Удельная необходимая работа разрушения смесей, усиленных короткими волокнами и частицами

13.08.2015

Музакис с сотр. недавно применили метод HPP для описания разрушения композитов ПП-стеклянные шарики-СЭБС. Образцами СЭБС служили материалы с коммерческими названиями Kraton G1652 и FG 1901Х, которые уже упоминались выше. Для измерения wf по кривым нагрузка-прогиб использовались образцы SENТ, а результаты анализировались по уравнению (20.22). При введении в матрицу ПП стеклянных шариков имела место выраженная пластическая деформация. Было найдено, что we возрастала при увеличении количества каучукового модификатopa. Однако СЭБС с привитым MA изменял морфологию композита и резко снизил величину wp, которую можно было рассчитать из пластического объема. Ввиду идентификации роста трещины в композитах ПП-стеклянные шарики, метод J-интеграла был неприменим. Метод HPP предоставляет альтернативное средство для описания разрушения.
1. Смеси ПА-66-ПП-СЭБС-g-MA, упрочненные короткими стеклянными волокнами
а. Эксперимент. Материалы матриц, используемые в смесях ПА-66-ПП-СЭБС-g-MA, усиленных короткими волокнами (SGFR) были такими же, как при использовании неусиленных смесей ПА-66-ПП-СЭБС-g-MA. Короткие стеклянные волокна (6 мм длиной и 13 мкм диаметром) предварительно смешивались с сухой матричной смесью в соотношении стекло-полимер 20/80 (все составы даны в %вес.). Усиленные волокнами смеси ПА-66-ПП-СЭБС высушивались при температуре 80 °С в вакуумном термошкафу при пониженном давлении, а затем при температуре от 280 до 285 °C приготовлялся композит. Гранулы перерабатывались в прямоугольные бруски литьем под давлением при температуре 260 °C.
Для проверки эквивалентности we и Jc была выбрана геометрия SENB. Для испытаний HPP образцы с надрезом с различной длиной перемычки готовились механическим способом с помощью алмазной пилы; первичные трещины в диапазоне 0,10 < a/W < 0,88 готовились введением нового бритвенного лезвия в вершину надреза и постукиванием по нему. Также определялась ударная вязкость по J-интегралу с применением той же самой геометрии SENB, но отношение a/W ограничивалось до величины 0,5 и 0,65, a S/W устанавливалось на 4 (L = 82 мм, W = 12,6 мм и В = 5,8 мм).
б. Результаты и обсуждение. В табл. 20.3 собранные данные по wlc, Jlc, βwp и dJ/da для смесей SGFR ПА-66-ПП, модифицированных в различной степени малеинизированным СЭБС. Напомним, что различные уровни прививки MA достигались смешением нефункционализированного СЭБС (содержание MA 0% MA) с функционализированным СЭБС-g-MA (содержание MA 1,84%). Для всех смесей SGFR были получены хорошие линии линейной регрессии между wf и l (см. рис. 20.16), что указывает на то, что Wp в удовлетворительной степени пропорциональны l2.
Удельная необходимая работа разрушения смесей, усиленных короткими волокнами и частицами
Удельная необходимая работа разрушения смесей, усиленных короткими волокнами и частицами

Экстраполяция wf на нулевую длину перемычки при уровне прививки MA 0,37 %вес. дает wle = 9,6 кДж/м2. Это число относится к величине плоскостной деформации, если критерий по толщине образца в соответствии с уравнением (20.24) удовлетворен. То есть при уровне MA 0,37% σy = 45 МПа; отсюда минимальная величина В равна 5,3 мм, что меньше толщины 6 мм образцов SENB. (Подобные расчеты для других составов смеси показывают, что величины плоскостной деформации wle безусловно получаются при применении метода НРР.) Отметим, что при l меньшей 2 мм в смеси с малеинизированием 0,37% две точки лежат ниже прямой. Это непосредственный результат эффекта оболочка-сердцевина в образцах термопластов с усилением короткими волокнами (SFRT), приготовленными литьем под давлением: в них поверхность имеет недостаточную концентрацию волокон. Более равномерная концентрация волокон наблюдается в центральном слое при 0,2 < l/W < 0,8. Это относится к смесям СЭБС с уровнем прививки MA 1,84%.
Отсюда следует, что необходима осторожность при применении метода HPP к смесям SGFR, проявляющим морфологию типа оболочка-сердцевина. Данные HPP для образцов, в которых доминирует эффект оболочки, не должны учитываться при анализе, основанном на уравнение (20.22). Иначе будут получены неверные значения we, поскольку величина wf для очень малых перемычек вблизи свободной поверхности образца не является представительной в отношении процесса разрушения в центре пластинки.
На рис. 20.17 показаны кривые J-R для малеинизированных смесей SGFR ПА-66-ПП. Очевидно, что величина Jlc, полученная при использовании серии образцов с экстраполяцией на нулевую длину перемычки (то есть 10,8 кДж/м2) находится в очень хорошем согласии с величиной wle, полученной методом HPP (9,6 кДж/м2) (см. табл. 20.3). Процедура ASTM E813-87 с линией отступа 0,2 мм дает Jlc = 12,1 кДж/м2, что немного превышает приведенные выше значения и не является истинной величиной инициации трещины, как обсуждалось ранее. Тем не менее, различие для этих смесей SGFR не слишком значительное.
Для смеси SGFR ПА-66-ПП с немалеинизированным СЭБС было невозможно использовать метод J-интеграл с измерением серии образцов для оценки вязкости при разрушении от плоскостной деформации: не определяется ни зона индуцированного напряжением побеления, ни стабильный рост трещины. То есть метод HPP является более мощной процедурой для описания ударной вязкости для образцов SFRT, что видно на рис. 20.16.
В табл. 20.3 проведено сравнение данных по для всех смесей SGFR, и можно видеть, что эти величины уменьшаются с повышением уровня MA. Интересно, что βwp для смесей с малеинизированием 0 и 1,84% одинаковы, что указывает на низкое поглощение пластической энергии вне зоны развития разрушения. При сравнении величин dj/da с величинами βwp для смесей, получается постоянное отношение, равное приблизительно 4. Используя уравнение (20.25), мы показали, что это отношение равно 4 при геометрии DENT и DCNT, но равно 2 при геометрии DSEN. Подобный расчет для образцов SENB, использовавшихся в этих испытаниях, также давал отношение 2. Однако экспериментальные результаты показывают, что коэффициент поправки на форму зоны пластической деформации, равный 3 в геометрии SENB (от эллиптической до круговой), не такой, как в геометрии DSEN (треугольной), но близок к величине для геометрии DENT (круговой). Следовательно, при одинаковых длинах перемычек βwр для геометрии SENB меньше, чем для геометрии DSEN, и ближе к величине для геометрии DENT. Таким образом, отношение должно стремиться к 4, а не к 2, что и показывают эти результаты. Теоретическое обоснование для этих выводов, однако, еще не получено.
Удельная необходимая работа разрушения смесей, усиленных короткими волокнами и частицами