НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ХІМІЇ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК

ЗАЗИМКО Наталія Михайлівна

УДК 678:541.64:539.3

ВПЛИВ СТРУКТУРИ НА ДИНАМІЧНЕ РУЙНУВАННЯ ОПТИЧНОЧУТЛИВИХ ПОЛІМЕРІВ

01.04.19 – фізика полімерів

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному педагогічному університеті імені

М.П. Драгоманова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук,

член-кореспондент АПН України, професор

Шут Микола Іванович,

Національний педагогічний університет імені М.П.Драгоманова, завідувач кафедри загальної фізики

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук

Клепко Валерій Володимирович,

Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України,

провідний науковий співробітник відділу молекулярної фізики полімерів

кандидат фізико-математичних наук

Алєксєєв Олександр Миколайович,

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,

старший науковий співробітник кафедри молекулярної фізики

Провідна установа:

Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова МОН України,

кафедра загальної та хімічної фізики, кафедра теплофізики

Захист відбудеться „12” жовтня 2005 р. о 14 годині на засідання спеціалізованої вченої ради Д 26.179.01 Інституту хімії високомолекулярних сполук НАН України / 02160, м. Київ, Харківське шосе, 48; тел. (044)559-13-94, факс (044)552-40-64 /

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії високомолекулярних сполук НАН України (м. Київ, Харківське шосе, 48)

Автореферат розіслано „ 5 ” вересня 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.179.01

доктор хімічних наук Ю.М. Нізельський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для вирішення різних задач сьогодення широко використовуються полімери і композиції на їх основі. Тому велика увага приділяється дослідженням різних способів модифікації структури і властивостей полімерів з метою поліпшення їх експлуатаційних характеристик, що відповідають певним умовам застосування. Однією з важливіших проблем фізики та механіки полімерів є встановлення закономірностей втомного і динамічного руйнування полімерів та дослідження впливу їх структури на процес руйнування, та можливостей впливу на процеси руйнування зміни властивостей полімеру під час структуроутворення.

Оптична активність поліметилметакрилату (ПММА) та епоксидних діанових смол (ЕД-16, ЕД-20) відкриває можливості застосування поляризаційно-оптичного (ПО) методу для вивчення закономірностей їх руйнування. В останні десятиріччя досягнуті значні успіхи в області вивчення структури на різних рівнях її організації і фізичних властивостей вказаних полімерів. Виявлений значний вплив надмолекулярних структур на їх механічні властивості, особливо на міцність. Проте важливим та актуальним є проведення досліджень структури, релаксаційних властивостей і їх впливу на процеси динамічного руйнування в оптичночутливих полімерах, які широко використовуються в машинобудуванні як елементи деталей та їх конструкцій.

Ступінь дослідження тематики. Дослідження фізичних і, зокрема, деформаційних властивостей лінійних і сітчастих полімерів розпочалися з середини минулого сторіччя. За цей час з’ясовані особливості синтезу вказаних полімерів, досліджені механічні і теплофізичні властивості, релаксаційні процеси. Тим часом, практично відсутні відомості щодо впливу структури на міцність при різних швидкостях механічного навантаження та характеристик релаксаційних процесів. Немає чіткого пояснення експериментальних залежностей величини критичного коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) від швидкості навантаження. Не достатньо досліджений вплив зони попереднього руйнування на характер руху магістральної тріщини.

Дана робота проведена в рамках наукових досліджень кафедри загальної фізики НПУ імені М.П.Драгоманова за темою: “Теплофізичні та електричні властивості, релаксаційні процеси в металонаповнених конструкційних композиційних матеріалах” (2001- 2004 р.р.) номер державної реєстрації № РК 0103U004012.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи було визначення впливу структури та релаксаційних переходів на характеристики втомного та динамічного руйнування ПММА та епоксидних полімерів на основі олігомерів ЕД-16, ЕД-20, вивчення впливу на структуру, та механічні властивості зовнішніх магнітних полів.

Для досягнення поставленої мети в процесі дослідження були поставлені такі завдання:*

Вивчити вплив структури та релаксаційних процесів в ПММА і епоксидних полімерах на основі олігомерів ЕД-16, ЕД-20 на їх міцність при статичних та динамічних навантаженнях.*

Визначити вплив магнітного поля на структуроутворення епоксидних полімерів, затверджених в постійному магнітному полі (ПМП). Встановити вплив параметрів ПМП і часу обробки на орієнтацію макромолекул та зміну їх пружних, оптичних і електричних характеристик. *

Розробити методику експериментального дослідження процесу початку (“старту”) та поширення магістральної тріщини в твердих оптичночутливих полімерах, ініційованої імпульсом розтягу в широких межах швидкості деформування.*

Сформулювати критерій зрушення і поширення тріщини. Дослідити взаємозв’язок між параметрами, що описують процес руйнування на різних його етапах. *

Дослідити закономірності утворення мікроруйнувань перед вершиною тріщини.

Об’єкти досліджень – поліметилметакрилат (ПММА) (показник заломлення при температурі 21єС п 1,4930) та затверджені поліетиленполіаміном (ПЕПА), малеїновим (МА) і тетрагідрофталевим ангідридами (ТГФА) епоксидні смоли ЕД-16 та ЕД-20 (показник заломлення при температурі 21єС п 1,61).

Предмет дослідження – закономірності процесів структуроутворення, релаксаційних процесів, процесів динамічного руйнування в ПММА і затверджених ангідридами (МА, ТГФА) та поліетиленполіаміном (ПЕПА), епоксидних смол ЕД-16, ЕД-20; виявлення взаємних зв`язків між величинами, що характеризують процес тріщиноутворення на різних його стадіях.

Методи дослідження. Для дослідження впливу структури на процес динамічного руйнування були використані: поляризаційно-оптичний метод дослідження динамічних напружень; методи рентгеноструктурного та фрактографічного аналізу (встановлення мікроструктурних особливостей поверхні руйнування); методи оберненого маятника і вимушених резонансних коливань (визначення механічних, динамічних та релаксаційних властивостей).

Наукова новизна.

- У роботі вперше виконано комплексні дослідження мікроструктури, умов старту і розвитку магістральної тріщини у зразках поліметилметакрилату і епоксидних полімерів, вивчено закономірності та особливості втомного і динамічного руйнування.

- Встановлено, що деформація розриву р у крихкому стані дорівнює 2 – 5% , а у високоеластичному стані 25 – 28%. У квазікрихкому стані р зростає до 15%. В області - релаксації, коли видовження полімеру до розриву досить велике (250%) – процес руйнування відбувається, головним чином, через розрив хімічних зв’язків у ланцюгах з високоорієнтованим станом.

- Механічні втрати при релаксаційних процесах, які спостерігаються при динамічних випробуваннях (періодичні деформації), можна порівнювати з максимумами міцності при випробуваннях на розривній машині тільки в областях крихкого і квазікрихкого руйнування, де розривні деформації малі і мають один порядок величини з амплітудами деформацій при динамічних випробуваннях.

- Головним процесом руйнування ПММА є термофлуктуаційний розрив хімічних зв’язків, а процеси релаксації впливають на швидкість процесу руйнування та на величину розривного напруження.

- Показано, що максимуми механічних втрат при релаксаційних переходах відповідають максимумам міцності на температурних залежностях.

- Встановлено, що епоксидний полімер затверднений в ПМП стає анізотропним не лише по відношенню до пружних властивостей, але й оптичних та електричних. Орієнтація макромолекул зростає зі збільшенням часу обробки у постійному магнітному полі.

- Встановлено, що в процесі старту і поширення магістральної тріщини значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) визначається не лише діючим на береги тріщини розтягуючим напруженням, але і всією передісторією навантаження.

Практична цінність. Встановлені закономірності процесів руйнування та взаємозв’язки особливостей динамічного руйнування в оптичночутливих полімерів створюють основи для цілеспрямованого регулювання їх структури і динамічної міцності.

Розроблені методики експериментального дослідження процесу поширення тріщини в твердих оптичночутливих полімерах, ініційованої імпульсним розтягом, дозволяють досліджувати залежність величин, що характеризують процес старту і поширення магістральної тріщини від амплітудночасових параметрів імпульсу розтягу.

Апробація роботи. Загальні положення дисертаційної роботи доповідались на: 2-й Міжнародній науково-технічній конференції “Композиційні матеріали” (Київ, 2001); V і VII Всеукраїнській конференціях “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики” (Київ, 2000,2002); VI і VIII Всеукраїнський конференціях “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”(Миколаїв, 2001, 2003); Міжнародній науково-практичній конференції “Структурна релаксація у твердих тілах” (Вінниця, 2003); V Українській конференції молодих вчених з високомолекулярних сполук (Київ, 2003); Х Українській конференції з високомолекулярних сполук (Київ, 2004).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено у 15 публікаціях (8 статтях, 7 тезах доповідей).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку цитованої літератури. Робота викладена на 131 сторінці комп’ютерного тексту, містить 40 рисунків, 5 таблиць, 125 посилань на роботи українських та іноземних авторів (12 стор.)

Особистий внесок автора – розробка методичних аспектів, організація і проведення експериментальних досліджень, обробка та інтерпретація експериментальних даних, узагальнення отриманих результатів, підготовка матеріалів до публікації в наукових журналах, збірниках доповідей, звітів. Спільно з д.ф.-м.н., проф. Шутом М.І. проводились планування окремих етапів роботи і аналіз одержаних результатів. У проведенні експериментальних досліджень та інтерпретації результатів приймали участь співробітники кафедри загальної фізики НПУ імені М.П. Драгоманова: к.ф.-м.н., проф. Касперський А.В., к.ф.-м.н., доц. Січкар Т.Г., к.ф.-м.н., доц. Левандовський В.В. (вплив магнітного поля на структуроутворення епоксидних полiмерів, визначення механічних, динамічних та релаксаційних властивостей), співробітники відділу геодинаміки вибуху ІГФ ім.С.І.Субботіна НАН України к.ф.-м.н., доц. Малежик М.П., к. ф.-м.н., ст.н.співр. Шеремет Г.П. (дослідження хвильових полів напружень та процесів динамічного руйнування, поляризаційно-динамічна установка).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано основні характеристики роботи: розкрито сутність і стан вивчення наукової проблеми, обґрунтовано доцільність проведення досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету, відзначено новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено дані про апробацію результатів і публікації, що відображають зміст роботи, і визначено особистий внесок здобувача у публікаціях.

У першому розділі проведено узагальнення і систематизацію літературних даних про структуру і властивості ПММА та епоксидних полімерів. Окреслено етапи розвитку наукових досліджень і фізичних особливостей руйнування полімерів під дією статичних та динамічних навантажень. Проведено аналіз відомих методів та методик дослідження механізмів руйнування та релаксаційних процесів у полімерах.

На основі аналізу літературних джерел обґрунтовано мету і завдання власних досліджень.

У другому розділі подано основні результати пластифікованого ПММА з вмістом дибутилфталату (ДБФ) і температурою склування Тg = 76°С. Випробовування зразків у вигляді смужки з довжиною робочої частини 10 мм, шириною 2 мм і товщиною 40 мкм здійснювали на розривній машині RS-2 фірми SHIMADZU (Японія) з швидкістю навантаження w = 3 МПа/с в інтервалі температур –100 ...+ 200°С.

Напруження розриву р при розтязі дорівнює:

р = р(0) (1+р)2

де р(0) і р – розривні напруження, розраховані на початковий поперечний переріз та поперечний переріз зразка на лінії розриву; р – деформація розриву при розтязі; - коефіцієнт Пуассона (для ПММА = 0,36). Результати дослідження подані на рис.1. На осі ординат відкладені напруження розриву р, а кожна точка на кривій є середнім значенням, отриманим з 5-ти випробувань.

Рис.1. Залежність напруження розриву від температури

Деформація розриву р у крихкому стані в температурному інтервалі від –100°С до Ткр = -20°С, складала величину 0,02 – 0,05. Для значення р = 0,05 розрахунок приводить до р = 1,03р(0). Дійсно, цей результат свідчить, що р - р(0) знаходиться в межах похибок вимірів. В інтервалі температур 0 – 80°С р = 0,12 – 0,15, що відповідає р = 1,10р(0).

В інтервалі температур Т (100 – 200°С) вищому за температуру склування Тg на високоеластичному плато - р 0,28 і, відповідно, р = 1,28р(0), швидкість навантаження w = d/dt наближено обчислювалася як w = dр/tр, за відомим співвідношенням:

р = С0 + С1 lg w,

де С0 і С1 – матеріальні константи теорії довговічності полімерів. Очевидно, що неточності у визначенні величини w , яка є аргументом логарифма, мало впливає на р.

Середнє квадратичне відхилення від істинного значення міцності при випробуванні n зразків дорівнює

А = /n

і для даних, представлених на рис.1, для n =5 зразків складало А = /2,23, де - середнє квадратичне відхилення для окремого виміру.

Для крихкого стану ПММА в інтервалі температур -100 … -20°С за нашими даними = 10-12% . Якщо = 12%, то А =5,38%. Абсолютна величина А у зазначеному інтервалі за міцності р = 150 МПа (рис.1) складала 7,2 МПа, що не перевищує максимуму міцності. В інтервалі 0 – 75°С - = 18% і А = 8,0%. Для рівня міцності в цьому інтервалі 40 МПа, відповідно, А = 2,5 МПа, що значно менше за - максимум. Вище температури - максимуму (0 – 200°С) = 25%, А = 6,9% і рівень міцності р 20 МПа. Для досліджуваного ПММА динамічна температура склування Тg , знайдена при w =3 МПа/с, складала 83°С і є близькою до температури Т = 86°С, що відповідає максимуму на рис.1. Це свідчить, що - максимум знаходиться в області переходу із склоподібного до високоеластичного стану.

На рис.1 показано, що перехід з крихкого стану в квазікрихкий (при –20°С) практично збігається за температурою з відомим із літератури 3 – релаксаційним переходом, а перехід із квазікрихкого стану в пластичний (при 60°С) - - релаксаційним переходом. Необхідно відзначити, що нижче Ткр зниження температури не призводить до зростання міцності (рис.1). Вона встановлюється на рівні 150 МПа. При цьому локальні відхилення від нього викликані впливом окремих релаксаційних процесів.

Порівняння механічних втрат при релаксаційних процесах, які спостерігаються при динамічних випробуваннях (періодичні деформації) із максимумами міцності при випробуваннях на розривній машині коректні в областях крихкого і квазікрихкого руйнування, де розривні деформації малі і мають один порядок величини з амплітудами деформацій при динамічних випробуваннях.

При випробуваннях на розривній машині в області - релаксації розрив відбувається за умов великих відносних деформацій зразка, отже у високоорієнтованому стані полімеру. Тому, на наш погляд, порівняння з даними динамічних випробувань є некоректні. У такому випадку процес - релаксації безпосередньо впливає на деформаційні властивості, і домінуючим процесом є деформація полімеру.

Досліджувався вплив ПМП на процес твердіння епоксидного компаунда - ЕД-16 (100 в.о.) + ПЕПА (10 в.о.). Процес твердіння здійснювався холодним способом. Об’ємний електричний опір rv вимірювався за допомогою тераометра МОМ-7. Комірка для вимірювання виготовлялася із фторопласту з вмонтованими латунними електродами. Тверднення олігомера в контрольних комірках відбувалося одночасно з робочими, але без дії магнітного поля. Робочі комірки розміщувалися між полюсами електромагніта у двох положеннях: площина електродів паралельна або нормальна до силових ліній ПМП. Вимірювання об’ємного електричного опору здійснювалося через певні проміжки часу, одночасно в контрольній і робочій комірці, в полях з фіксованими значеннями напруженості: 20103; 60103; 90103; 100103 А/м. На рис.2 подані залежності об’ємного електричного опору від часу для напруженості електричного поля 100103 А/м. Найбільш помітно ефект впливу магнітного поля на величину об’ємного електричного опору починає проявлятися при напруженості більшій за 60 103 А/м.

Рис.2. Залежність об‘ємного електричного опору від часу для напруженості 100·103 А/м: крива 1-Н-; крива 2 контрольний зразок; крива 3 – Н¦.

Отримані дані свідчать, що ПМП впливає на кінетику тверднення епоксидного полімеру, при цьому залежність електричного опору від напруженості ПМП має нелінійний характер. Тимчасовий електричний опір полімеру співпадає з вектором напруженості магнітного поля та істотно не змінюється по відношенню до контрольних зразків (рис.2). Значні зміни спостерігаються у напрямку по нормалі до вектора поля. Необхідно відмітити, що на початку процесу тверднення ( t=30ч60 хв) електричний опір полімеру зменшується у порівнянні з контрольним, далі опір нелінійно зростає і в кінці процесу перевищує опір контрольних зразків на 3-4 порядки. У напрямку вектора поля деякий час (?=120 хв) електричний опір суттєво не змінюється у порівнянні з контрольним зразком, проте надалі він дещо збільшується.

Отримані результати вказують на відміну в процесах тверднення у напрямку вектора ПМП і нормального до нього. Все сказане дає змогу зробити висновок, що зниження електричного опору у нормальному напрямку на початку реакції, свідчить про інтенсивне утворення і переміщення йонних утворень, які з‘являються в епоксидному олігомері внаслідок розкриття епоксидних груп. Завдяки цьому в даному напрямку в першу чергу активізуються процеси зшивання макромолекул. Зростання об‘ємного електричного опору у напрямку вектора ПМП є наслідком впливу швидкості зшивання макромолекул у нормальному напрямку. Помітне зменшення електричного опору у нормальному напрямку при t ? 140 хв викликає деяке збільшення електричного опору у напрямку вектора ПМП. Подібне збільшення спостерігається протягом всього процесу зшивання макромолекул.

Отримані результати показують, що під впливом ПМП змінюється характер поширення зшивання макромолекул в полімерах на основі епоксидної смоли ЕД-16 в процесі тверднення. У звичайних умовах реакція поширюється ізотропно. При полімеризації в магнітному полі проявляється анізотропія поширення фронту відносно вектора напруженості магнітного поля. Очевидно, що існує деякий переважний напрямок руху фронту зшивання макромолекул для відповідної напруженості ПМП. Такий напрямок розміщений у площині, нормальній до вектора напруженості поля . Переміщення зарядів у напрямку, нормальному до , пояснюється прецесією заряджених частинок навколо вектора напруженості з деякою частотою ?. Площина прецесії нормальна до вектора поля, а її напрямок визначається знаком заряду. Ймовірність зшивання макромолекул у цьому напрямі значно вища, чим у напрямку вектора напруженості ПМП. Отже, у фронті поширення виникають напрямки переважного поширення реакції, що є причиною виникнення анізотропії об’ємного електричного опору.

Таким чином, виявлено анізотропний характер об‘ємного електричного опору в залежності від величини ПМП і його напряму. Обробка полімеру під час тверднення постійним магнітним полем надає можливість регулювати властивості полімеру в потрібному напрямку, зокрема, підвищувати його електричну міцність.

У третьому розділі представлені розроблені навантажувальні пристрої до установки: перший з яких трансформує запасену в конденсаторах електричну енергію в імпульс розтягу за допомогою електромагнітної взаємодії провідників зі струмом; другий використовується для генерування імпульсу розтягом енергією продуктів вибуху. За допомогою вибухового методу можна ініціювати більш короткий імпульс розтягу, ніж при використанні електродинамічного методу, до переваг якого слід віднести можливість змінювати амплітудно-часові параметри імпульсу в більш широких межах, ніж під час вибуху. Аналіз результатів показав, що спільне використання обох методів дозволяє досліджувати залежність протікання процесу руйнування в широких межах параметрів імпульсу розтягу.

Для дослідження хвильових полів напружень та процесів динамічного руйнування на модельних матеріалах у відділенні геодинаміки вибуху ІГФ ім. С.І.Субботіна НАН України була створена поляризаційно-динамічна установка (ПДУ), яка відповідає необхідним вимогам. Блок-функціональна схема установки зображена на рис.3.

Для дослідження впливу амплітудно-часових параметрів імпульсу розтягу у(t) на процес тріщиноутворення необхідно реєструвати у(t) безпосередньо у зразка, перед початком дії навантаження на тріщину.

Оскільки тріщину ініціює плоска симетрична хвиля розтягу, то можна вважати, що її параметри не змінюються по осях х і z. Тому залежність можна реєструвати в одній точці поверхні зразка, застосовуючи для цього метод фотоелектронного запису порядків смуг ізохром.

Рис. 3. Блок-функціональна схема ПДУ.

1 –імпульсна лампа ІСШ-400-3; 2 –ударний стенд із досліджуваною моделлю (11); 3– високошвидкісний фотореєстратор СФР-2М; 4 – пульт управління; 5,6,7 –блоки затримки типу Г5-15; 8 - блок автоматичного регулювання затримки; 9,10 –елементи оптичного полярископа ; 12 – джерело живлення імпульсної лампи; 13 – імпульсний трансформатор для ініціювання роботи розрядника; 14 – електроенергетичний блок; 15 – зарядний пристрій; 16 –робочий розрядник; 17 – запам’ятовуючий осцилограф; 18 – пояс Роговського; 19 – додаткове джерело живлення імпульсної лампи; 20,21 – тензостанція і чотириканальний запам’ятовуючий осцилограф тензостанції.

Точка реєстрації знаходилася на відстані 25 мм від продовження осі тріщини. При поширенні імпульсу розтягу в тонкій пластинці виникають головні напруження нормальні () і паралельні (у||) хвильовому фронту, пов‘язані співвідношенням

у|| = н (4)

Тоді, розв‘язання задачі поділу напруг зводиться до системи рівнянь:

, (5)

де mp(t) – зміна в часі порядку смуг ізохром; d – розмір кроку.

Оскільки за старт і розповсюдження тріщини відповідає нормальна до фронту падаючої хвилі складова напруг, то надалі покладається, що (коефіцієнт 2 враховує симетричність імпульсу, що навантажує). Значення тр(t) знаходили із осцилограми зміни в часі порядку смуг ізохром у падаючі хвилі розтягу. Оскільки експериментальні дані для коефіцієнта інтенсивності і напруг розтягу імпульсу отримані за допомогою різних пристроїв, що реєструють, то необхідно передбачити можливість точного узгодження в часі залежностей КІ(t) і у(t) . Це стає можливим, якщо прийняти за початок відліку часу деякий процес, реєстрація якого можлива як на СФР, так і на запам'ятовуючому осцилографі. У якості такого процесу був обраний момент подачі високовольтного ініціюючого імпульсу на розрядник у ланцюзі навантажувального пристрою. Ініціюючий імпульс записувався на запам'ятовуючому осцилографі разом з тр(t). У той же час конструкція СФР дозволяє з точністю до 0,5 мкс синхронізувати момент подачі ініціюючого імпульсу з початком розгорнення зображення на плівку. Для узгодження в часі залежностей КІ(t) і у(t) необхідно врахувати, що реєстрація імпульсу розтягу здійснювалася на відстані 25 мм від осі тріщини, що призводить до зсуву його по осі часу на величину .

Описаний метод дозволяє знаходити розривну напругу при динамічному напруженні ус та напругу, що діє на краї тріщини в момент початку її старту.

У четвертому розділі досліджувався напружено - деформований стан пластини при дії на неї імпульсу навантаження. Проведено аналіз енергетичних потоків поблизу вершини тріщин. На основі аналізу отриманих результатів розроблено модельне уявлення та запропонована модель. Так, при поширені динамічної магістральної тріщини, поблизу її вершини виникає область із порушеною суцільністю матеріалу. Ця область отримала назву зони передруйнування і утворюється вона внаслідок виникнення вторинних мікродефектів. Структура поверхні руйнування має відображати явища, що відбуваються у вершині рухомої тріщини і виявляє вплив на залежність процесу руйнування від часу. Дослідження проводилися на оптичночутливих зразках поліметилметакрилату, що виготовлялися у вигляді пластинок розміром 390120 мм, в центрі яких, розміщена тріщина. Ініціювання динамічного руху тріщини та реєстрація силових і кінематичних величин проводилася на поляризаційно-динамічній установці, яка поєднує у собі метод динамічної фотопружності з високошвидкісною фотореєстрацією інтерференційних смуг.

Величиною, що характеризує розвиток зони передруйнування була вибрана поверхнева густина n(t) фігур типу “парабол”, що виникають на поверхні руйнування. Для фрактографічних досліджень поверхні руйнування використовувався мікроскоп “МИМ-7” з пристроєм для фотографування “Бипам”. Фрактографічний аналіз поверхні руйнування полягав у вивченні загального характеру поверхні руйнування (рис.4) і (рис.5), виділенні на ній зон з різною структурою поверхні, визначення розмірів деталей рельєфу від 1мкм до 1мм. Після загального аналізу структури поверхні руйнування для кожного зразка визначалась густина мікротріщин п на одиницю площі поверхні руйнування для різних відстаней r від фронту вихідної тріщини. Поверхнева густина мікродефектів визначалась візуальним підрахунком в п`яти точках, розміщених в центральній частині поверхні зразка паралельно до фронту вихідної тріщини. Відстань між точками становила 0,5 мм, а область для підрахунку мікродефектів мала площу Sм= 0,25 мм2. Потім дані підрахунку осереднювались і підрахунок повторювався на іншій відстані з кроком 0,5 мм. Оскільки лінійні розміри зони передруйнування 10 – 200 мкм малі у порівнянні з довжиною тріщини, вважали, що r L і внаслідок порівняння залежностей п(r) і L(t) отримали залежність п(t) (рис.4).

Із проведених досліджень вивчалися умови розкриття окремих мікродефектів. Для цього знаходились величини: l- відстань від фронту хвилі до місця розкриття мікродефекту; с- критична розривна напруга для мікродефекту, що має зміст мікроміцності суцільного матеріалу. Для знаходження l, с використовувалась методика, яка полягає в тому, що форма “парабол” містить у собі інформацію про співвідношення швидкості магістральної тріщини і швидкості розкриття напруження, що виникає в полі мікродефекту в момент злиття їх фронтів. Аналіз форми параболи при відомій швидкості магістральної тріщини дозволяє визначити l. Критичне розривне напруження для мікродефекту с знаходиться за формулою лінійної механіки:

, (6)

де l – відстань від фронту магістральної тріщини до місця розкриття мікродефекту; КІ - коефіцієнт інтенсивності напружень.

Рис.4. Мікрофотографія першої зони Рис.5. Мікрофотографія заключної зони на поверхні руйнування (ПММА). на поверхні руйнування (ПММА).

Загальний аналіз характеру поверхні руйнування виявив наявність на ній кількох зон: перша зона довжиною 0,1 – 0,9 мм відповідає початковому етапу руйнування і являє собою гладку дзеркальну поверхню з окремими борознами, що орієнтовані в напрямку поширення тріщини (рис.4). Далі йде зона довжиною 1 – 3 мм з рельєфом у вигляді “параболи”. На заключному етапі поширення тріщини виявлено об`ємне руйнування матеріалу і рельєф у вигляді “округлих парабол” (рис.5). Аналізуючи залежності густини мікродефектів від часу та залежності п(r) і L(t), нами було встановлено, що величина п зростає нерівномірно, і що поява локальних мінімумів густини мікродефектів співпадає в часі з початком прискорення магістральної тріщини (в межах точності експерименту – 1 – 2 мкс).

Оскільки збільшення швидкості магістральної тріщини призводить до додаткового поглинання енергії, що підводиться до неї безпосередньо на фронті тріщини, то зменшення поверхневої густини мікродефектів найбільш ймовірно можна пов‘язати з тимчасовим зменшенням потоку енергії в зону передруйнування відразу після збільшення швидкості магістральної тріщини. І, нарешті, швидкість тріщини збільшується в незначних межах в часі аж до наступного стрибка швидкості навантаження.

Вивчення умов розкриття окремих мікродефектів дозволило обчислити величини критичного напруження розриву для мікродефетів в ПММА і побудувати їх залежність від відстані до фронту вихідної тріщини (рис.6), (рис.7). Встановлено, що величина критичного напруження розриву мікродефекту не є константою матеріалу. У той же час, отримані значення с знаходяться в межах с=250 –500 МПа, що більше ніж на порядок перевищують критичне напруження розриву для магістральної тріщини. Критичне напруження розриву мікродефекту в міру віддалення місця зародження від фронту вихідної тріщини зменшується.

Результати аналізу проведених досліджень дозволяють зробити припущення, що навантаження магістральної тріщини і мікродефекту, що знаходиться поблизу від її фронту, починається практично одночасно. На початку, поки фронт мікротріщини знаходиться далеко від мікродефекту, швидкість зростання навантаження на ньому порівняно невелика.

Рис. 6. Залежність поверхневої Рис. 7. Залежність розривного

густини мікродефектів від швидкості напруження для мікродефекту

навантаження (ПММА). від відстані між точкою розкриття і фронтом відправної тріщини (ПММА).

З наближенням магістральної тріщини до мікродефекту швидкість його навантаження різко зростає. Протягом наступного часу до зони мікродефекту надходить основна доля пружної енергії. При цьому швидкість зростання напружень може на два порядки перебільшувати швидкість навантаження магістральної тріщини. Відповідно до концепції енергетичної моделі і сформульованим критерієм старту тріщини збільшення тріщини навантаження має привести до збільшення критичного напруження розриву, що і спостерігається в експерименті.

Ініціювання динамічного руху тріщини та реєстрація силових і кінематичних величин проводилися на поляризаційно-динамічній установці, яка поєднує у собі поляризаційно-оптичний метод з високошвидкісною фотореєстрацією картин ізохроматичних смуг, що змінюються в часі. Дослідження епоксидного полімеру на основі олігомера ЕД-16 проводилися на оптичночутливих зразках епоксидного полімеру, що виготовлялися у вигляді пластинок розміром 380120 мм, в центрі яких прорізана щілина з радіусом при вершині 0,1мм. Розміри пластинок відповідали умовам вилучення пружних хвиль, відбитих від границь зразка в зону реєстрації. У щілину вставляли стрічку мідної фольги, яка вибухала при розряді на ній заряджених конденсаторів, тривалість зростання імпульсу тиску складала 15 мкс. Отримані в експерименті кінограми картин ізохром (рис.8) надають можливість визначити динамічний коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН) та швидкість руху тріщини.

Рис.8. Кінограма картин ізохром поблизу рухомої вершини тріщини в полімері на основі епоксидної смоли ЕД-16 (2·106 кадр/с).

Встановлено змінний характер руху тріщин , що складається з двох стадій: станів спокою і руху вершини тріщини. Середня швидкість руху тріщини в зразках становила Vcp = 350 м/с при середній швидкості за час прискореного руху близько 1000 м/с, тривалість зупинки ?зуп= 2...3 мкс, тривалість прискорення ?пр= 1...2 мкс. Встановлено, що динамічний КІН Кd у вершині тріщини на початку стрімко зростає до значення Кd 5Kdc , потім повільно спадає до значення Kdc = 1 кН/см3/2 , що відповідає повній зупинці.

Аналіз структури поверхні руйнування на зразках кожної зони поверхні проводився за вищеописаною методикою при вивченні поверхні руйнування ПММА.

Рис. 9. Залежність поверхневої Рис. 10. Залежність розривного

густини мікродефектів від швидкості напруження для мікродефекту

навантаження (полімеру на основі ЕД-16). від відстані між точкою розкриття і фронтом відправної тріщини (полімеру на основі ЕД-16).

Вивчалися також умови розкриття окремих мікродефектів. Для цього знаходились величини: l- відстань від фронту хвилі до місця розкриття мікродефекту; с- критична розривна напруга для мікродефекту, що має фізичний зміст мікроміцності суцільного матеріалу. Аналіз форми параболи при відомій швидкості магістральної тріщини дозволив визначити l (рис.9; рис.10).

Поверхня руйнування зразків епоксидних полімерів на основі олігомера ЕД-16 має декілька зон (рис.11). Поблизу вершини тріщини руйнування починається з утворення декількох “парабол”. Далі на поверхні руйнування фігур у формі “параболи” не спостерігаються.

Рис.11. Мікроповерхня руйнування у зразках на основі епоксидних смол ЕД-16: а) початковий етап; б), в) пероподібний рельєф поверхні з різною густиною мікротріщин.

Внутрішня частина кожної “параболи” представляє дзеркальну поверхню з радіальними лініями, що виходять з точки у вершині надрізу. У цій точці знаходиться дефект, з якого починається утворення мікротріщини, але на відміну від руйнування ПММА даний дефект не є фокусом “параболи”. Радіальні лінії всередині “параболи” розділяють дзеркальну поверхню на ділянки, які лежать в площинах, що нахилені до площини “параболи” на невеликий кут. “Параболи” розміщенні в площинах, що складають деякий кут з площиною руйнування. Тому при злитті сусідніх “парабол” утворюються борозни довжиною до 1,2 мм і шириною до 0,17 мм. Початок наступної, шорсткуватої зони заповненні лініями, що розміщенні вздовж напряму поширення тріщини. При подальшому розвитку тріщини утворюється пероподібний рельєф.

Наступною зоною поверхні руйнування є руйнування на окремі фракції матеріалу. Крім того, утворюються розгалужені тріщини, що складають кут від 10 до 40° до площини руйнування. Далі йде четверта зона, що має пероподібний рельєф. Потім рельєф стає більш дрібнішим і переходить в малюнок ліній, що сходяться. Завершує процес руйнування дзеркальна зона. Суттєвою відмінністю поверхні руйнування полімеру на основі олігомера ЕД-16 від ПММА є об‘ємність рельєфу, що утворюється.

Фрактографічний аналіз дозволяє висловити найбільш ймовірні припущення щодо розвитку процесу руйнування полімерів. Полімеру на основі олігомера ЕД-16 на відміну від ПММА є просторово зшитим полімером. Тому густина дефектів, які можуть стати джерелами мікротріщин у полімері на основі олігомера ЕД-16, значно більша ніж в ПММА. У зв‘язку з цим уже при порівняно невеликих напруженнях у вершині надрізу знаходиться достатня кількість дефектів, з яких починаються розвиватися мікротріщини. Їх злиття з магістральною тріщиною і утворюють рельєф у вигляді “парабол”. Після цього руйнування відбувається на фронті магістральної тріщини, що призводить до утворення дзеркальної поверхні руйнування.

Зростання КІН супроводжується появою “язиків”, що напрямлені від фронту магістральної тріщини, на кінцях яких відбувається руйнування матеріалу. Зародження “язиків” починаються з дефекту або групи дефектів на фронті магістральної тріщини. При цьому “язики” розвиваються як у напрямку руху, так і в поперечному до нього, об‘єднуючись з сусідніми і утворюючи лінії або борозни, орієнтовані вздовж поширення тріщини. Кількість дефектів, що беруть участь в утворенні власних “язиків”, пропорційна збільшенню КІН. Наявність просторових зшивок у полімері на основі епоксидної смоли ЕД-16 забезпечує можливість передачі максимальних напружень розтягів у вершину тріщини в напрямках, що не лежать у площині її поширення. Це надає можливість до виходу із площини руйнування і призводить до утворення пероподібного об‘ємного рельєфу. При достатньо великих значеннях КІН починається розгалуження і руйнування в певному об‘ємі, що надає схожість з відповідними зонами ПММА.

При зниженні КІН фронт руйнування відстає від пружних хвиль напружень зони поверхонь руйнування і розміщується в зворотній послідовності. При цьому кількість дефектів, що втягується в процес, зменшується, а “язики” починають об‘ємно збільшуватись. Від цього утворюється рельєф, що має вигляд збіжних ліній. Коли величина КІН стає недостатньою для утворення зони мікродефектів, тоді руйнування відбувається на фронті магістральної тріщини, що викликає утворення дзеркальної зони. Поєднання періодичних зупинок руху магістральних тріщин і неперервність поширення вторинних мікротріщин неможливе, тому рух магістральних тріщин і вторинних мікротріщин припиняється і відновлюється одночасно. Отже можна зробити висновок, що мікромеханічні руйнування не є основною причиною змінного руху тріщин, що ініціюються імпульсним навантаженням.

ВИСНОВКИ

1. Вперше проведено систематичні дослідження процесів руйнування та їх зв‘язок з релаксаційними процесами в оптичночутливих полімерах (на прикладі епоксидних полімерів та ПММА).

2. Встановлено, що деформація розриву р в склоподібному стані становить 2 – 5% , а у високоеластичному – 25 – 28%. У квазікрихкому стані р зростає до 15%. Показано, що в області - релаксації процес руйнування відбувається, головним чином, через розрив хімічних зв’язків в ланцюгах у високоорієнтованому стані.

3. Показано, що основним процесом руйнування ПММА є термофлуктуаційний розрив хімічних зв’язків. Процеси руйнування носять релаксаційний характер. В областях крихкого та квазікрихкого руйнування температурні максимуми міцності відповідають максимам релаксаційних переходів.

4. Показано, що епоксидний полімер, затверджений в постійному магнітному полі, стає анізотропним не тільки по відношенню до пружних, але й до оптичних та електричних характеристик. Орієнтація макромолекул зростає зі збільшенням часу обробки. При різних значеннях напруженості однорідного постійного магнітного поля (ПМП) орієнтація має різний напрям відносно силових ліній магнітного поля, що можна пояснити залежністю геометричної форми молекулярних структур від напруженості поля.

5. Розроблена методика визначення параметрів, що характеризують процес руйнування. Методика дозволяє знаходити навантаження при динамічному напруженні ус, напругу, діючу на береги тріщини в момент початку її старту, визначати динамічний коефіцієнт інтенсивності напружень у вершині рухомої тріщини. Отримано аналітичні вирази для кількісного аналізу пружено-деформованого стану енергетичних потоків у пластині поблизу вершини тріщини при імпульсному навантажені. Запропоновано модель формування зони підвищених напружень і зони розвантаження в пластинах із оптичночутливих полімерів.

6. Встановлено, що критичне значення величини напружень розтягу мікродефекту зменшується пропорційно швидкості навантаження. Це свідчить про ідентичність механізмів розвитку процесів руйнування на мікро- та макрорівнях.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1.

Особистий внесок дисертанта в дану роботу – участь в розробленні експериментальної установки, проведення експериментальних досліджень та обробці експериментальних даних.

2.

Дисертанту належить організація та проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз отриманих даних.

3.

Внесок дисертанта – в отриманні експериментальних даних та узагальнення їх результатів.

4.

Внесок дисертанта – участь у обробці результатів та аналізі літературних даних і підготовці публікації.

5.

Дисертанту належить організація та проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз отриманих даних.

6.

Особистий внесок дисертанта – проведення експериментальних досліджень, розроблення комп’ютерного прикладного програмного забезпечення для обробки та аналізу отриманих експериментальних даних.

7.

Дисертанту належить організація та проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз отриманих даних.

8.

Внесок дисертанта – в отриманні експериментальних даних та узагальнення їх результатів та аналізі літературних даних і підготовці публікації.

9.