Основные принципы повышения ударной вязкости

13.08.2015

В контексте материаловедения ударную прочность можно определить как способность материала сопротивляться разрушению посредством поглощения энергии. Обычно она выражается в количестве работы, которую необходимо произвести для образования единицы поверхности разрушения. Для жестких полимеров опубликованные данные содержат величины от 50 Дж*м-22 в высокосшитых эпоксидных смолах до 80 кДж*м-2 для упрочненных найлоновых смесей. Чтобы понять значимость этих цифр в общем плане, полезно рассчитать примерную общую толщину материала, вовлеченного в поглощение энергии. При напряжениях течения и разрушения жестких полимеров, составляющих, как правило от 25 до 100 МПа, при расчетах будем исходить, для примера, из предела текучести 50 МПа. При таком значении получаем, что хрупкие эпоксидные смолы, о которых шла речь выше, не могут иметь раскрытие трещины порядка 1 мкм, тогда как для очень прочных модифициованных каучуком найлонов эта величина может превышать 1 мм (то есть 1000 мкм). Такие смещения могут происходить из-за высоких локальных деформаций в малом объеме материала вблизи вершины трещины как при образовании микротрещины (крэйзы), так и при накоплении небольших деформаций в гораздо большем объеме.
Чтобы оценить полную толщину материала, дающую вклад в трещинообразующее смещение, необходимо соотнести среднюю кратность растяжения λ (= L/Lс), с полосами деформации или вовлеченными зонами. Максимальные кратности растяжения определяются концентрацией зацеплений цепей или (в случае реактопластов) плотностью сшивок — и то и другое можно определить по «плато модуля» полимера выше Tg, если материал некристаллический. Наиболее надежное свидетельство наличия этой взаимосвязи приходит из исследований крэйзов в стеклообразных термопластах, которые имеют типичные энергии образования поверхности разрушения Glc от 300 до 1000 Дж*м-2, а максимальные кратности растяжения составляют от 2 до 4. Эти цифры показывают, что Lo, исходная толщина материала, испытывающего большие деформации, составляет примерно 3 мкм с каждой стороны трещины. Локально, в крэйзе или зоне деформации, поглощение энергии на единицу объема полимера весьма высокое (порядка 100 МДж*м-3), но количестве материала, вовлеченного в это поглощение, очень ограничено, и поэтому разрушение хрупкое. В испытании механики разрушения кривая сила-прогиб имеет линейный характер.
Необходимость вовлечения больших объемов материала в поглощение энергии является основной проблемой для каждого, кто захочет увеличить ударную вязкость твердого полимера. Полистирол (ПС) и полиметилметакрилат (ПММА) способны поглощать большие количества энергии, но только на локальном уровне. Количество полимерного материала, вовлеченного в поглощение энергии при стандартных условиях испытания или при повседневном использовании слишком мало, чтобы обеспечить удовлетворительное сопротивление разрушению. Проблема становится особенно актуальной, если образец или изделие имеют трещину или острый надрез.
Базовым требованием для обеспечения ударной вязкости является необходимость того, чтобы наиболее напряженные области материала при достижении критической упругой деформации не только деформационно размягчались, но, в конечном счете, также деформационно упрочнялись. Другими словами, когда истинное напряжение строится в зависимости от кратности растяжения, наклон кривой должен сначала уменьшаться, а затем увеличиваться, как показано на рис. 22.1, а. Если материал в вершине надреза не размягчается, не течет и не тянется, то будет распиваться лишь небольшое количество энергии: очень высокое сопротивление течению характерно для материалов с сильной ковалентной или ионной связью, таких как алмаз или стекло. Если материал, напротив, течет и тянется, но фактически не упрочняется, концентрация напряжения в вершине надреза приведет к разрушено на относительно низкой стадии деформирования. Оба типа поведения показаны на рис. 22.1.
Основные принципы повышения ударной вязкости

Термопласты, и в особенности кристаллические термопласты, хорошо отвечают этим требованиям для достижения высокой ударной вязкости при условии, что они имеют достаточно большой молекулярный вес. Слабые взаимодействия между полимерными цепями ограничивают сопротивление сегментальному движению, в то время как ориентация сегментов цепей при течении материала создает эффективный механизм деформационного упрочнения. Трудность состоит в реакции этого потенциала, в особенности в ограниченных условиях вершины трещины.
В последние годы стало ясно, что оптимизация повышения ударной вязкости с помощью каучука требует, чтобы каучуковые частицы испытывали поочередно деформационное размягчение и деформационное упрочнение. Во-первых, образование полостей в каучуковой фазе, получившее название кавитации частиц каучука, способствует ослаблению сопротивления частиц деформации, инициирует течение в матрице при умеренных напряжениях и допускает холодную вытяжку, несмотря на ограничения, наложенные на вершину трещины. Затем, на более поздней стадии деформации растяжение каучуковых фибрилл внутри частиц с полостями приносит значительную долю деформационного упрочнения. Это сочетание реакций на приложение нагрузки делает кавитацию частиц каучука эффективным откликом на трехосное растягивающее напряжение, создаваемое в вершине трещины, потому что оно позволяет окружающей матрице деформироваться всеми доступными механизмами. Матрица может отвечать сдвиговым течением, множественным крэйзообразованием, или и тем и другим, в зависимости от ее свойств, а деформированные каучуковые частицы затем стабилизируются в наиболее деформированных областях полимера. Современные представления о трех ключевых процессах — кавитации, сдвиговом течении и множественном крэйзообразовании — будут предметом рассмотрения в следующем разделе.