Процессы разрушения некоторых полимерных композитных материалов при высокоскоростном нагружении

На правах рукописи

Цечоева Аминат Хусеновна

Процессы разрушения некоторых полимерных композитных материалов при высокоскоростном нагружении

02.00.06 – высокомолекулярные соединения

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

НАЛЬЧИК 2013

Работа выполнена на кафедре теоретической физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Научный руководитель: Кунижев Борис Иналович

доктор физико-математических наук,

профессор

Официальные оппоненты: Морозов Юрий Львович

доктор технических наук,

профессор, заместитель

генерального директора ООО

«НИИ Эластомерных материалов

и изделий» (г. Москва)

Языев Батыр Меретович

доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой

Сопротивления материалов

Ростовского государственного

строительного университета

(г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация: Технологический институт Южного

федерального университета, г. Таганрог

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 15 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.076.09 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.

Автореферат разослан «___» апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.х.н., профессор Т.А. Борукаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность    работы. Диаграммы состояния высокомолекулярных веществ в условиях интенсивного импульсного нагружения представляют существенный интерес для физики и техники высоких плотностей энергии. Результаты экспериментального и теоретического исследования термодинамических свойств материалов при динамическом нагружении сплошных образцов определяют уравнение состояния вблизи ударной адиабаты. К настоящему времени на основе динамических данных по высокоскоростному нагружению сплошных и пористых образцов для широкой фазовой диаграммы построены полуэмпирические уравнения состояния большого количества металлов и некоторых полимеров.

Другая ситуация наблюдается при исследовании полимеров композитных полимерных материалов, характеризующихся низкой плотностью, малыми значениями электро- и теплопроводности, высокой радиационной стойкостью, пластичностью и износоустойчивостью. Они представляют собой новые перспективные материалы, которые находят широкое применение в конструкциях, несущих высокие силовые и тепловые нагрузки.

Количество расчетных и экспериментальных работ по исследованию динамического нагружения сплошных и пористых образцов полимерных композитов крайне мало, а их диаграммы состояния при высоких плотностях и давлениях до настоящего времени отсутствуют.

Это стимулировало провести в данной диссертации исследование функции Грюнайзена и диаграмм состояния полимерных материалов в широком диапазоне плотностей и давлений. В качестве модельных композитов выбраны полимерные смеси, находящие широкое применение в самых различных областях науки и техники.

Цели и задачи диссертации. Целью настоящей работы является построение диаграмм состояния и ударных адиабат полимерных материалов в экстремальных условиях с учетом зависимости их функции Грюнайзена от температуры, плотности и коэффициента эффективной пористости и исследование процесса их разрушения при интенсивном импульсном нагружении.

В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие задачи:

- исследовать зависимость функции Грюнайзена полиэтилена и синтетического бутадиенового каучука и их композиций от температуры, плотности и коэффициента эффективной пористости;

- рассчитать по современным теоретическим моделям зависимость упругого давления исследуемых полимерных материалов от степени динамического сжатия;

- построить диаграммы состояния исследуемых полимеров в экстремальных условиях с учетом полученных зависимостей функции Грюнайзена от температуры и коэффициента эффективной пористости;

- исследовать процессы разрушения и кратерообразования в полиэтилене и композитном материале на основе полиимида при высокоскоростном ударном нагружении;

-  исследовать зависимость картины разрушения, геометрических размеров и некоторых физических параметров от скорости и времени воздействия ударника на мишени из полиэтилена и композитного материала на основе полиимида.

Научная новизна.

1.Установлено, что функция Грюнайзена полимерных композитов зависит от температуры и коэффициента эффективной пористости. Показано, что температурная зависимость функции Грюнайзена достаточно слабая, причем чем большая плотность достигнута в ударных экспериментах, тем меньше зависимость Г(Т).

2.Впервые рассчитаны функции Грюнайзена Г(х) полиэтилена и синтетического бутадиенового каучука и их полимерных композитов с различным содержанием исходных компонентов по современным теоретическим моделям. Установлено, что во всем исследованном диапазоне сжатия наилучшее согласие с экспериментальными значениями функции Грюнайзена дает уравнение А.М. Молодца, которое содержит общие фундаментальные свойства вещества, и его вывод не ограничен предположениями о каком-либо типе конденсированного вещества.

3.Построены диаграммы состояния исследуемых полимерных материалов в экстремальных условиях с использованием полученных зависимостей функции Грюнайзена от температуры и коэффициента эффективной пористости.

4.Впервые исследованы зависимости глубины кратера в мишени из ПЭ от времени воздействия ударника из ПЭ в диапазоне скоростей от 180 до 1500м/с. Показано, что при v 500 м/с угол наклона прямых h() к оси абсцисс начинает быстрее увеличиваться с ростом скорости внедрения ударника.

5.Впервые исследованы зависимости максимальной энергии образования единицы поверхности S и единицы объема кратера и разрушающего нагружения от скорости ударника. Показано, что если зависимость S() имеет линейный характер, то кривые S() и () при >1,0 км/с выходят на плато. Предложен физический механизм для объяснения этого явления.

6.Рассчитаны зависимости радиального напряжения сжатия от времени и глубины проникания для процесса взаимодействия ударника из ПЭ с мишенью из композитного материала на основе полиимида. Показано, что имеет максимальные значения 170 МПа в начальные моменты (до 8 мкс) ударного взаимодействия, а затем с увеличением времени падает.

Практическая значимость работы.

Результаты работы заложены в банк данных института теплофизики экстремальных состояний ИВТ РАН г.Москва, КБГУ, ФГБУ «ВГИ» и других научных центров, занимающихся теплофизикой импульсных воздействий на вещество, и используются для построения широкодиапазонных уравнений состояний различных материалов и композитов на их основе.

Научные результаты работы использованы при выполнении проекта РНП 2.1, 2.2.5 «Исследование влияния наноструктурной морфологии на макроскопические характеристики полимер-полимерных композитов» Министерства образования и науки РФ.

Результаты, полученные в работе, также используются в ФГБУ «Северо-Кавказская служба по активному воздействию на метеорологические и другие геофизические процессы» и Высокогорном геофизическом институте для изучения процессов разрушения горных пород, льда и градовых образований, содержащих примеси.

Материалы работы используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплине специализации «Уравнения состояния вещества» для студентов старших курсов физических факультетов КБГУ и Ингушского Государственного Университета.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обнаруженные зависимости функции Грюнайзена исследованных полимерных материалов от температуры и коэффициента эффективной пористости.

2. Построенные диаграммы состояния исследуемых полимерных систем в широкой области фазовой диаграммы с использованием зависимостей функции Грюнайзена от температуры, плотности и коэффициента эффективной пористости.

3. Результаты изменения характера разрушения мишени из полиэтилена при высоких скоростях динамического воздействия и предложенный механизм разрушения ПЭ в экстремальных условиях.

4. Выявленные зависимости максимальных энергий образования единицы поверхности и объема кратеров в ПЭ и композитов на основе полиимида от времени и скорости воздействия ударника из полиэтилена, показывающие различную картину кратерообразования в этих материалах.

5. Построенные зависимости максимального напряжения сжатия композитов из полиимида при высокоскоростном нагружении от времени и скорости воздействия полиэтиленового ударника, имеющие характерные особенности, связанные с большей энергозатратой при разрушении данного материала, по сравнению с ПЭ и полиметилметакрилатом.

6. Построенная единая ударная адиабата исследованных материалов на основании обобщения данных по ударному сжатию смесей ПЭ и СКБ.

Апробация полученных результатов.

Итоговые результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 2-м Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ» (Нальчик, 2006); Региональной научно - практической конференции «Вузовское образование и наука» (Магас, 2006); 1-ой Всероссийской научно- технической конференции «Наноструктуры в полимерах и полимерные нанокомпозиты» (Нальчик, 2007); 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2008); Региональной научно- практической конференции «Вузовское образование и наука» (Магас, 2008); 30-ой юбилейной Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Киев, 2010); Международных научно-практических конференциях «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2010, 2011, 2012 гг); 31-ой и 32-ой Международных конференциях «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2011, 2012 гг).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 152 наименования. Общий объем работы составляет 137 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков и 11 таблиц.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 24 работы, изданные в центральной, республиканской, региональной печати, в том числе 2 работы в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность темы диссертации и выбранного направления исследований, сформулированы цели и задачи исследования, рассматриваются научная новизна и практическая значимость исследований, определены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен литературный обзор современных моделей уравнения состояний твердых тел при высоких давлениях и температурах, рассмотрены процессы кратерообразования и разрушения полимерных материалов при высокоскоростном ударе, изучены современные модели расчета функции Грюнайзена полимеров.

Во второй главе рассмотрены современные методы ударно-волнового нагружения твердых тел, а также приведены методы приготовления исследуемых композитов и некоторые физические свойства полиэтилена и синтетического бутадиенового каучука.

В третьей главе приводятся результаты исследования функции Грюнайзена полиэтилена (ПЭ) и синтетического бутадиенового каучука (СКБ) в экстремальных условиях.

На рисунке 1 приведены зависимости функции Грюнайзена от степени динамичесого сжатия х, рассчитанные по уравнению Молодца А.М. (1) и моделям Ландау-Слэтера (2), при t=0 и Дугдейла-Макдональда (3) при t=1.

Г, (1)

где - коэффициент объемного расширения;

Т0 - комнатная температура ;

- микроскопический параметр Грюнайзена.

(2)

где - упругое давление;

V- удельный объем.

(3)

Рисунок 1 - Зависимости функции Грюнайзена полиэтилена от x = /0, рассчитанные по уравнениям (1)-кривая 1, (2) при t=0-кривая 2, (3)при t=1- кривая 3.

Следует отметить, что аналитическая зависимость

Г(V) = C1 V1.25

дает хорошую аппроксимацию уравнения (1) и графика зависимости функции Грюнайзена от x = /0 при С1=0,95. Сравнение наших расчетных значений Г(V) с литературными показало хорошее совпадение с точностью до 10% во всем диапазоне сжатий (уравнение (2)) при t=0 (рис.1, кривая 2.), а при t=1 (рис.1, кривая 3) дает завышенные значения (до 40%) в диапазоне малых степеней сжатия при х=1,5 и удовлетворительное совпадение в области сжатий при х > 2,0.

Такое расхождение Г(V) с данными других авторов можно связать, по-видимому, с тем что уравнение Дугдейла-Макдональда построено для стеклообразных полимеров, имеющих низкую температуру стеклования. А полиэтилен, как известно, является кристаллизующимся полимером, имеющим, в зависимости от условий полимеризации и кристаллизации, значительную степень кристаллизации (от 20 до 55%). Поэтому это уравнение при малых значениях /0 дает завышенные значения Г и удовлетворительное согласие с литературными данными при больших степенях сжатия, так как при этих условиях температура на фронте ударной волны повышается, и стираются различия между выше отмеченными структурно-физическими состояниями полиэтилена.

Таким образом, во всем исследованном диапазоне сжатий наилучшее согласие с расчетными и экспериментальными значениями функции Грюнайзена дает уравнение (1), полученные Молодцом A.M. При этом необходимо отметить, что вывод этого уравнения не ограничен предположениями о каком-либо типе конденсированного вещества, а само уравнение содержит лишь общие фундаментальные свойства материала.

Подобные расчеты Г(V) проведены нами для СКБ. Значения функции Грюнайзена, полученные по уравнению (1), практически не зависят от х и равны 0,83. Г(V), рассчитанные по уравнению (2) при t=0 апроксимируются аналитической зависимостью Г(V)=C2 V1,23 при С2=0,78.

При расчете плотности и функции Грюнайзена композитных материалов с различным содержанием полиэтилена и СКБ использованы уравнения (4) и (5).

(4)

, (5)

где и – начальные плотности полиэтилена и каучука соответственно;

—массовые концентрации компонентов.

Результаты наших расчетов сведены в таблицу 1

Таблица 1 - Значения функции Грюнайзена и плотности исходных гомополимеров и полимерных композитов на их основе

Вещество	ПЭ	СКБ	ПК-1	ПК-2
,кг/м3	920	900	869	897
	0,950	0,860	0,791	0,825