Измерение прочности границы «полимер-полимер»

13.08.2015

Поскольку граница между двумя материалами, как правило, имеет значительно меньшую ударную вязкость, чем каждый из контактирующих материалов, следует ожидать, что трещина будет скорее распространяться вдоль межфазной границы, чем через один из контактирующих материалов. Можно также ожидать, что пока трещина распространяется вдоль границы, измеренная ударная вязкость будет независима от геометрии образца. Однако ни одно из этих ожиданий не подтверждается однозначно на практике, и наблюдаются исключения, в особенности в материалах, которые разрушаются путем образования микротрещин (крэйз).
Ударную вязкость границы проще всего измерить в системах, в которых граница плоская. В ситуациях, в которых оба полимера стеклообразные, в большинстве опубликованных работ использовались образцы типа «сэндвич», вырезанные в форме двойного консольного стержня. Нагружение образца путем вставления клина часто — бритвенного лезвия) оказалось вполне удобным. Также использовались компактные образцы для испытаний на растяжение. В материалах с возникающими крэйзами часто бывает необходимо тщательно подбирать толщину двух слоев (рис. 23.1), чтобы обеспечить движение трещины вдоль границы раздела без отклонений либо первичной трещины, либо вторичных крэйз в объем материала и, таким образом, получать минимальное значение ударной вязкости. В большинстве опубликованных в последнее время работ использовались образцы в форме такого асимметричного двойного консольного стержня (аДКС). Предположение, что самая правильная величина — это минимальная ударная вязкость, является «концепцией занижения», связанной происхождением с механикой разрушения строительных элементов. He вполне очевидно, применима ли она к смесевым конструкциям, где границы раздела искривлены, и локализованное повреждение не обязательно создает проблему.
Измерение прочности границы «полимер-полимер»

Рисунок упругого напряжения в вершине трещины можно описать в терминах двух компонентов интенсивности напряжения, KI и KII. Как говорилось ранее, KI относится к открытому режиму нагружения, при котором напряжения, действующие на плоскость трещины перед ее вершиной, являются растягивающими, a KII относится к сдвиговому нагружению, при котором напряжения перед трещиной, в основном, создают плоскостной сдвиг. Отношение между двумя режимами описывается параметром «наложение» (mixity) ψ, причем tg ψ = KII/KI. Автор этой главы, который первым предложил использовать образцы аДКС для исследования межфазных полимерных границ, поначалу полагал, что для того, чтобы получить минимальную ударную вязкость, амплитуда наложения должна быть просто выше минимального значения, если знак выбран так, что трещина проталкивается в материал с более высоким сопротивлением крэйзообразованию (которое условно отрицательно). Однако более поздние работы показали, что ударная вязкость проявляет тенденцию демонстрировать минимум в зависимости от наложения. Во многих системах этот минимум очень широкий, так что диапазон геометрий образцов может дать подобный результат. Когда один из материалов имеет низкое сопротивление крэйзообразованию, как, например, полистирол, минимум может быть весьма узким, что видно на примере рис. 23.2.
В материалах, образующих крэйзы, увеличение ударной вязкости от минимального значения вызывается ростом вторичных крэйз вне плоскости раздела фаз в материал с низким сопротивлением крэйзообразованию. Когда наложение более положительно, чем величина, при которой ударная вязкость достигает минимума, вторичные крэйзы проявляют тенденцию к росту под малым углом к направлению распространения трещины вдоль границы фаз; при этом основная трещина иногда отходит от границы вдоль такой крэйзы, а затем возвращается назад на границу раздела. В этих процессах может рассеиваться значительная энергия. По мере увеличения наложения, основная трещина стремится к распространению в материал с низким сопротивлением крэйзообразованию и, таким образом, разлому образца. В этом случае основная трещина, очевидно, не выбирает путь с минимальной энергией, а ее направление распространения определяется направлением распространения микротрещины.
Измерение прочности границы «полимер-полимер»

Поскольку наложение более отрицательно, чем величина, необходимая для задания минимальной ударной вязкости, крэйзы проявляют тенденцию к зарождению на границе раздела перед основной трещиной и ее первичной крэйзы. Эти микротрещины зарождаются в области, где напряжение имеет, преимущественно, характер гиростатического растяжения, но при низком наложении имеется также небольшой сдвиговой компонент. Крэйзы растут в материал c низким сопротивлением крэйзообразованию нормально к максимальному главному напряжению — то есть примерно 45° к границе раздела — и назад к трещине. Эти крэйзы с наклоном назад неизбежно ограничены в размере и, таким образом, не вызывают столь быстрого увеличения ударной вязкости с увеличением наложения, как в случае трещин с передним наклоном.
В материалах, которые разрушаются течением или сочетанием течения и крэйзообразования, ударная вязкость границы раздела не чувствительна к наложению, как в случае материалов, склонных к крэйзообразованию, но наложение может, тем не менее, играть важную роль.