). Модуль упругости твердых полимеров определяется межмолекулярными взаимодействиями. Для капроновых волокон ? = 2,5 ГПа и поэтому tfm = 0,25 ГПа, что намного ниже реальных значений ар. Поэтому правильный расчет ат должен основываться на гипотезе разрыва химических связей.[1, С.51]

Ангармонизм может быть разделен на силовой, когда к энгармонизму приводят большие внешние силы, и температурный, когда к энгармонизму приводят большие тепловые колебания. Силовой энгармонизм влияет на постоянную у, а температурный— на предэкспоненту в уравнении долговечности Журкова. Уравнение долговечности (2.3) для полимеров в высокопрочном состоянии (без микротрещин) может быть записано в более общем виде:[1, С.37]

Как уже отмечалось, процесс разрушения полимера с однородно нагруженными цепями происходит путем случайного термо-флуктуационного разрыва (деструкции) цепей в объеме образца, т. е. путем одновременного разрыва многих цепей в объеме. Такой процесс иногда называют термодеструкцией полимера под напряжением. Объемный характер разрушения характерен и для полимеров в высокопрочном состоянии с тем отличием, что процесс термодеструкции под напряжением в основном идет в микрообластях перенапряжений, где на цепи нагрузка несколько выше, чем в среднем по объему. В случае полимерных волокон к таким микрообластям перенапряжений относятся аморфные участки микрофибрилл. В ряде работ [3.34—3.36] в качестве критерия разрушения высокопрочных полимерных волокон,, не имеющих начальных микротрещин, принималась некоторая критическая концентрация разорванных цепей, приводящая: к образованию большого числа субмикротрещин, вызывающих разрушение.[1, С.57]

Сформулированы два представления о процессе разрушения в полимерах. Согласно первому, разрыв полимерных цепей происходит одновременно по всему объему образца (в слабых или перенапряженных микроучастках структуры), согласно второму, он происходит последовательно по мере разделения образца на части очагом разрушения. Первый процесс мог бы реализоваться в материале с идеальной структурой и играет лишь ограниченную роль при разрушении полимера в высокопрочном состоянии. Критерием разрушения в первом процессе является критическая концентрация разорванных цепей. Второй процесс реализуется для всех технических материалов с начальными и возникшими под нагрузкой опасными микротрещинами. Этот процесс разрушения наблюдается практически во всех реальных случаях. Критерием разрушения при втором процессе, согласно механике разрушения, является пороговое напряжение, выше которого упругая энергия образца равна энергии разрушения или превышает ее, а согласно физике разрушения — безопасное напряжение, выше которого скорость разрыва цепей превышает скорость их рекомбинации под действием тепловых флуктуации. Последующие главы будут посвящены механике и физике разрушения полимеров с микротрещинами.[1, С.58]

Аналогично обстоит дело и с полиимидными волокнами. Например, мрачность суперволокна вниивсан ар=2 ГПа при 293 К, а коэффициент перенапряжения *с=-уЛ>А = 7,9 (за счет микронеоднородной структуры волокна и микротрещин). Поэтому перенапряженным цепям соответствует <тр=2,0-7,9 =15,8 ГПа, тогда как предельная прочность, рассчитанная из энергии активации разрушения, равна о"„ = 14,5 ГПа (при 293 К). Таким образом, данные о прочности ориентированных и неориентированных полимеров в высокопрочном состоянии свидетельствуют о том, что ведущим процессом при хрупком и квазихрупком разрушении линейных полимеров является разрыв химических связей. Силы межмолекулярного взаимодействия начинают играть существенную роль при «пластическом» (вынужденном высокоэластическом) разрыве твердого полимера и особенно при разрушении полимеров в высокоэластическом состоянии.[1, С.52]

Идеи о роли тепловых флуктуации в разрушении твердых тел выдвигались Смекалем [6.2], Александровым [6.3], Коксом [6.4], Понселе [6.5], а также автором монографии. Журковым с сотр. на основе фундаментальных исследований кинетики разрушения твердых тел предложена концепция о термофлук-туационной природе прочности и сформулирован кинетический подход к процессу разрушения. Степановым с сотр. эта концепция развита и уточнена для хрупкого состояния и перехода к квазихрупкому разрушению, выяснено принципиальное отличие процесса деформации от разрушения твердых тел. Теория разрушения полимерных цепей и полимеров в высокопрочном состоянии на основе этой концепции развита Губановым и Чевычеловьш, Разумовской, Савиным, Мелькером, Веттегре-нем и другими исследователями.[1, С.146]

Для всех этих случаев в главе рассмотрены физические теории прочности и долговечности полимеров и стекол, методы расчета предельно достижимой прочности полимеров, обсуждена связь термодинамических и тепловых свойств с прочностью с точки зрения проявления энгармонизма в твердых телах. В главе проанализированы различные точки зрения на природу разрушения полимеров и сделан вывод о том, что в твердых полимерах ведущим процессом разрушения является разрыв химических связей, а не преодоление межмолекулярных взаимодействий. Рассмотрен термофлуктуационный и фононный механизмы зарождения субмикротрещин и их роль в разрушении полимеров в высокопрочном состоянии.[1, С.58]

Чтобы связать между собой атомно-молекулярные процессы и микроскопическое разрушение полимера, необходимо ввести некоторый локальный критерий, устанавливающий основную причину разрыва образца. Предложено два принципиально различных критерия разрушения. Первый основывается на представлении о том, что микротрещины не играют существенной роли и разрыв образца происходит тогда, когда в данном сечении число разорванных связей достигает некоторого критического значения (от 50 до 100% связей) [6.1]. Как следует из гл. 2, такого взгляда на механизм разрушения полимеров придерживались Журков и др. исследователи, и это в основном верно для разрушения твердого тела в высокопрочном состоянии в отсутствие микротрещин. Механизмы и теории разрушения в высокопрочном состоянии были обсуждены в гл. 3. Второй локальный критерий основан на представлении о том, что микротрещины и их рост под нагрузкой играют определяющую роль в процессе разрушения. Механика разрушения (см. гл. 4) рассматривает теорию трещин и устанавливает критерии их роста, как правило, без учета термофлуктуационного механизма.[1, С.145]

Теперь перейдем к сравнению с экспериментальными данными. Рассмотрим капрон (см. табл. 3.1), для которого в неориентированном состоянии ар = 160 МПа (293 К). В работе [3.30] в качестве аргумента приводятся наибольшие значения прочности 60—400 МПа для неориентированных полимеров. Капрон попадает в этот интервал. Автор концепции утверждает, что приведенные значения прочности далеки от прочности химических связей. И это верно, но вопрос заключается в том, для какого состояния характерны эти цифры: для высокопрочного или низкопрочного. Нет сомнений, что эти цифры соответствуют низкопрочному состоянию неориентированных полимеров, когда разрушение идет по перенапряженным цепям. Для капрона (см. табл. 3.1) коэффициент перенапряжения к = 25 и, следовательно, разрушение надо характеризовать не ар=160 МПа, а значением в 25 раз большим, т. е. 4 ГПа. А это значит, что '/з рвущихся цепей нагружена так же, как и полное число цепей в предельно ориентированном состоянии (12 ГПа). Но 12 ГПа соответствует прочности химической связи ап = 12,9 ГПа в полиамидных цепях, рассчитанной Губановым и Чевычеловым [2.11] (см. UD в табл. 2.1). Поэтому если принять правильные значения прочности в высокопрочном состоянии, то разрыв полимера следует объяснить разрывом химических связей. Для ориентированного капрона ар=1 ГПа (293 К) при коэффициенте перенапряжения, определенном из экспериментального значения у, равном 12. Поэтому перенапряженные цепи, ответственные за процесс разрыва, характеризуются огр = 12 ГПа, что соответствует <т№=12 ГПа — предельной прочности, рассчитанной из энергии разрыва С—N-связи.[1, С.51]

... отрезано, скачайте архив с полным текстом ! Полный текст статьи здесь