Механизмы адгезионного разрушения в дисперсно наполненных полимерных материалах и влияние адгезионной связанности на течение и разрушение композитов при больших деформациях

• Автор: Муравин, Дмитрий Константинович
• Шифр специальности: 01.04.19
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 93 с.

1 ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Закономерности адгезионного разрушения в дисперсно-наполненных композитах
1.1.1 Закономерности протекания одиночных процессов отслоения
1.1.1.1 Существующие подходы к моделированию отслоения
1.1.1.1 Зависимость напряжений отслоения от степени наполнения
1.1.1.1 Зависимость напряжения отслоения от размера включений
1.1.1 КОРРЕЛИРОВАННОСТЬ ОДИНОЧНЫХ ОТСЛОЕНИЙ
1.1 Влияние процессов адгезионного разрушения на деформационнопрочностные свойства дисперсно-наполненных полимеров
1.1.1 Влияние адгезионного разрушения на модули упругости композитов
1.1.1 Влияние адгезионного разрушения на пластическое течение композита
1.1.1.1 Влияние адгезии на механизмы пластического течения
1.1.1.1.1 Полосы сдвига и трещины серебра
1.1.1.1.1 Локализованное либо макрооднородное течение композитов
1.1.1.1 Влияние адгезии на предел текучести композита
1.1.1.1.1 Влияние размера включений на долю отслоившихся частиц к началу
макроскопического течения и предел текучести композита
1.1.1.1 Большие пластические деформации полимеров
1.1.1 Разрушение композитов
1.1.1.1 Хрупкое разрушение
1.1.1.1 Ударное разрушение
1.1.1.1 Пластическое разрушение
1 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ
НЕКОРРЕЛИРОВАННОГО И КОРРЕЛИРОВАННОГО ПРОЦЕССОВ АДГЕЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ
1.1 Дифференциальная модель самосогласования
1.2 Расчет нелинейной диаграммы деформирования с учетом изменения доли
адгезионно связанных частиц
1.3 Вычисление эффективных модулей упругости гетерогенной среды
1.3.1 Наполнение жесткой фракцией
1.3.2 Наполнение порами
1.3.3 Эффективный модуль Юнга композита, равномерно заполненного х
ФРАКЦИЕЙ ПОР И Ф - ХФ?АКЦИЕЙ ЖЕСТКИХ ЧАСТИЦ
1.4 Реализация различных механизмов адгезионного разрушения и переход
МЕЖДУ НИМИ
1.4.1 Учет распределения включений по размерам
1.4.2 Некоррелированный механизм адгезионного разрушения
1.4.3 Коррелированный механизм адгезионного разрушения
1.4.4 Критерий реализации коррелированного, либо диффузионного механизмов
разрушения адгезионной связи наполнителя
1.5 Результаты
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ БОЛЬШИХ ДЕФОРМАЦИЙ ГЕТЕРОГЕННОГО КОМПОЗИТА В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНОЙ АДГЕЗИОННОЙ СВЯЗАННОСТИ
2.1 Основные положения анизотропной теории больших деформаций.
Определяющие соотношения
2.1.1 Изменение морфологии полимерного материала
2.1.2 Накопление необратимых пластических деформаций
2.2 Структурная модель композита
2.3 Граничные условия
2.4 Численное решение задачи
2.4.1 Разбиение системы на конечноэлементное множество и метод
аппроксимации координатного поля
2.4.2 Энергия упругого деформирования
2.4.3 Метод решения дискретной задачи
2.4.4 Описание алгоритма
2.5 Неустойчивость модели
2.6 Результаты
3 ВЫВОДЫ

1 Введение
Механические свойства дисперсно-наполненных полимерных композитов в значительной степени определяются микропроцессами деформирования и разрушения, идущими в окрестности включений. В частности, при хорошей адгезии модули упругости увеличиваются с наполнением, а при плохой адгезии — уменьшаются. Образование межфазных расслоений в различных наполненных полимерных системах может являться источником образования трещин с одной стороны, и эффективным каналом диссипации энергии разрушения с другой.
Исследования в этой области указывают на необходимость детального анализа механизмов процесса отслоения и изучения влияния на него физических характеристик материала, состояния границы раздела фаз, содержания и размера включений.
Существует много работ, посвященных закономерностям протекания одиночного отслоения. Большинство авторов ограничиваются анализом упругой области деформирования. В частности, изучается зависимость угла отслоения у/ от макроскопической нагрузки <т, степени наполнения Ф и размера включений с1. Нам не известны работы, описывающие коррелированность протекания процессов отслоения на различных включениях и перехода между согласованным и независимым адгезионным разрушением. Тем не менее, экспериментально установлено, что при малых Ф включения отслаиваются независимо и композит деформируется с образованием шейки, характеризуемой сильной однородной вытяжкой. При больших степенях наполнения Ф пластическое течение сосредоточено в узких деформационных зонах, направленных трансверсально к направлению деформации (крейзах). Остальной объем материала при этом слабо деформирован.
Первая часть работы посвящена построению модели деформирования композита, сопровождаемого диффузионным (некоррелированным) и коррелированным адгезионным разрушением и формулировке критерия перехода от некоррелированного к коррелированному механизму адгезионного разрушения в зависимости от степени наполнения композита и влияние ширины распределения включений по размерам на критическую степень наполнения.
Ограничением модели является возможность рассмотрения только небольших вытяжек, не выходя за рамки упругого приближения. Модель применима к
2. Разрушение эластомерных включений.
3. Адгезионное разрушение. При определенных параметрах адгезионной связанности возможно отслоение наполнителя.
4. Множественный крейзинг. При ударной нагрузке в материалах может быть облегчено формирование стабильных крейзов.
В серии работ Ву [53] — [56] рассматривается зависимость энергии разрушения композита от степени наполнения при различных размерах частиц наполнителя. В качестве образцов использовались композиты с хрупкой стеклообразной матрицей и эластомерными включениями.
Экспериментально показано, что для каждого размера частиц существует некоторая критическая степень наполнения, начиная с которой энергия разрушения резко возрастает, т.е. композит резко увеличивает свою прочность при ударных испытаниях. Это явление было названо хрупко-вязким переходом. Чем больше размер частиц наполнителя, тем при большем наполнении происходит переход. При фиксированной степени наполнения хрупко-вязкий переход происходит при уменьшении размера включений.
Анализ зависимости энергии разрушения от среднего расстояния между поверхностями включений /, и показал, что переход осуществляется при едином значении параметра I для включений любых размеров. Таким образом, расстояние между поверхностями Частиц включений является решающим параметром при хрупковязком переходе.
При подобном изменении масштаба системы распределение напряжений и деформаций не меняются, что никак не позволяет найти зависящий от масштаба параметр. Поэтому попытки поиска объяснения эффекта хрупко-вязкого перехода, основанные на вычислении полей напряжения в материале не могут привести к успеху.
В работе [???] экспериментально показано наличие вблизи поверхности включения некоторого слоя с толщиной, независящей от размера включения, в котором морфология полимерного материала отличается от морфологии полимера в основном объеме композита. Эта толщина определяет значение критического расстояния, достижение которого обеспечивает перколяцию приграничных слоев.
2.2.3.3 Пластическое разрушение