Лекция 1 Термомеханическое поведение полимерных материалов Понятие полимер, композиционный материал
Полимер – это вещество, состоящее из протяженных молекул, которые называются макромолекулами. Макромолекулы состоят из звеньев, каждое звено представляет собой группу атомов. Звенья между собой соединены прочными химическими связями. Эти связи могут быть жесткими или шарнирными. Макромолекулы между собой соединены относительно непрочными физическими связями. В процессе воздействия различных факторов (тепловых или силовых) физические связи могут рекомбинировать, т.е. в одном месте разрываться, в другом возникать. В общем смысле могут быть биологические полимеры (биополимеры) или искусственно созданные, т.е. синтезированные. В настоящем курсе изучаются только синтезированные полимеры. Полимер не является материалом, а только его основой.
Полимерный материал (ПМ) – это полимер или сополимер (когда в макромолекуле чередуются звенья одного и другого полимера) содержит в своей структуре (в межмолекулярных пространствах) функциональные добавки, позволяющие перерабатывать материал в изделия, т.е. подвергать его термомеханическому воздействию и обеспечивать необходимые свойства в сфере эксплуатации изделия.
Поскольку макромолекулы содержат не только шарнирные, но и двойные жесткие химические связи, то они обладают определенной долей жесткости. Идеально плотная упаковка структуры не может быть достигнута и между макромолекулами имеется относительно большой свободный объём (свободный объём – это объём в объёме полимера не занятый макромолекулами). В эти пространства и вводятся простые молекулы или микрочастицы функциональных добавок. Если добавки вводят в межмолекулярные пространства, то полимер плюс добавка представляют собой одну единую фазу.
Фаза – это некий объём однородного вещества внутри материала, имеющий границы раздела с другими фазами. В данном случае ПМ имеет одну фазу и не является композиционным.
Функциональными добавками могут быть: стабилизаторы, которые стабилизируют свойства, т.е. предохраняют от разрушения ПМ при его переработке в изделие, а так же при эксплуатации готовых изделий.
Композиционный материал – это материал, состоящий из двух или более фаз (компонентов, ингредиентов), одна из которых является сплошной, а другая распределена в этой фазе. Сплошную фазу называют матрицей или связующим, а распределённые в ней – наполнителем или наполнителями.
Как правило, наполнитель является более жестким, твёрдым и более теплостойким, чем связующее.
Наполнитель может быть только в твёрдом агрегатном состоянии! Причем между частицами наполнителя и связующего должна быть прочная адгезионная связь. Мы изучаем только искусственно созданные композиционные материалы.
Полимерный композиционный материал – это композиционный материал с искусственно созданной полимерной матрицей (рис. 1). Наполнитель может быть любой природы, как полимерной (органический), так и минеральной.
Естественно, что полимерная матрица кроме полимера содержит функциональные добавки, т.е. полимерный композиционный материал (ПКМ) одновременно является полимерным материалом (ПМ) и композиционным материалом (КМ).
|
Рис. 1. Полимерный композиционный материал: S — площадь поперечного сечения образца КМ; P — Растягивающие усилия, действующие в процессе эксплуатации композита; σр — предел прочности материала связующего при растяжении, т. е. те напряжения, при которых связующее разрушается; σ — действующее напряжение |
Если между частицами наполнителя и связующим прочная связь отсутствует, то эти частицы при растяжении выполняют функцию пустот или раковин. Вследствие этого площадь поперечного сечения образца, воспринимающая нагрузку уменьшается, а действующие напряжения равны.
σ = P/S
Если S уменьшается, следовательно, σ увеличивается. В определенный момент
σ > [σр],
следовательно, материал разрушается.
У наполнителя [σр] выше, чем у связующего, поэтому в условиях прочной адгезионной связи предел прочности композита повышается относительно этой характеристики связующего.