Феноменологические наблюдения за поведением зернистых композитов

26.08.2015

Испытания композитов при простом одноосном нагружении обнаруживают ряд свойственных только им особенностей, совокупный учет которых очень затрудняет построение адекватных феноменологических описаний. Широко распространены испытания, при которых образцы растягивают с постоянной скоростью, фиксируя в качестве отклика материала его силовое сопротивление. Механическая характеристика материала чаще всего представляется зависимостью напряжения σ, вычисленного по отношению к начальному сечению образца, от деформации ε. Этот вид испытаний будет нами использован в основном при анализе механического поведения материала. Рисунки, приводимые далее, иллюстрируют общую закономерность, не отражая индивидуальность какого-либо конкретного композита. Указание численных значений деформаций, напряжений и других физических величин в связи с этим не имеет смысла. Количественные данные заинтересованный читатель может получить из литературных источников, приведенных в ссылках.
При рассмотрении формы кривых растяжения обращает на себя внимание прежде всего их нелинейный характер. Некоторые кривые, показанные на рис. 1, а, напоминают кривые пластического деформирования металлов. Однако в отличие от классической пластичности после разгрузки такой образец сокращается часто до начальной длины в течение короткого времени.
Феноменологические наблюдения за поведением зернистых композитов

Если в первом испытании образец не доводить до разрыва, то повторное и последующие растяжения до той же деформации обнаруживают изменение свойств образца (рис. 1,б): начальный модуль упругости уменьшается. С каждым циклом размягчение усиливается, однако во все меньшей степени, пока кривые не начинают совпадать.
Вызванное подобными циклическими испытаниями состояние размягчения может сохраняться в течение недель и месяцев. Поэтому с практической точки зрения изменение свойств можно считать необратимым.
Необычным представляется поведение образцов при повторных растяжениях с возрастающей амплитудой (рис. 2,а), когда скорость движения зажимов машины сохраняется неизменной. Увеличение амплитуды прогрессивно снижает начальные модули, однако сопротивление образца при переходе от меньшей амплитуды к большей не снижается (!), а продолжает возрастать, выводя кривую растяжения на уровень, характерный для одноразового испытания, пока образец не порвется. Аналогичная картина наблюдается, когда процесс растяжения прерывают остановками, во время которых происходит релаксация напряжения (рис. 2, б). При продолжении растяжения образец быстро "забывает", что он был размягчен предварительно релаксацией, и ведет себя, как нагруженный впервые.
Феноменологические наблюдения за поведением зернистых композитов

Необратимое размягчение является причиной потерь упругой энергии. Поэтому в циклах растяжение — сокращение возникают петли гистерезиса (рис. 3). Повторяя циклы несколько раз при постоянной амплитуде, наблюдают значительное сужение петель, однако они никогда не исчезают полностью. Первая гистерезисная петля как бы состоит из двух составляющих: уменьшающихся в последующих циклах механических потерь и воспроизводимых остаточных потерь.
Композиты рассматриваемого класса обладают временной чувствительностью, выражающейся в форме ползучести (рис. 4,а), релаксации (рис. 4, б), зависимости сопротивления от скорости растяжения (рис. 4, в).
Установлено, что растяжение образцов сопровождается заметным возрастанием объема, которое может достигать 20% и более (рис. 5, а). Наложение внешнего давления уменьшает объемные приращения. При этом повышается жесткость и прочность образцов (рис. 5, б).
Композиты — температурно-чувствительные материалы (рис. б), сильно увеличивающие сопротивление деформированию при переходе из области высокоэластического состояния в стеклообразное. Температурная чувствительность композитов отражает температурную чувствительность полимерных матриц и механизмов структурных превращений, сопровождающих деформирование. Ниже температуры стеклования композит превращается в твердый упругий материал с неоднородными свойствами на микроуровне.
Феноменологические наблюдения за поведением зернистых композитов

Предельные (разрушающие) характеристики композитов являются сложными функциями их структуры. Разрывные усилия и деформации зависят от прочностных свойств матрицы, силы скрепления ее с наполнителем, объемного содержания наполнителя, размера его частиц, режима испытания образцов (скорости растяжения, температуры, величины внешнего давления).
Феноменологические наблюдения за поведением зернистых композитов

Опыты показывают, что повышение концентрации наполнителя в эластомерных матрицах, когда диаметр частиц наполнителя превышает 10 мкм, приводит к уменьшению прочности и разрывной деформации композита. Если же размер частиц композита довести до 1 мкм, то увеличение его количества до определенного объемного содержания (около 0,4), наоборот вызывает значительное (в 10-20 раз) повышение разрывных усилий иногда при 2-4-кратном возрастании разрывных деформаций по сравнению с ненаполимернными матрицами.
Увеличение прочности скрепления матрицы с наполнителем обычно вызывает повышение прочности композитов и уменьшение их разрывных деформаций. Прочность и разрывные деформации композитов возрастают также и с увеличением прочности и разрывных деформаций матриц.
Сформулировать общее эмпирическое выражение относительно зависимости предельных характеристик от структурных особенностей композитов представляется затруднительным.
Феноменологические наблюдения за поведением зернистых композитов