Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Механика композитных материалов 1 1982..pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
10.09 Mб
Скачать

УДК 611.08:620.111

И. Ю. Саркисов, М. К. Набибеков

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО И ОБЫЧНОГО РЕЗАНИЯ МЯГКИХ ТКАНЕЙ

Известно [1, 2], что оперативные вмешательства, проводимые с при­ менением ультразвуковой энергии и ультразвуковых инструментов, обла­ дают определенными медицинскими и техническими достоинствами. На­ пример, резание биотканей происходит быстрее, безболезненней и бескровней по сравнению с традиционным способом. Облегчается работа хирурга в силу того, что прикладывается меньшее усилие резания к ре­ жущему ультразвуковому инструменту. Использование ультразвука от­ крывает новые возможности для совершенствования различных методик оперативных вмешательств. Вместе с тем в литературе отсутствуют ра­ боты, в которых было бы произведено непосредственное сравнение обыч­ ного и ультразвукового резания. Такой анализ позволил бы выявить ди­ апазон применимости и преимущества нового ультразвукового метода.

В настоящей работе проведен сравнительный анализ механических характеристик двух методов резания мягких биотканей. С этой целью рассмотрим механику обычного процесса резания. Для того чтобы скаль­ пель разрезал мягкую биоткань, необходимо преодолеть силу сопротив­ ления биоткани /о и силу вязкого трения, которая в первом приближении пропорциональна установившейся скорости резания V\. Следовательно, усилие резания F\, прикладываемое хирургом к скальпелю, равно

F ^ fo + K iV u

(1)

где К\ — коэффициент пропорциональности. Из выражения (1) следует, что обычное резание осуществляется только при усилиях хирурга, боль­ ших силы сопротивления биоткани.

Механика резания мягкой биоткани с использованием ультразвуко­ вых колебаний режущей кромки инструмента рассмотрена в работе [3]. Там же найдена неявная зависимость усилия резания F от скорости V движения инструмента, акустических и технологических параметров про­ цесса:

 

1/= Ло)/С0я -1ф(Ю,

(2)

где <р(£) = sin 2 л£[лг2sin4

(1 —^+

s i n

• cos л^)2]-1/2. Здесь А,со —

амплитуда и частота ультразвуковых колебаний соответственно; Ко — коэффициент, характеризующий инерционные свойства инструмента; %=Fjfo — безразмерный параметр, определяемый отношением усилия резания к силе сопротивления биоткани.

Функциональная зависимость (2) указывает на то, что, в отличие от обычного, ультразвуковой метод* резания может осуществляться при усилиях хирурга, меньших силы сопротивления биоткани.

Одно из основных требований к оперативным вмешательствам заклю­ чается в необходимости снижения усилия резания, прикладываемого хирургом к инструменту. Оценим, когда и насколько выгодно применять ультразвуковой метод. Введем коэффициент n= F JF , показывающий, во сколько раз снижается усилие резания при ультразвуковом методе по сравнению с обычным резанием. Используя выражения (1) и (2) и учи­

тывая, что сравнение двух методов необходимо произвести при одина­ ковой скорости резания, получим

п = |-1[1+аф (£ )],

(3)

где a=A<oKott~4(ifo~1'

Найденная зависимость проверена экспериментально с помощью ла­ бораторной установки, описанной в работе [4]. Результаты расчетов и экспериментов представлены на рис. 1. Теоретическая кривая 1 описы­ вается функциональной зависимостью (3). Кривая 2 получена расчет­ ным путем и построена с использованием результатов опытов по измере­ нию скорости обычного резания и скорости резания при ультразвуковом методе [4]. ^Сравнивая кривые 1 и 2, нетрудно убедиться, что они имеют идентичный вид и совпадают с точностью до ошибки измерения за ис­ ключением области малых значений усилия резания (£«<0,1). В этой области теория, развитая в работе [3], требует коррекции.

Представляет практический интерес определить, при каких значе­ ниях усилия резания F коэффициент п достигает максимальной и мини­ мальной величин. Найденные крайние значения усилия резания устанав­ ливают диапазон предпочтительного использования ультразвукового ме­ тода. С этой целью исследуем функцию (3) на экстремум. Вычисления

показали, что в интервале 0 < £ < 1

йп/й\Ф0, а экстремум

достигается

на границе отрезка [0, 1]. пт1п= 1 + а л при £->1

и лтах«

l/£ =f0/F при

£-H), но £>0,1. Экспериментально

определенное

минимальное среднее

значение пт1п=1,1 совпадает с теоретической оценкой с точностью до ошибки измерений (см. рис. 1). Максимальное значение коэффициента пт а х = 7±2. Пользуясь теоретической оценкой, получим лт ах~10. По­ следний пример показывает, что, если усилие резания при ультразвуко­ вом методе составляет, например 0,1 часть силы сопротивления био­ ткани, то при обычном резании для поддержания той же скорости дви­ жения скальпеля хирургу пришлось бы прикладывать в 10 раз большее усилие. В этом и состоит одно из основных преимуществ ультразвуко­ вого метода. Резание происходит при значительно меньшем усилии хирурга, в результате чего облегчается его работа.

Для оценки эффективности ультразвукового резания мягких биотка­ ней целесообразно использовать два основных технологических пара­ метра — среднюю скорость резания (2) и найденный коэффициент сни­ жения усилия резания (3). Оба параметра обобщенно учитывают не­ сколько различных акустических и механических характеристик процесса резания. Первый параметр непосредственно связан с производитель­ ностью, а второй — с силовыми характеристиками процесса резания. При этом оба параметра находятся друг относительно друга во взаимно-

Рис. 1. Зависимость коэффициента снижения усилий ультразвукового резания п от силы F, приложенной к режущему инструменту. 1 — теоретическая; 2 — экспериментально­ расчетная кривая; Л = 20 мкм и / = 26,5 кГц — амплитуда и частота ультразвуковых ко­ лебаний; /0=1,8 кгс — сила сопротивления биоткани резанию; /С0= 0,04— коэффициент,

характеризующий инерционные свойства инструмента; /Ci = 3,2 -у - __ коэффициент силы

вязкого трения.

Рис. 2. Сравнение двух основных технологических параметров ультразвукового реза­ ния: 1 — зависимость скорости V резания от силы F, приложенной к ультразвуковому инструменту; 2 — зависимость, представленная на рис. 1. ос — коэффициент.

обратных отношениях. В этом нетрудно убедиться, сопоставив графики зависимостей (2) и (3), которые изображены на рис. 2 в виде кривых 1 и 2. Действительно, при работе с большим усилием резания, приблизи­ тельно равным силе сопротивления биоткани (F ^ fo )y производитель­ ность и скорость резания достигают наибольшей величины. Однако коэф­ фициент снижения усилия резания п равен своей минимальной величине 1+ал . Напротив, при работе с малыми усилиями резания коэффициент п стремится к максимальной величине порядка 1/£. Скорость же резания

при этом уменьшается.

Отметим, что при малых скоростях движения инструмента всегда имеется значительное снижение усилия ультразвукового резания по срав­ нению с обычным резанием. С другой стороны, при больших скоростях ультразвуковой метод также выгоднее обычного резания. Однако при ал<С1 выигрыш в усилии резания не столь велик.

Практическое следствие найденной закономерности заключается в следующем. Если хирургу необходимо работать с максимальной произ­ водительностью и одновременно иметь значительный выигрыш в усилии ультразвукового резания по сравнению с обычным резанием, то необхо­ димо так подобрать акустические параметры, чтобы ал^>1. Для дости­ жения той же скорости при обычном резании потребовалось бы в ап раз большее усилие.

Для многих видов оперативных вмешательств, скорость выполнения которых невысока, коэффициент /г, описывающий силовые характерис­ тики процесса рез'ания, является основным технологическим параметром. На наш взгляд, это положение справедливо, например, для ультразву­ кового хирургического метода на мягких тканях кисти. Значительное снижение усилия ультразвукового резания позволяет хирургу свободнее управлять режущим инструментом, в результате чего он может совер­ шать тончайшие манипуляции на малом оперативном поле. Открыва­ ются новые возможности для усовершенствования сложных и тонких опе­ раций на мягких тканях кисти.

Однако полностью пренебрегать скоростным параметром резания не следует. В других случаях, безусловно, имеются хирургические вмеша­ тельства, требующие минимального времени выполнения. Для таких опе­ раций необходимость значительного снижения усилия резания отодви­ гается на второй план. В подобных случаях скоростной параметр реза­ ния играет главную роль и в основном определяет оптимальную технологию резания. В промежуточных же случаях при разработке опти­ мальной технологии следует учитывать оба параметра — (2) и (3), со­ отношение значений которых определяется в первую очередь медицин­

скими требованиями, предъявляемыми к такого рода хирургическим операциям.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Набибеков М. К. Современные тенденции развития хирургического применения ультразвука и его перспективы. — В кн.: Тез. докл. III Всесоюз. конф. «Ультразвук в физиологии и медицине». Ташкент, 1980, с. 152.«,

2.Поляков В. А., Николаев Г А., Волков М. В., Лощилов В . И . , Петров В. И.

Ультразвуковая сварка костей и резка живых биологических тканей. М., 1973. 136 с. 3. Набибеков М. К., Плющенков Б. Д., Саркисов И. Ю. Исследование процесса

ультразвукового резания мягких биотканей. — Механика композитных материалов, 1980, № 3, с. 519—524. 1

4. Набибеков М. К., Плющенков Б. Д., Саркисов И. Ю. Пути повышения произво­

дительности ультразвукового резания мягких биотканей. — Механика композитных ма­ териалов, 1980, № 4, с. 703—707.

Институт медико-биологических проблем

Поступило в редакцию 08.01.81

Министерства здравоохранения СССР, Москва

 

УДК 539.4:678.067

Р. Д. Максимов, В. М. Пономарев

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ГИБРИДНОГО КОМПОЗИТА ПОД ДЕЙСТВИЕМ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

В последние годы ведутся разработки методов прогнозирования ре­ сурса конструкций [1]. Известно, что ресурс конструкций определяется прежде всего способностью материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием механических нагрузок. В гетерогенных материалах, к числу которых относятся и композиты с волокнистой структурой, уже на ранних этапах деформирования (задолго до исчер­ пания ресурса) протекают процессы рассеянного (объемного) разруше­ ния [1—4]. В связи с этим важное значение имеет диагностирование на­ копления повреждений при контрольном пробном нагружении, а также на стадии эксплуатации конструкций. Данные такого диагностирования могут служить основой для уточнения расчетного ресурса изделий, прог­ нозируемого на стадии проектирования. В этих целях могут быть исполь­ зованы различные методы и средства диагностики поврежденности ком­ позитных материалов [5]. Косвенную оценку увеличения дефектности материала проводят по измерению акустической эмиссии [6—8], тепло­ вых эффектов [9], механолюминесценции [10], изменению упругих и вязких свойств [11], диэлектрических свойств [5], светопропускания [12, 13] и др. Характер микроразрывов и кинетика их накопления при одном и том же виде нагружения зависят от особенностей структуры композитного материала, поэтому естественно, что методы диагностики неодинаково чувствительны к росту дефектности различных полимерных композитов. Для оценки избирательности методов, как правило, необхо­ димо предварительное комплексное изучение возможностей диагностиро­ вания повреждаемости исследуемого композита. В данной работе пред­ принята попытка провести такое исследование для гибридного (поливолокнистого) композита. Постановка задачи обусловлена тем, что в гибридных композитах, армированных хрупкими высокомодульными во­ локнами в сочетании с податливыми волокнами (органоборопластик, ор­ ганоуглепластик, стеклоуглепластик, стеклоборопластик) при растяжении в направлении армирования может иметь место интенсивное накопление рассеянных повреждений уже на ранних этапах деформирования.

Для индикации повреждений использован комплекс следующих мето­ дов: измерение электропроводности материала в процессе нагружения, акустической эмиссии, тепловых эффектов; определение модуля упру­ гости на разных уровнях нагружения материала и, наконец, непосредст­ венное обследование с помощью микроскопа раздробленных волокон

после удаления полимерной матрицы.

Основным объектом исследования являлся однонаправленно армиро­ ванный органоборопластик. Возможности регулирования механических свойств этого материала изучены в [14], упругие свойства исследованы в [15], а вопросы перераспределения напряжений при рассеянном разрыве борных волокон рассмотрены в [16]. В данной работе испытаны образцы микропластика с различным объемным содержанием борных волокон ив и высокопрочных органических волокон р.о> всего было 15 значений соотношения ро/цвКоэффициент суммарного армирования пластика р = р0 -f- рв во всех образцах был близок к 0,8.

Рис. 3. Гистограммы значений длины отрезков раз­ рушенных борных волокон после нагружения органоборопластика (|i0=0,56, jiB=0,24) до 0,75 от прочности и последующей разгрузки (1) и после нагружения до разрушения образца (2) (см. точки

А и В на рис. 4).

таты проверки чувствительности к таким повреждениям различных методов диаг­ ностирования.

На рис. 4 показаны усредненная диаг­ рамма деформирования органоборопластика с ро = 0,56, цв = 0,24 при растяжении

внаправлении армирования и кривые эффектов, сопутствующих дефор­ мированию материала. Кривая г (г) соответствует измененйю электриче­ ского сопротивления композита в направлении растяжения. Для опреде­ ления ее электрическое напряжение от источника питания подавалось на образец через последовательно включенное эталонное сопротивление и специальные токоподводящие контакты. Непрерывная регистрация элек­ тросопротивления образца в процессе его механического испытания про­ водилась с помощью автоматического потенциометра по изменению нап­ ряжения на эталонном сопротивлении. Разрушение токопроводящих во­ локон бора вызывает резкое увеличение электросопротивления образца. При известном относительно небольшом количестве борных волокон в образце по ступенчато изменяющемуся сопротивлению можно опреде­ лить величину деформации волокна, при которой происходит его первое разрушение в композите. По результатам обработки кривых г(е), полу­ ченных при испытании 20 образцов, построена гистограмма значений де­ формации, при которых происходит первое разрушение борного волокна

вкомпозите (рис. 5). Видно, что предельные деформации волокна изме­ няются в диапазоне от 0,15 до 0,90%. После того как каждое борное во­ локно разрушилось по крайней мере в одном месте, электросопротивле­ ние образца резко возрастает; к дальнейшему рассеянному дроблению волокон этот метод диагностирования практически нечувствителен.

На рис. 4 показана также усредненная кривая суммарной акустиче­ ской эмиссии (АЭ). Сигналы АЭ регистрировали пьезоэлектрическим датчиком типа 4333 фирмы «Брюэль и Кьер» (Дания) с чувствитель­ ностью 18,1 мВ/g, постоянной в интервале частот 0,03—56 кГц. Электри­ ческие сигналы, в которые преобразовывались с помощью пьезодатчика механические колебания, после усиления интегрировались прибором «Эф-

Рис. 4. Усредненная диаг­ рамма растяжения органоборопластика (|io = 0,56, цв=0,24) в направлении ар­ мирования <т(е) и кривые эффектов, сопутствующих деформированию композита; г(е) — изменение электро­ сопротивления образца; 24(e) — суммарная акусти­ ческая эмиссия; Q(e) — суммарный тепловой поток; £(е) — изменение модуля упругости композита в на­

правлении растяжения.

гости в диапазоне напряжении от нуля до 0,75 от предела прочности может быть предсказано по разрушению только борных волокон. В свою очередь разрушение этих волокон сопровождается акустической эмис­ сией. Следовательно, в указанном диапазоне напряжений можно было ожидать наличия взаимосвязи между АЭ и изменением модуля упругости. Это предположение подтверждается приведенной на рис. 7 зависимостью между АЭ и Е\ коэффициент корреляции между АЭ и £ с обеспечен­ ностью 0,99 равен 0,87.

В заключение на рис. 8 приводим результаты определения АЭ на 15 партиях образцов органоборопластика, различающихся соотношением объемного содержания органических и борных волокон. Кривая АЭ по­ казывает суммарную АЭ, накопленную к моменту макроразрушения об­ разцов при растяжении в направлении армирования. Для сравнения на рис. 8 показаны также кривые прочности и удельной работы разрушения в зависимости от р0 и цвИз рисунка видно, что зависимость АЭ от со­ отношения [Хо/цв немонотонна: имеется промежуточный диапазон значе­ ний ц0 и цв, в котором обнаруживается значительный (в несколько раз) рост предельных значений АЭ. Удельная работа разрушения образцов гибридного композита в этом диапазоне примерно на порядок больше удельной работы разрушения образцов боропластика. Следовательно, можно полагать, что критические значения рассеянного повреждения на инкубационной стадии разрушения поливолокнистого композита сущест­ венно зависят от соотношения объемного содержания волокон разного типа.

Таким образом, все рассмотренные методы диагностирования, прояв­ ляя некоторую избирательность к виду повреждений, в целом оказались чувствительны к накоплению рассеянных разрушений в исследованном материале; выявленные предпосылки диагностирования могут быть ис­ пользованы при исследовании особенностей разрушения гибридных ком­ позитов, а также при разработке так называемых полуразрушающих ме­ тодов испытания конструкций из этих материалов в целях уточнения уровней нагружения, с тем чтобы не допускать неоправданно большого повреждения материала при контрольных пробных нагружениях конст­ рукций.

Рис. 7. Корреляционная связь между суммарной акустической эмиссией и изменением модуля упругости при растяжении органоборопластика в направлении армирования.

Рис. 8. Прочность (У), накопленная к моменту макроразрушения образцов суммарная акустическая эмиссия (2) и удельная работа разрушения (3) органоборопластика в зависимости от соотношения объемного содержания органических и борных волокон.

СПИСОК Л ИТ Ё Р А Т У Р Ы

1. Болотин В. В. Объединенная модель разрушения композитных материалов при длительно действующих нагрузках. — Механика композитных материалов, 1981, № 3,

с.405—420.

2.Тамуж В. Я. Объемное разрушение однонаправленных композитов. — Меха­ ника композитных материалов, 1979, № 2, с. 260—267.

3.Милейко С. Т. Микро- и макротрещины в композитах. — Механика композит­ ных материалов, 1979, № 2, с. 276—279.

4.Копьев И. М., Овнинский А. С. Разрушение металлов, армированных волокнами. М., 1977. 240 с.

5.Латишенко В. А., Матис И. Г. Методы и средства изучения повреждаемости композитных материалов. — Механика композитных материалов, 1979, № 2, с. 344—350.

6.Грешников В. А., Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. М., 1976. 272 с.

7.Тутан М. Я. Исследование акустической эмиссии при нагружении стеклоплас­ тиков. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Рига, 1976. 16 с.

8.Куксенко В. С., Орлов Л. Г., Фролов Д. И. Концентрационный критерий укруп­ нения трещин в гетерогенных материалах. — Механика композитных материалов, 1979,

2, с. 195-201.

9. Годовский Ю. К. Теплофизические методы исследования полимеров. М.,

1976. 216 .с.

10. Крауя У. Э., Унитис 3. Г., Рикарде Р. Б., Тетере Г. А., Янсонс Я. Л. Исследо­ вание процесса разрушения стеклопластика методом механолюминесценции. — Меха­ ника композитных материалов, 1981, № 2, с. 325—331.

11.Тамуж В. П., Куксенко В. С. Микромеханика разрушения полимерных мате­ риалов. Рига, 1978. 294 с,

12.Сандалов А. В., Лейт В. А., Медведев М. 3. Возможности использования светопропускания для неразрушающего контроля армированных пластиков. — Механика полимеров, 1975, № 3, с. 563—565.

13.Филатов М. Я., Шленский В. Ф., Супруненко В. А., Копылечич Г. В. Законо­ мерности изменения светорассеивающих свойств стеклотекстолита при накоплении уста­ лостных повреждений. — Пробл. прочности, 1978, № 2, с. 27—30.

14. Протасов В. Д., максимов Р. Д., Ануфриев Б. Н., Меркулов В. Д., Куль­ ков А. А., Поляков В. Л ., Пономарев В. М. Возможности регулирования деформаци­ онно-прочностных свойств гибридных композиционных материалов на основе борных и

органических волокон. — В кн.: Механика конструкций из композиционных материалов. Ереван, 1979, с. 102, 103.

15. Максимов Р. Д., Плуме Э. 3. Упругость гибридного композитного материала на основе органических и борных волокон. — Механика композитных материалов, 1980,

3, с. 399—403.

16.Кочетков В. А., Максимов Р. Д. Перераспределение напряжений при разрыве

хрупких волокон в поливолокнистом композите. — Механика композитных материалов, 1980, № 6, с. Ю14— 1028.

17.Молчанов Ю. М., Молчанова Г. А. Калориметрические исследования процесса растяжения полиэтилена. — Механика полимеров, 1970, № 4, с. 579—584.

Институт механики полимеров

Поступило в редакцию 19.08.81

АН Латвийской ССР, Рига

 

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 1, с. 129—135

УДК 620.1:678

М. И. Гандельсман, С. А. Цыганков, А. Я. Гольдман, В. П. Будтов

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛИРОВАННЫХ композитов.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АБС-ПЛАСТИКОВ

Одним из наиболее распространенных типов полимерных композитных материалов являются ударопрочные полистирольные пластики (УПС) и родственные им АБС-пластики [1, 2]. По структуре они пред­ ставляют собой гранулированные композиты со стеклообразной матрицей (полистирол в УПС и сополимер САН в АБС-пластиках). Форма вклю­ чений близка к сферической. Прочный контакт на границах раздела фаз достигается за счет химической прививки макромолекул полистирола или САН на каучук. Включения эластической фазы в УПС содержат окклюзии полистирола в виде мельчайших гранул с прослойками кау­ чука между ними. В АБС-пластиках включения эластической фазы по размерам меньше, чем в УПС (до 1 мкм), и в электронном микроскопе окклюзии САН внутри включений АБС-пластика различаются менее от­ четливо [1]. Вместе с тем можно ожидать, что и в эластической фазе АБС-пластика также присутствует значительное количество материала матрицы, т. е. САН, так как прививка препятствует полной сегрегации компонентов.

Известно, что включения каучуковой фазы, диспергированные в стек­ лообразной полимерной матрице, значительно снижают ее хрупкость, определяемую по величине ударной вязкости [2—5]. Одновременно введе­ ние каучука изменяет и другие механические свойства — прочность на разрыв, статические модули упругости, вязкоупругие функции, предел текучести и т. д. В связи с широкими возможностями варьирования структуры и состава ударопрочных полимерных систем возникает задача прогнозирования их механических характеристик исходя из свойств фаз.

В [6—8] проводилось сопоставление экспериментальных и расчетных зависимостей динамических модулей и тангенса угла механических по­ терь tg6 УПС пластиков от частоты и температуры. При этом для тео­ ретических расчетов использовались известные соотношения Кернера [9] и других авторов для модулей упругости двухфазных систем. В большин­ стве случаев наблюдалось заметное расхождение теоретических и экспе­ риментальных модулей упругости, которое увеличивалось с повышением объемной доли дисперсной фазы. Это расхождение связано, по-види­ мому, с тем, что в расчетах не учитывалось наличие окклюзий в зерне каучуковой фазы, а также с отсутствием надежных данных о динамиче­ ских свойствах этой фазы. В [10] показано, что уже при деформациях 6= 0,015-^-0,02 в УПС начинается образование трещин серебра и вязко­ пластическое деформирование. Таким образом, область деформаций, в которой может использоваться приближение линейной вязкоупругости, в УПС и АБС-пластиках сравнительно мала. Это, однако, не уменьшает важности изучения динамических характеристик при малых деформа­ циях, предоставляющих важные сведения о температурных границах работоспособности данных композитных материалов, типичных для них релаксационных переходах и о роли компонентов в релаксационных про­ цессах, происходящих в композитной системе. Настоящая работа также посвящена теоретическому и экспериментальному изучению температур­

ных зависимостей динамических модулей УПС и АБС-пластиков. Целью работы является проверка известных теоретических соотношений для прогнозирования динамических свойств АБС-пластиков с учетом особен­ ностей их структуры в широком диапазоне температур. Анализ темпера­ турных зависимостей динамических модулей проводился на модельных образцах АБС-пластиков на основе бутилакрилатного каучука (БАК). Содержание БАК по массе составляло 23%. Образцы АБС-пластика были получены по эмульсионному методу, описанному в [11].

Теоретические соотношения для модулей упругости гранулированных композитов. Проблеме определения статических модулей упругости ге­ терогенных сред посвящено множество работ. Обширный обзор приведен в (12]. Так, в известной работе [13} на основе вариационного принципа получена вилка, определяющая верхнюю и нижнюю границы для эффек­ тивных модулей сдвига G, и объемного сжатия /(* композита. Пусть G\ и G2 — модули сдвига, К\ и Кч — модули объемного сжатия дисперсной фазы и матрицы соответственно, <р — объемная доля дисперсной фазы. Пусть одновременно GX^ G 2, КХ^ К 2 или G2^ G ь K ^ K i и пусть К +=

=m ax{K i, К2}, K -=m in {K i,K 2}, G+=max.{Gu G2}, G_=m in{Gi, G2}, <p+ — объемная доля более жесткой фазы, а <р_=1 —ф+ — объемная доля бо­ лее мягкой фазы. Тогда

К - +

 

 

Ф- ( * - - * + )

К + - К -

1+Зф+ - К --К +

1 +3<р_(-

 

3/C-+4G-

 

3K++4G+

G - - f

< P - ( G + - G _ ) __________

^ G ,^ G+ +

 

(K -+2G _) (G+—G-)

 

1+6ф -

5G _(3K-+4G _)

Ф- ( 0 - - 0 +) [

1 + 6ф+ f (К ++2 G +H G --G +) 5G+(3K++4G+)

В качестве оценки для G, и К* могут быть выбраны средние арифме­ тические или средние геометрические от граничных значений или сами эти граничные значения. При этом, если модули матрицы ниже, чем мо­ дули включений, то естественно использовать нижние граничные значе­ ния. Если же, наоборот, матрица жестче, чем включения, то естественно использовать верхние граничные значения.

Недостатком соотношений Хашина—Штрикмана является их нечув­ ствительность к структуре композита. Кроме того, если модули компо­ нентов сильно различаются, то вилка оказывается слишком широкой. По­ этому значительный интерес представляют методы, позволяющие вычис­ лять непосредственно эффективные модули композита. Простейший способ вычисления эффективных модулей предложен в [14], где предпо­ лагается, что включения имеют сферическую форму, их взаимодействием можно пренебречь, а средние напряжения в матрице совпадают с прило­ женными. При этих предположениях получаются соотношения

 

1+

Зф(/С!—/C2)Qi

\ .

 

q>(Gi —G2)a2

\

 

 

1 —ф4-Зф«1/Сг

'

 

1 —Ф + Ф G2a2

'

a v

_________ 1-V2.________

 

а2=-

15(1 —vs)

(1)

 

 

2 К 2 (1

2V2) + K j ( 1 + V 2 )

 

G2(7—5V2) + 2 G I (4 —5V2)

 

 

 

где vi, V2 — коэффициенты Пуассона включений и матрицы соответст­ венно. Можно показать, что учет взаимодействия включений в рамках

дипольного приближения метода самосогласованна {15] не приводит к изменению соотношения (1). Таким образом, соотношения (2) приме­ нимы при значительно более высоких объемных долях включений, чем предполагали авторы [14].

Простое преобразование соотношений (1) показывает, что они совпа­ дают с соответствующими границами вилки Хашина—Штрикмана (ниж­ ней, если дисперсная фаза жестче матрицы, и верхней в обратном слу­ чае). Другой, несколько более искусственный, вариант метода самосогласования, предложенный в [9], также, как показывает анализ, приво­ дит к соотношениям (1). Таким образом, для композита со сфериче­ скими включениями, случайно распределенными в матрице, все наибо­ лее известные методы приводят к одинаковым конечным выражениям. Если известны G, и X», то эффективный модуль Юнга композита

£ *= 9 K *G ,(3 K , + G ,)-'.

(2).

В предельном случае, когда

оба компонента несжимаемы

(Ki,2-»-oo,

V I , 2 = 0 , 5 ) , из соотношения (1)

следует

 

£ * = £ 2+ 1'

Ф (£ 1—£ 2)

( 3).

1+ ~ - ( 1- Ф) £ 1 г

 

 

 

£ 2

 

Сопоставление расчетных и экспериментальных динамических харак­ теристик АБС-пластиков. На рис. 1 приведены расчетные и эксперимен­ тальные температурные зависимости динамических модулей Юнга и тан­ генсов угла механических потерь tg б для АБС-пластика и его компонен­ тов. Экспериментальные зависимости были приведены ранее в [11, 16]. Измерения проводили методом вынужденных резонансных колебаний консольно закрепленного образца, описанным в [17], в диапазоне темпе­ ратур от —150 до 180° С. У сополимера САН резкое возрастание потерь и падение релаксационного модуля, соответствующее расстекловыванию материала, начинаются при температуре Т — 110—120° С. В области бо­ лее низких температур зависимость динамического модуля от темпера­ туры сравнительно слабая. На температурной зависимости tg б для БАК наблюдаются два перехода в релаксационной области примерно при —50 и —20° С, что связано, по-видимому, с неоднородностью строения каучука на субмикроскопическом уровне. Все указанные выше релакса­ ционные переходы компонентов могут быть найдены на температурной

Рис. 1. Расчетные и экспериментальные температурные зависимости динамического мо­ дуля Е' (а) и тангенса угла механических потерь tg б (б) для АБС-пластика и его компонентов. Эксперимент: О - САН, □ - БАК, • — АБС-пластик. Расчет по соот­ ношению ( 3 ) : ---------при отождествлении дисперсной фазы с БАК, --------- при отождествлении дисперсной фазы с привитым сополимером.

Сопоставление динамических характеристик АБС-пластиков, вычисленных при различных допущениях об объемной сжимаемости компонентов

т °с

Д о п у щ е н и е

Д о п у щ е н и е

Д о п у щ е н и е

о н е с ж и м а е м о с т и

vi,2(T =c o n st

/Ci,2 (7’) =c o n s t

 

£' • 10-е Н /м 2

t g 6

£' • 10-9 Н /м 2

tg б

£' • 10-9 Н /м 2

t g б

-1 5 0

3,41

0,031

3,32

0,030

3,41

0,033

-1 3 0

3,31

0,031

3,23

0,030

3,30

0,033

- П О

3,17

0,031

3,11

0,030

3,16

0,033

- 9 0

2,97

0,048

2,93

0,046

2,96

0,050

- 7 0

2,68

0,087

2,67

0,082

2,67

0,089

- 5 0

2,13

0,092

2,13

0,091

2.11

0,094

- 3 0

1,88

0,036

1.88

0,037

1.86

0,038

- 1 0

1,81

0,030

1,82

0,030

1,79

0,031

+ ю

1,77

0,027

1,78

0,027

1,75

0,028

+30

1,74

0,026

1,75

0,026

1,72

0,027

+ 50

1,71

0,026

1,72

0,026

1,68

0,027

+ 70

1,67

0,026

1,68

0,026

1,65

0,027

Расчетные зависимости Е'(Т) и tg б (Т) для АБС-пластика, получен­ ные по соотношению (3), приведены на рис. 1 (штриховая кривая 1). В целом теоретическая кривая передает особенности экспериментальной зависимости динамического модуля от температуры (см. рис. 1—а). Од­ нако наблюдается расхождение экспериментальных и теоретических кривых, наиболее заметное в области релаксационного перехода, отве­ чающего каучуковой фазе. Положение релаксационного перехода оказы­ вается также смещенным в область меньших температур. Это особенно наглядно проявляется при сопоставлении расчетных и эксперименталь­ ных зависимостей tg б (7") (см. рис. 1—б). Расчетный уровень потерь практически совпадает с экспериментальным всюду, за исключением об­ ласти релаксационного перехода, отвечающего каучуковой фазе. Теоре­ тический расчет сильно завышает уровень потерь в этой области и сме­ щает его в сторону низких температур.

Так как в действительности значительная часть привитого САН за­ хватывается включениями, интерес представляет изучение динамических свойств привитого сополимера. Зависимости Е'(Т) и tg6(T) для него представлены на рис. 2. Отождествим далее свойства дисперсной фазы со свойствами привитого сополимера в свободном состоянии. Рассчитан­ ные при этом допущении по соотношению (3) зависимости Е'(Т) и tg8(T) для АБС-пластика, представлены на рис. 1 (сплошная кривая 2).

Рис. 2. Расчетные и экспериментальные температурные зависимости динамического мо­

дуля Е' (а) и тангенса угла механических потерь tg6 (б)

для

привитого сополимера и

его компонентов. Эксперимент: О

— САН, □ — БАК,

А

— привитый сополимер;

---------расчет по соотношению (3)

при отношении объемных долей САН и БАК, рав­

 

ном 1 : 8.

 

 

Такой метод расчета дает лучшее приближение к экспериментальным зависимостям, чем использованный ранее. В частности правильно пред­ сказывается положение на шкале температур релаксационного перехода, соответствующего дисперсной фазе.

Отметим, что по динамическим характеристикам привитый сополи­ мер существенно отличается от БАК (см. рис. 2). В ряде работ [19, 20] блочные сополимеры рассматривались как двухфазные композитные системы, где каждая из фаз обладает характеристиками соответствую­ щего чистого компонента. Таким же образом могут рассматриваться и привитые сополимеры. Применимость данного подхода определяется сте­ пенью сегрегации компонентов. В [21] показано, что в том случае, когда характерный масштаб неоднородности в гетерогенной полимерной сис­ теме превышает размеры кинетического сегмента соответствующего компонента, ее динамические характеристики соответствуют двухфаз­ ному композиту. В частности, на зависимости tg6(7’) наблюдаются два максимума потерь, отвечающих чистым компонентам. При уменьшении масштаба неоднородности максимумы сближаются и, наконец, превра­ щаются в единый максимум потерь, расположенный в промежуточной области.

На рис. 2 представлены теоретические зависимости Е'(Т) и t g 6 ( f ) (штриховая кривая) для привитого сополимера САН на БАК, рассчи­ танные в предположении, что привитый сополимер представляет собой двухфазный композит с матрицей БАК и сферическими включениями САН при соотношении объемных долей фаз 8:1. Динамические характе­ ристики такой композитной системы почти совпадают с динамическими характеристиками БАК и не соответствуют реальным свойствам приви­ того сополимера. Анализ показывает, что и другие модели двухфазных композитов, применяемые в теории упругости микрогетерогенных сред, не могут описать динамических свойств привитого сополимера. Наличие единого, суженного по сравнению с БАК максимума потерь в области между максимумами БАК и САН позволяет предположить, что данный привитый сополимер является гетерогенной системой, в которой сегрега­ ция фаз незначительна. Простейшая качественная теория, описывающая вязкоупругие свойства таких систем, предложена в [22].

Таким образом, знание динамических характеристик привитого сопо­ лимера, входящего в состав АБС-пластика, позволяет прогнозировать динамические вязкоупругие свойства АБС-пластика существенно более точно, чем при простом отождествлении дисперсной фазы с каучуком. Это объясняется различием динамических характеристик чистого БАК и привитого сополимера САН на БАКПривитый сополимер вследствие значительного взаимопроникновения компонентов обладает динамиче­ скими свойствами, характерными для квазиоднородных систем и не опи­ сываемыми методами теории упругости двухфазных композитных сред.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М., 1979. 438 с.

2.Малкин А. Я-, Вольфсон С. А., Кулезнёв В. Н., Файдель Г. И. Полистирол. Физико-химические основы получения и переработки. М., 1975. 288 с.

3.Брогау С. Д. Теория упрочнения хрупких полимеров каучуками. — В кн.: Мно­

гокомпонентные полимерные системы. М., 1974, с. 141— 158.

4. Будтов В. 77., Гандельсман М. И. Исследование механизма упрочнения полистирольных пластиков каучуком. — Механика композитных материалов, 1979, № 5,

с.804—810.

5.Будтов В. П., Гандельсман М. И. О физико-химической модели упрочнения уда­ ропрочных полистиролов. — Докл. АН СССР, 1979, т. 249, № 2, с. 380.

6.Cigna G. Dynamic mechanical properties, structure and composition of impact polystyrene. — J. Appl. Polym. Sci., 1970, vol. Г4, p. 1781.

7.Dickie R. A., Mo-Fung Cheung. Heterogeneous polymer-polymer composites.

Viscoelastic properties of acrylic polyblends. — J. Appl. Polym. Sci., 1973, vol. 17, p. 79.

8.Kalfoglou N. К Williams H. L. Dynamic mechanical properties of epoxy-rubber polyblends. — J. Appl. Polym. Sci., 1973, vol. 17, p. 1377.

9.Kerner E. H. The elastic and thermo-elastic properties of composite media. — Proc. Phys. Soc., B, 1956, vol. 69, p. 808.

10. Bucknall С. B. Toughened plastics. London, 1977. 359 p.

И. Гольдман А. Я П ерепечко M. И., Текутьева 3. Е., Иванчев С. С., Павлю­ ченко В. Н., Сошина О. А., Садиков Б. Г. Вязкоупругое поведение полимерных мате­ риалов на основе АБС-пластиков. — Высокомолекулярные соединения. Сер. Б., 1980,

т.22, № 11, с. 864.

12.Шермергор Т. Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.. 1977. 399 с.

13.Hashiti Z., Shtrikman S. On some variational principles in anisotropic and nonhomogeneous elasticity. — J. Mech. Phys. Solyds, 1962, vol. 10, p. 343.

14.Кривоглаз М. А., Черевко А. С. Об упругих модулях твердой смеси. — Физ. хим. механика материалов, 1959, т. 8, № 2, с. 161.

15.Левин В. М. К определению эффективных упругих модулей композитных ма­ териалов. — Докл. АН СССР, 1975, т. 220, № 5, с. 1042.

16.

Гольдман А.

Иванчев С.

С.,

Павлюченко В.

Н., Перепечко И. И., Пес­

е т а 3.

М., Сошина

О. А., Текутьева

3.

Е. Акустические

свойства бутилакрилатного

каучука. — Высокомолекулярные соединения. Сер. Б, 1980, т. 22, № 9, с. 714.

17.Перепечко И. И. Акустические методы исследования полимеров. М., 1973. 296 с.

18.Работное Ю. Н. Элементы наследственной механики твердых тел. М., 1977.384 с.

19.Феско Д. Г., Чогл Н. В. Температурно-временная суперпозиция для термореоло­ гически сложных материалов. — В кн.: Вязкоупругая релаксация в полимерах. М.,

1974, с. 57—75.

20. Лим С. К., Коэн Р. Е., Чогл Н. В. Применение принципа температурно-времен­ ной суперпозиции для блоксополимеров. — В кн.: Многокомпонентные полимерные сис­

темы. М., 1974, с. 206—222.

21. Kaplan D. S. Structure property relationships in copolymers to composites: mo­ lecular interpretation of the glass transition phenomenon. — J. Appl. Polymer Sci., 1976,

vol. 20, p. 2615.

22. Гандельсман M. И., Готлиб Ю. Я Д аринский А. А. Частотная зависимость tg 6 —тенгенса угла механических потерь для двухблочной полимерной цепи. — Высоко­

молекулярные соединения. Сер. А, 1981, т. 23, №

10, с. 2162.

Охтинское научно-производственное объединение

Поступило в редакцию 06.04.81

Пластполимер», Ленинград