Механика композитных материалов 3 1983

в системе частиц дисперсной фазы и до появления возможности опи­ сать систему как дисперсную с помощью уравнения Эйнштейна. На­ помним, что в соответствии с рис. 6 собственно выделение частиц дис­ персной фазы ведет к последующему возрастанию вязкости, т. е. мы должны принять, что резкое падение вязкости происходит именно в предпереходной области метастабильного состояния. Именно в этой об­ ласти, в соответствии с представлениями о механизме нуклсации, про­ исходит возникновение зон, обедненных одним из компонентов, т. е. фактически переходных областей между двумя фазами. Эти переход­ ные или межфазные области вследствие механизма разделения (в дан­ ном случае как при нуклеационном, так и при спинодальном механизме разделения) характеризуются меньшей плотностью, т. е. повышенным свободым объемом.

Из этого следует, что молекулярная причина понижения вязкости заключается в механизме формирования новой фазы. Термодинамичес­ кая теория процесса нуклеации разработана Гиббсом, а для спинодального распада — Каном и Хиллардом [13], однако эти процессы не рассматривались с точки зрения механических и реологических свойств разделяющихся на две фазы систем. Таким образом, в настоящее время появляется возможность объединения термодинамического и ме­ ханического рассмотрения поведения бинарных систем в области фа­ зового разделения. В заключение рассмотрения этой проблемы мы хо­ тим еще раз подчеркнуть очень важную особенность проявления экст­ ремальности вязкости в бинарных системах. Экстремальные изменения проявляются при прямом и обратном переходе системы из однофаз­ ного в двухфазное состояние при изменении состава системы (при пе­ ресечении бинодали и спинодали) и при постоянном составе при изме­ нении температуры в зависимости от типа критической температуры смешения. Но областью проявления экстремальности является не соб­ ственно точка перехода и соответственно не момент перехода системы из гомо- в гетерогенное состояние (или наоборот), а в соответствии с определением [14] ею является область «предпереходных аномалий» или область «предпереходного состояния», возбужденного, с избыточ­ ной энергией, локализованного в метастабильной зоне между бинодалью и спинодалыо.

В гипотетической, идеализированной системе с резко очерченным идеальным переходом из гомо- в гетерогенное состояние спинодаль и бинодаль не разделены, метастабильная зона отсутствует и «область» «предпереходных аномалий» практически неуловима. В полимерных системах с высокой степенью кинетической заторможенности, с низ­ кими диффузионными способностями область предпереходного состоя­ ния обширна и метастабильна и позволяет не только изучать эффекты экстремального изменения вязкости, но и найти им практическое при­ менение в области переработки полимерных материалов, в том числе при переработке наполненных полимеров.

Рассмотрим теперь еще один аспект реологического поведения би­ нарных систем, существенный с точки зрения понимания «аномалий» вязкости. Здесь особый интерес представляют полимергомологи, раз­ личающиеся по молекулярной массе, например смеси полимергомологов с молекулярной массой выше и ниже критической. В наших рабо­ тах было установлено, что смеси полимергомологов, существенно различающиеся по молекулярной массе, могут в зависимости от темпе­ ратуры и состава находиться в термодинамически устойчивом или неус­ тойчивом состоянии [15]. Очевидно, что в такой системе, где термо­ динамическая стабильность есть функция температуры и состава и молекулярной массы, в принципе также возможно проявление анома­ лий вязкости.

Мы сравнили термодинамическое состояние систем с их вязкостью, используя смеси различных узких фракций полибутадиена с крайними представителями с молекулярной массой 2-104 (ПБ-1) и 5-105 (ПБ-4)

намического состояния системы, но и показывают, что эффекты изме­ нения реологических характеристик, достигаемые путем введения в

один полимер небольших количеств другого, могут быть достигнуты также определенным смешением фракций разной молекулярной массы, что имеет существенное практическое значение.

Следует подчеркнуть общность явления падения вязкости для пар полимеров как в том температурном интервале, в котором оба поли­ мера находятся в состоянии расплава, так и тогда, когда один из них уже перешел в твердое состояние. В последнем случае система может рассматриваться по аналогии с наполненными дисперсными наполни­ телями системами. Однако переход полимерного наполнителя из твер­ дого состояния в расплав не оказывает влияния на эффект резкого снижения вязкости, что подчеркивает его независимость от агрегат­ ного и фазового состояния одного из компонентов и его связь ис­

нениях реологических свойств полимерных смесей в состоянии рас­ плава с их свойствами в твердом состоянии. Как правило, области ми­ нимума вязкости соответствует область максимума механических свойств [ п ] . Это, очевидно, связано с тем, что структура, возникаю­ щая в метастабильном состоянии, замораживается при переходе через температуры плавления или стеклования, в результате чего в твердом состоянии появляется своеобразная структура «наполненного поли­ мера». В такой структуре, варьируя соотношением составов, можно регулировать размеры микрофазовых частиц или микрофазовых обла­ стей переменного состава, их распределение в объеме и характер их взаимодействия друг с другом. Таким образом, термодинамическое со­ стояние системы в расплаве не только влияет на реологические свой­ ства, что позволяет широко использовать эти эффекты при переработке пластмасс (последнее уже осуществлено нами в широких масштабах на ряде производств), но и одновременно улучшает физико-механи­ ческие свойства получаемых композитных материалов.

Материалы, изложенные в настоящем докладе, основаны на резуль­ татах работ, проведенных автором совместно с Е. В. Лебедевым, А. Е. Нестеровым и В. Ф. Шумским.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Кулезнев В. Н., Кошох Н. В., Виноградов Г. В ., Дмитриева И. П. Реология

смесей аморфных и кристаллических полимеров на примере смесей полиамида с со­ полимером акрилонитрила со стиролом. — Высокомолекуляр. соединения. Сер. А, 1979, т. 21, N° 9, с. 2093—2098.

4. Липатов Ю. С., Шумский В. Ф., Гетманчук И. П. Вязкость смесей полипропнленгликоля и полиэтиленгликоля различного молекулярного веса. — Докл. АН

т.23, N° 1, с. 44—49.

6.Липатов Ю. С., Шумский В. Ф., Л ебедев Е. В., Нестеров А. Е. Вязкость и

термодинамика смесей расплавов полимеров. — Докл. АН СССР, 1979, т. 244, N° 1,

с.148— 151.

7.Шумский В. Ф., Л ебедев Е. В., Липатов 10. С. Вязкоупругие свойства смесей кристаллизующихся полимеров. — Высокомолекуляр. соединения. Сер. А, 1979, т. 21, N° 5, с. 992— 1000.

10. Lipatov Уи. Nesterov А. Ё., Shumsky V. Р., Ignatova t. t)., (jorbatenko A. N.

Comparison of thermodynamic and rheological properties of binary polymer mixtures. — Europ. Polymer J., 1982, vol. 18, p. 981—986.

№12, с. 22—31.

13.Cahn J. Spinodal decomposition. — Trans. Metallurg. Soc., AIME., 1968, vol. 242,

N 2, p. 166— 180.

14.Френкель #. //. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975. 592 с.

15.Липатов Ю. С., Нестеров А. Е., Игнатова Т. Д. Термодинамические свойства

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, М 3, с. 510—513

УДК 621:678.067

С.Б. Черевацкий, Ю. П. Ромашов, Е. М. Цснтовский,

С.Г. Сидорин

ОПТИМАЛЬНЫЕ НАКОПИТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОБОЛОЧЕЧНОГО ТИПА, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ НАМОТКОЙ

В последние годы была установлена техническая осуществимость эффективного использования накопителей механической энергии (НМЭ) в различных областях техники. Выявлены большие потенциальные воз­ можности применения композитов в маховиках. Однако существует ряд вопросов, требующих дальнейшей разработки. Один из них — со­ вершенствование конструкции высокоэнергоемкого НМЭ.

В работе исследуется вопрос построения оптимального НМЭ обо­ лочечного типа из композитного материала, армированного высоко­ прочными нитями. При расчете НМЭ рассматривается как топкая обо­ лочка, образованная сетевой намоткой гибкими нитями. Решение поставленной задачи сводится к определению формы меридиана по­ верхности и траектории намотки нити. Оптимальная задача в данном случае состоит в отыскании максимума функционала удельной массо­ вой энергоемкости при наличии условий связи, которыми являются уравнения равновесия рассматриваемой оболочки, а также ограниче­ ния по прочности армирующей нити и условию возможности ее намотки.

1. Рассматривается тонкая оболочка вращения, нагруженная цент­ робежной массовой нагрузкой и осевой силой, равномерно распреде­ ленной по контуру полюсного отверстия (рис. 1). Уравнения равнове­ сия такой оболочки могут быть получены из общих уравнений сетевых оболочек [и -

Вводя условие возможности намотки нити на поверхность

riTy — -(sin Y) COS2 cp+ ~ sin2 cp sin Y J — mco2r sin Y = 0,

где г — радиус парал­ лельного круга; со — уг­ ловая скорость вращения оболочки; m — масса единицы длины нити; Т — натяжение нити; п — число нитей в монотропном слое; Р — осевая сила; у — угол между

Рис. 1. Расчетная схема НМЭ оболочечного типа. нормалью поверхности и

ОСЬЮ вращения оболочки; F — площадь поперечного сечения нити; <р —

угол намотки нити; ф угол между касательной к нити и силой тре­ ния, k — коэффициент трения.

2. Оптимальная задача состоит в отыскании максимума функцио­ нала удельной энергоемкости

E = U/M,

Для решения задачи используем аппарат классического вариацион­ ного исчисления [2, 3]. Преобразуя ограничения в виде неравенств в

В результате анализа необходимых условий экстремума (1) в раз­ вернутом виде получим три класса экстремалей. Первый класс реали­ зуется на равнопрочных оболочках. Закон их намотки

Второй и третий классы осуществляются намоткой нити по траекто­ риям с постоянным коэффициентом трения и отличаются друг от друга только направлением отклонения вектора силы трения от геодезичес­ кой линии. Обозначим эти классы соответственно £ < 0 и k > 0 . Урав­ нения в этих случаях примут вид

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 3, с. 514—517

УДК 539.4:678.067.5

А.-К. В. Гвалда, О. П. Крейнин, И. И. Сапрагонас, А. Н. Мачюлис

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СТЕКЛОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИАМИДОВ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

В связи с растущим применением стеклонаполисмных полиамидов как конструкционных материалов актуальными являются исследования возможностей модификации их свойств. Эффективным способом моди­ фикации свойств является диффузионная стабилизация [1], однако в случае наполненных полиамидов отмечены некоторые ее особенности [2]. Поэтому представляло интерес рассмотреть влияние диффузионной стабилизации на механические свойства стеклоиаполненного полиамида.

Проведенные рентгеноструктурные исследования показали, что тен­ денции изменения кристаллической структуры поверхностного слоя в случае стеклонаполненных полиамидов те же, что и для иенаполиенных [!]• Диффузионная стабилизация полиамида ПА6, наполненного 30% стекловолокна, хингидроном (1 ч. в 12,5% этанольном растворе хин-

приводит в первом случае к образованию в поверхностном слое ярко выраженной a -формы, во втором случае — к заметной его аморфизации (рис. 1).

Для определения влияния диффузионной стабилизации на дефор­ мационные свойства проведены исследования релаксации напряжений при растяжении (образцы типа 5 по ГОСТ 11262—80, установка [3]). Для описания результатов использовалось уравнение теории вязко­ упругости

текания релаксационных процессов, особенно в начальный момент

*Скорость охлаждения — 5°С/мин.

**Скорость охлаждения — ГС/мин.