Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

26.08.2015

Экспериментальные исследования структурных изменений, сопровождающих деформирование композитов, позволяют составить определенное представление о сущности физических явлений, которые могут быть причинами эффектов, отмеченных выше.
Установлено, что важнейшим феноменом, сопровождающим деформирование композитов, является микроскопическое нарушение их сплошности. Факт существования в наполненных полимерах разрывов сплошности (микропористости) известен давно. Еще отмечалось, что при растяжении каучуков, содержащих твердые включения, вокруг последних наблюдаются поры, возникающие вследствие отрыва каучука от поверхности частиц.
Также давно известно, что именно повреждения становятся главной причиной размягчения композитов при деформировании. Наиболее обстоятельно это явление исследовал Маллинз, чьим именем оно и было названо. Маллинз показал, что повреждения в системах каучук — наполнитель возникают не только за счет расслоений и внутренних разрывов сплошности матриц, по и на молекулярном уровне вулканизационных сеток.
Важная особенность рассматриваемого эффекта связана с тем, что отслаивание матрицы от наполнителя является кинетическим (временным) процессом. Это можно наблюдать по изменению объема образцов при испытаниях на ползучесть, описанных, где показано, что ползучесть наблюдалась только как результат прогрессирующей микроповрежденности без участия упруговязких проявлений матрицы. В другой работе установлено, что и релаксация напряжений может определяться развивающимся в материале порообразованием.
Возникновение поврежденности обусловлено значительной механической гетерогенностью композитных материалов, в которых жесткость матрицы во много раз меньше жесткости частиц наполнителя. В результате макродеформация структуры реализуется только через микродеформации матричных прослоек, разделяющих частицы. При объемных концентрациях наполнителя более 20% эти деформации получаются такими большими, что система оказывается неспособной их выдерживать без нарушения сплошности даже при умеренных макроскопических деформациях образцов.
Наблюдают несколько видов микроповреждений, что обусловливается свойствами матрицы и прочностью ее скрепления с наполнителем. Когда скрепление слабое, а матрица весьма эластична, поврежденность реализуется как отслоение матрицы от поверхности частиц с образованием поры (вакуоли).
Опыт показывает, что вакуоли, возникающие вокруг многих близко расположенных частиц, — достаточно устойчивые образования. Две вакуоли, встретившись концами, никогда не соединяются (рис. 7) Вакуоли сохраняют свою индивидуальность, пока не разрушится их стенка, что происходит вблизи линии контакта матрицы с экваториальной зоной частицы. Чем выше собственная разрывная деформация матрицы, тем позже наступает этот момент. Высокая собственная эластичность эластомерных матриц обусловливает сохраняемость поврежденных отслоениями композитов до очень больших деформаций даже при значительных объемных наполнениях твердой фазой.
Когда собственные разрывные деформации матрицы невелики (10-30%), а ее скрепление с поверхностью частиц значительно, разрывы появляются внутри матрицы у поверхности частиц в форме слабо раскрытых поперечных трещинок, которые легко сливаются друг с другом, формируя быстро растущие более крупные поперечные трещины (рис. 8).
Если при растяжении на образец (рис. 9, а) налагают внешнее гидростатическое давление, то в случае мягких эластомерных матриц происходит уменьшение пористости (рис. 9, б), сопровождаемое повышением жесткости материала в результате усиления упругой напряженности матрицы и действия других факторов, которые будут рассмотрены в дальнейшем. Усиление композита давлением не может быть беспредельным. Оно прекращается после того как пористость системы приближается к нулевой и материал становится практически сплошным. Действие давления на сопротивление растяжению композитов ослабевает при использовании матриц с высокой жесткостью.
Поросодержащие поврежденные системы должны обладать значительной (по сравнению с обычной) объемной сжимаемостью. В связи с тем, что величина пористости увеличивается с ростом деформации, коэффициент объемного сжатия композитов, накапливающих поврежденность, становится переменным, сильно меняющимся материальным параметром.
Образование вакуоли вокруг включения приводит, как показывают опыты, к проскальзыванию матрицы вдоль поверхности включения, сопровождаемому межфазным трением (фрикцией), которое в качестве нового диссипативного механизма, по-видимому, и обусловливает остаточные повторяющиеся гистерезисные петли, показанные на рис. 3. Повышение давления, увеличивая площадь контакта матрицы с включением, должно усиливать фрикционные потери, однако только до определенного предела, который достигается, когда вся поверхность включения становится поверхностью трения.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

Роль микрофрикции в формировании свойств композита в литературе освещена недостаточно. Представлялась целесообразной постановка специальных экспериментов, в которых фрикционная диссипация не была бы затемнена диссипативными процессами иной природы.
Технология приготовления композита состояла в смешивании порошкообразного хлористого калия с сырым полибутадиеновым каучуком, пластифицированным на 50% низковязким (около 0,001 Па-с) маслом. Затем нагреванием осуществляли поперечное сшивание молекул каучука, переводя матрицу из текучего состояния в упругое. Приготовленные образцы содержали 55% по объему частиц хлористого калия размером около 200 мкм и имели форму двусторонних лопаток с рабочей частью длиной 40 мм и поперечными размерами 5x7 мм. Поверхность образцов покрывали тонкой высокоэластичной пленкой бутадиенстирольного термоэластопласта, чтобы защитить образцы от проникновения в поры воздуха при наложении давления.
Образцы готовили к испытаниям путем предварительных циклических растяжений и сокращений при некоторой заданной амплитуде деформации до получения повторяющихся гистерезисных петель. Таким способом устранялась необратимая Маллинзова диссипация. Применение сильно пластифицированной матрицы делало ее собственную вязкость пренебрежимо малой (при принятых режимах испытания гистерезисные потери в ненаполненной матрице не наблюдались). Собственно испытания заключались в растяжении образцов со скоростью 3 мм/мин с последующим возвратом к нулевой нагрузке при той же скорости. Температура испытаний комнатная. Опыты проводили при нескольких внешних давлениях от 0,002 до 0,58 МПа, которые создавали в приборе перед началом испытания.
Нa рис. 10, а показана последовательность изменения гистерезисных петель во время предварительной подготовки образца циклическими нагружениями. Первоначальные значительные потери работы уменьшаются и после пятого цикла начинают повторяться.
Затем получены гистерезисные петли при внешних давлениях 0,002; 0,1, и 0,4 МПа (рис. 10, б). Видно, что фрикционные потери значительно возрастают при повышении внешнего давления, в то время как ненаполиенный матричный эластомер своих свойств с повышением давления не изменяет.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

Эти же опыты показали, что наложение внешнего давления на поросодержащий образец увеличивает сопротивление последнего за счет не только усиления фрикционного сопротивления, по и возрастания упругого сопротивления матрицы в связи с ее большей деформацией, о чем можно судить по значительному возрастанию среднего наклона гистерезисных петель (см. рис. 10, б).
Испытания выявили, что образцам с накопленной поврежденностью свойственна релаксация напряжений, причиной которой может быть только фрикция, поскольку предварительная обработка образцов исключала Маллинзову поврежденность и вязкоупругость матрицы. Так как фрикционное сопротивление оказалось чувствительным к внешнему давлению, было предположено, что и фрикционная релаксация напряжений должна вести себя подобным же образом.
Опыт выполняли на образце, содержащем 35% по объему наполнителя, Образцы подготавливали по схеме, описанной выше. Релаксационные кривые (деформация 25%) определяли при давлениях 0,002; 0,1 и 0,4 МПа. Из рис. 11, где приведены результаты, следует, что, действительно, при низком внешнем давлении, когда площадь сцепления матрицы с наполнителем незначительна, релаксация напряжений в образце выражена слабо, тогда как при давлении 0,4 МПа она заметно возрастает.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

Полученные результаты, при обнаружении значимости фрикционного механизма, не давали достаточно полного представления о самом этом механизме, специфичность которого заключается в том, что одно из трущихся контртел (эластомер) в структуре зернистых композитов способно значительно увеличивать поверхность трения при деформировании.
Чтобы получить хотя бы качественное представление о закономерностях фрикции в повреждаемых зернистых композитах, были спроектированы и исследованы физические модели, отображающие это явление по возможности освобожденным от других влияний.
Первое устройство (рис. 12) представляло собой стальной стержень 2 в контакте с резиновой трубкой 1, жестко скрепленной одним концом со стержнем. Второй конец трубки был закреплен на стальной втулке 3, свободно перемещающейся по стержню. Стержень и втулку фиксировали в зажимах машины для растяжения. Полость трубки была герметизирована, поэтому при растяжении внутренняя поверхность резиновой трубки прижималась к стержню атмосферным давлением. Усилие растяжения представляло упругое сопротивление трубки, заторможенное трением о поверхность стержня. Очевидно, что в ходе испытания поверхность трения возрастала.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

Гистерезисная кривая (рис. 13, а), сформированная действием двух указанных причин (собственное вязкое сопротивление резины было пренебрежимо мало), по форме качественно близка к соответствующим опытным данным. Неполное сокращение трубки при обратном ходе указывает на наличие трения покоя.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

Нa этом же приборе исследовали фрикционную релаксацию путем быстрого растяжения трубки с последующей фиксацией деформации (рис. 13, б). Механизм этого процесса заключается в следующем. Растяжение трубки при наличии фрикционного торможения неравномерно. Оно возрастает от точки фиксации трубки со стержнем к точке скрепления трубки с движущейся втулкой. После фиксации вытяжки указанная неравномерность продольной деформации частично компенсируется сокращением наиболее растянутых участков за счет растяжения менее вытянутых. Указанный процесс протекает во времени и приводит к некоторому спаду сопротивления системы.
Опыты на стержневом приборе показали, что фрикционное сопротивление зависит от давления и от скорости скольжения полимера вдоль поверхности контакта. Для получения хотя бы общего представления об этой зависимости был сконструирован и испытан второй прибор (рис. 14). Полимерный образец в форме цилиндрической втулки 1 с внутренним каналом вложен в металлическую перфорированную оболочку 4, предохраняющую его от сжатия во время испытания. Образец помещают в герметичную камеру 3 надетым со скользящей посадкой на стальной стержень 2. Камера имеет подвод давления, которое измеряется образцовым динамометром 5. Устройство закрепляют в зажимах испытательной машины, перемещающей стержень и измеряющей усилие трения.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

В качестве полимера использовали образец пластифицированного диметилстирольного термоэластопласта с внутренним диаметром 10 мм, внешним диаметром 30 мм, длиной контакта 40 мм и модулем Юнга 0,15 МПа. Испытания вели при скоростях скольжения 0,1; 1; 10 и 100 мм/мин и давлениях от 0,1 до 0,5 МПа (полученные результаты см. па рис. 15). Удельная сила трения нелинейно зависит от давления и скорости скольжения. Экстраполяция зависимости на нулевую скорость скольжения дает кривую зависимости силы трения покоя от давления.
Экспериментальные исследования структурных изменений композитов

Результаты опыта позволяют представить общий (макетный) характер искомой зависимости, которая вряд ли претерпит кардинальные изменения при изменении вида трущихся пар.
Рассмотрение феноменологии деформирования зернистых композитов и анализ опытных исследований структуры приводят к выводу, что в структурно-механической проблематике явление повреждаемости, обусловливающее нелинейную связь между деформациями и усилиями, необратимость свойств (размягчение) при повторных нагружениях, нелинейную объемную упругость, чувствительность сдвигового сопротивления к среднему напряжению, появление фрикционной диссипации играет ведущую роль. Поэтому оно должно быть учтено в первую очередь при построении математических структурно-механических моделей.