Прогнозирование механического поведения полимерных материалов в условиях внешних воздействий.
Возможность использования тех или иных материалов для изготовления изделий, работающих под механической нагрузкой, определяется их физико-механическими свойствами, в первую очередь, их прочностью. Помимо прочностных характеристик, измеряемых при кратковременных механических испытаниях – растяжении с постоянной скоростью, релаксации напряжения, ползучести, важнейшее значение имеет долговременная прочность и прогноз механического поведения материала на длительные времена для оценки срока службы изделия.
Среди огромного многообразия теорий и методов прогнозирования механических свойств материалов наибольший интерес представляют те, которые базируются на возможно более близком и полном описании физических процессов, протекающих при механическом воздействии на материал. С другой стороны, более интересны те методики, которые используют самые общие феноменологические подходы пригодные для описания механического поведения материалов.
Таким феноменологическим подходом является описание механического поведения конденсированных сред, т.е. жидких и твердых материалов, на базе моделей вязкоупругих тел, сочетающих элементы упругой Гуковской деформации и неупругой деформации, в первую очередь, вязкого течения. Это модели Максвелла (пружина, последовательно соединенная с вязким элементом – демфером) и Кельвина-Фойгта (пружина, параллельно соединенная с демпфером). Широко используются также их сочетания в различных вариантах, из которых наиболее известны модели стандартного вязкоупругого тела (СВТ) (пружина, последовательно соединенная с моделью Кельвина-Фойгта), и стандартного линейного тела (СЛТ) (пружина, параллельно соединенная с моделью Максвелла). Эти модели позволяют связать между собой зависимости напряжения от деформации и скорости изменения напряжения и деформации с учетом модулей упругости пружин и вязкости демпферов. Многие модели качественно хорошо описывают поведение различных твердых тел под нагрузкой в режимах релаксации напряжения, ползучести, иногда в режимах растяжения с постоянной скоростью. Но полного количественного описания экспериментальных кривых деформирования этими моделями практически не удается сделать.
Во многих случаях, особенно для полимеров, это связано со сложностью учета релаксационных свойств материала, отражаемых в коэффициентах вязкости, или величинах времени релаксации, стоящих в уравнениях вязкоупругих тел. Для полимеров характерно аномальное поведение материала при течении, особенно в расплавах или растворах, когда коэффициент вязкости не является постоянным, как это описывается в законе течения Ньютона. Вязкость при течении может уменьшаться на много порядков с увеличением скоростей и напряжений сдвига. Одно из первых физически обоснованных объяснений явлению аномального, или не ньютоновского течения дал в 1936году Эйринг. На основе дырочной теории течения жидкости Френкеля Эйринг предположил, что энергия активации процесса течения жидкости уменьшается пропорционально внешнему напряжению, приложенному к жидкости в направлении течения. Хотя эта теория не оправдывалась для подавляющего большинства обычных жидкостей, для которых вязкость не изменялась с изменением скоростей сдвига, теория качественно объясняла аномальное течение полимерных и многих коллоидных систем, а также некоторые зависимости течения твердых тел под действием механической нагрузки.
Такое соединение теории течения конденсированных систем с модельными представлениями механического поведения вязкоупругих тел представляется весьма плодотворным. Оно соединяет понятные физические механизмы течения материалов с простыми и общими математическими методами описания взаимозависимости напряжений и деформаций конденсированных сред при механических воздействиях.
На основе этого подхода нами были поняты причины аномального реологического поведения полимерных материалов при течении под воздействием внешних сил. Эти причины заключаются в принципиальных отличиях структуры полимеров – цепочечном строении макромолекул. Энтропийный характер деформирования полимеров является определяющим в поведении полимерных материалов под механическим воздействием.
Найденные нами соотношения между вязкостью и деформационным поведением макромолекул легли в основу уравнений, описывающих как течение полимерных расплавов под воздействием внешних нагрузок, так и деформацию твердых полимеров, в том числе эластомеров. Эти уравнения позволили полностью количественно описать зависимость между деформациями и напряжениями для экспериментальных кривых в различных режимах испытаний, в том числе при одноосном растяжении с постоянной скоростью. На основе найденных закономерностей можно прогнозировать механическое поведение полимерных материалов в широком диапазоне времени и условий испытаний.
Предлагаемые методы расчетов механических свойств материалов и прогнозирования их поведения под нагрузкой отличаются простотой и общностью и позволяют коррелировать полученные данные со структурой исследуемых материалов.
На базе указанного подхода можно ожидать развития и распространения предлагаемых представлений на другие твердые материалы и многокомпонентные системы, что позволяет надеяться на привлечение внимания многих исследователей к рассматриваемым проблемам.