Свидетельства множественного крэйзообразования

13.08.2015

Множественное образование микротрещин является доминирующим механизмом повышения ударной вязкости ударопрочного полистирола (УПС). Оно также играет важную роль в АБС и упрочненном каучуком полиметилметакрилате (УКПММА), в особенности при низких температурах. В полимерах всех трех классов матрица является хрупким термопластом, в котором возникают крэйзы при деформациях от 0,3 до 1,0 %, после чего быстро наступает разрушение. Прилагательное «стеклообразный» весьма подходит для этих прозрачных полимеров, потому что они ведут себя подобно упругим твердым телам вплоть до момента разрушения. Однако, как отмечалось в разделе I, все они очень пластичны в масштабе 1 мкм (внутри одиночной трещины) и могут поглощать большое количество энергии, если эта пластичность распространяется в большом объеме материала — результат, который можно достичь существенным увеличением образующихся мелких трещин.
Множественное крэйзообразование впервые наблюдалось в тонких срезах ударопрочного полистирола, которые растягивались на столике оптического микроскопа. Сильно деформированные крэйзы и связанные с ними частицы каучука проявляли значительное двулучепреломление и поэтому были хорошо видны в поляризованном свете. После этих первых наблюдений дальнейшие исследования крэйзообразования в упрочненных пластиках проводились на тонких срезах с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Срезы либо вытягивались на столике микроскопа (деформация in situ), либо делались с образцов, уже подвергнутых деформации. В последнем случае образцы обычно обрабатывались тетраоксидом осмия (OsO4), который упрочняет каучуковую фазу (см. главу 9) и осаждает осмий в крэйзах, что создает хороший электронный контраст в обеих частях образца.
Микроскописты всегда помнят о возможности возникновения артефактов в образцах и необходимости избегать неверной интерпретации своих данных. Это особенно важно, когда образец имеет пустые пространства, такие как трещины и полости в частицах каучука. Процедура получения среза может вносить повреждения, и структура, наблюдаемая в очень тонких срезах, не обязательно представляет объемный материал. Тем не менее многочисленные наблюдения методом ПЭМ, поддержанные данными других методов, подтверждают множественное трещинообразование в УПС, АБС и некоторых других упрочненных пластиках. Большие деформации (свыше 50%) могут достигаться в тех случаях, когда приложенное напряжение распределяется между фибриллами крэйз в матрице и фибриллами, несущими напряжение в каучуке, что часто выглядит очень похожим (рис. 22.4).
Независимое свидетельство множественного трещинообразования в УПС было получено Бакли с сотр., которые применили малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР) в реальном времени для отслеживания действия деформационных механизмов в ударно-растягиваемых образцах — техника, требующая источника рентгеновского излучения высокой интенсивности. Позже аналогичные эксперименты проводились Магальясом и Борггреве при низких скоростях деформации. Характерный рисунок рассеяния, связанный с фибриллами крэйз, был получен в обеих работах и использовался для определения долевого вклада трещин как в объемную деформацию, так и в растяжение испытуемого бруска. Обе группы пришли к выводу, что трещинообразование в матрице ответственно не более чем за 50% от объемного расширения в образцах УПС, и играет еще меньшую роль при деформации АБС. Эти результаты находятся в приблизительном согласии со свидетельством, полученным при исследовании тонких срезов, подвергнутых растягиванию на столике электронного микроскопа. Как видно на рис. 22.4, эти исследования продемонстрировали интенсивный крэйзинг в матрице, в особенности в УПС, и развитое фибриллизование каучуковой фазы, которое также должно давать характерный рисунок в МУРР. Оба метода подтверждают значимость кавитации частиц каучука и растрескивания матрицы при течении под растяжением УПС и АБС. Из данных ПЭМ ясно, что никакие другие механизмы образования полостей не дают существенного вклада в течение этих материалов.