Механика композитных материалов 5 1980
..pdf1.Владимиров В. И. Физическая теория пластичности и прочности. Ч. 1. Л., 1973.
118 с. Ч. 2. Л., 1975. 151 с.
2.Fisher J. С., Hart Е. W., Pry R. Н. The hardening of metal crystals by precipitate
particles. — Acta Met., 1953, vol. 1, N 3, p. 336—339.
3. Brown L. M., Clarke D. R. The work-hardening of fibrous composites with parti cular reference to copper-tungsten system. — Acta Met., 1977, vol. 25, N 5, p. 563—570.
4.Владимиров В. И., Приемский Н. Д. Модель деформационного упрочнения волокнистого композиционного материала. — В кн.: Физика прочности композицион ных материалов. Л., 1979, с. 21—26.
5.Ashby М. F. The deformation of plastically non-homogeneous materials. — Philos.
Magaz., 1970, vol. 21, N 169, p. 389—424.
6.Neumann P., Haasen P. Work-hardening theory of fiber-reinforced composites. — Philos. Magaz., 1971, vol. 23, N 182, p. 285—292.
7.Владимиров В. И., Монин В. И. Исследование внутренних напряжений в ком
позитах, упрочненных частицами. —■ Физика металлов и металловедение, 1977, т. 44,
№5, с. 1031— 1037.
8.Russel К■С., Ashby М. F. Slip in. aluminium crystals containing strong plate-like
particles. — Acta Met., 1970, vol. 18, N 7, p. 891—901. |
|
|
9. |
Lewis M. H., Martin J. W. Yelding and work-hardening in inernally oxided |
|
copper alloys. — Acta Met., 1963, vol. 11, N 11, p. 1207— 1214. |
Werbundwerstoffen (ge- |
|
10. |
Wklsch G. Electronenmikroskopie und Festigkeit von |
|
richtet |
erstarrate Eutektika). — Z. Werkstofftech., 1976, Bd 17, |
N 3, S. 333—338. |
11. Владимиров В. И., Романов А. Е., Приемский Н. Д. Ротационная неустойчи вость пластической деформации в композиционном материале. — В кн.: Физика проч
ности композиционных материалов. Л., 1979, с. 27—33. |
|
|
12. |
Kelly A., Tyson W. R. Tensile properties of fibre-reinforced metals: copper/tungs- |
|
ten and copper/molybdenum. — J. Mech. Phys. Solids, |
1965, vol. 13, N 6, p. 329—350. |
|
13. |
Huang W., Мига T. Elastic fields and energies |
of a circular edge disclination |
and a |
straight serew disclination. — J. Appl. Phys., 1970, vol. 41, N 13, p. 5175—5179. |
|
Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе |
Поступило в редакцию 29.01.80 |
|
АН СССР, Ленинград |
|
УДК 678.046:539.376:539.377
Ю. С. Липатов
ВЯЗКОУПРУГОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ композитов, СОДЕРЖАЩИХ ДИСПЕРСНЫ ИВОЛОКНИСТЫЕ НАПОЛНИТЕЛИ
1. Исследованиями релаксационных свойств наполненных полиме ров, проведенными ранее [1, 2], установлено, что в результате адсорбци онного взаимодействия на границе раздела твердый наполнитель—поли мерная матрица происходят изменения молекулярной подвижности полимерных цепей, обусловленные рядом причин: обеднением конформационного набора вследствие наличия непроницаемого барьера [3], адсорб ционным взаимодействием, связывающим значительную долю полимер ных сегментов на поверхности [4], изменением характера молекулярной упаковки вследствие замедленности релаксационных процессов [5] и др. Изменение в результате действия указанных факторов структуры самого поверхностного слоя приводит к тому, что наполненный полимерный композит может рассматриваться как трехкомпонентная система, обра зованная жестким ядром (частицей наполнителя или волокном), по верхностным слоем полимера со свойствами, измененными по сравнению со свойствами полимера-матрицы, и полимером-матрицей. Рассмотрение тонкой полимерной пленки как трехслойной пластинки, у которой внеш ние слои образованы поверхностными слоями полимера, а внутренний слой является неизменным, позволило провести количественную оценку различий в свойствах полимеров в поверхностном слое и в объеме [6, 7], применяя формулы, описывающие колебания консольно закрепленного стержня прямоугольного сечения. Исследованиями динамических меха нических свойств, проведенными в последнее время [8—10], показано на личие градиента сегментальной подвижности в поверхностном слое по лимера на твердом теле, т. е. неоднородность изменения свойств по мере удаления от границы раздела с твердым телом. Для примера на рис. 1 показана зависимость температуры максимума механических потерь от толщины слоя, оставшегося на твердой поверхности после удаления части
покрытия. Как видно, по мере умень шения толщины оставшегося слоя по лимера Гм полимера закономерно из меняется.
Рис. 1. Зависимость Тм от толщины оставшегося слоя покрытия.
Рис. 2. Зависимость Гм полимера от расстояния до поверхности подложки.
В работе [10] была разработана специальная методика, основанная на использовании уравнений для двухслойных образцов, которая позво лила вычислить характеристики не только оставшегося на поверхности, но и удаленного с поверхности (с разных расстояний от нее) слоя поли мера (рис. 2). Как видно из рис. 2, где приведены значения 7М для слоев, находившихся на различном расстоянии от подложки, Тм и, сле довательно, сегментальная подвижность полимера на поверхности явля ются функцией расстояния до поверхности подложки. Аналогичные в принципе результаты были получены [10] при исследовании градиента сегментальной подвижности в прослойках эпоксидного полимера, отверж денного между полипропиленовыми пленками. Причиной возникнове ния градиента сегментальной подвижности, кроме уже перечисленных выше, может быть также влияние поверхности раздела на условия от верждения полимера [11]. Однако, так или иначе, можно считать установленной немонотонность изменения физических и механических характеристик полимера в поверхностном слое на границе раздела с твердым телом вплоть до достижения характеристик, присущих объему,
т. е. полимеру-матрице.
2. Спектрывремен релаксации наполненных полимеров. Исходя из
изложенного можно было ожидать, что введение наполнителя приведет к существенным изменениям молекулярной подвижности на разном рас стоянии от поверхности и вследствие различного релаксационного пове дения полимера в поверхностном слое и в объеме повлияет на измене ние спектров времен релаксации.
В работах [1, 12, 13] было установлено возрастание среднего времени релаксации в наполненных системах. Расширение спектра времен релак сации было обнаружено и по величине параметра распределения, полу чаемого из данных диэлектрической релаксации [14].
Непосредственное экспериментальное определение спектров времен релаксации, проведенное в [12] на примере эпоксидной композиции, на полненной кварцевой мукой, показало, что в таких системах действи тельно происходит изменение спектров времен релаксации. На рис. 3 представлены кривые значения спектральной функции Н при различных концентрациях наполнителя ф. Из рисунка видно, что при малой кон центрации наполнителя (ф= 0,04) спектр времен релаксации претерпе вает изменения лишь в области малых времен. Увеличение концентра ции наполнителя (кривые 2, 3 рис. 3), помимо расширения в области
Рис. 3. Спектры времен релаксации отвержденной эпоксидной смолы ЭД-5 с кварцевым наполнителем: 1 — образец без наполнителя; 2 — ф = 0,04; 3 — 0,31; 4 — 0,44.
Рис. 4. Спектры времен релаксации образцов с эпоксидным наполнителем: 1 — ф = 0,05; 2 •— 0,1; 3 — 0,40; 4 — 0,25; 5 — наполнитель (смола ЭД-5).
малых времен, показывает также расширение и сдвиг спектральной функции в сторону больших времен. Кроме того, значение спектральной функции Н возрастает с увеличением концентрации наполнителя, и на клон линейной части спектра в наполненных образцах меньше, чем в ненаполненном. Учитывая, что спектр времен релаксации кварца не пере крывается спектром связующего, отмеченные изменения в спектрах следует связывать лишь с изменениями свойств самой полимерной матрицы, вернее, со свойствами поверхностных слоев полимеров. На характере спектра сказывается, как было показано [13], также измене ние условий деформирования наполненных образцов вследствие полной недеформируемости наполнителя. Роль этого фактора подробно рас смотрена в [13]. Общий анализ показал, что смещение спектральной функции Я в наполненных высокомодульным наполнителем композитах является результатом воздействия, по крайней мере, двух причин, одна из которых — изменение условий деформирования в присутствии частиц наполнителя, а другая — влияние поверхности наполнителя на свойства. Первый фактор сдвигает всю кривую влево, а второй — вправо, что позволяет разделить вклад различных эффектов. С целью исключения роли первого фактора в той же работе [13] была исследована другая система — эпоксидная смола с наполнителем — отвержденной эпоксид ной смолой той лее химической природы. Спектры времен релаксации для этого случая представлены на рис. 4.
Обращает на себя внимание существенный сдвиг спектральных кри вых в сторону больших времен релаксации по сравнению со спектром смолы, отвержденной без наполнителя. В присутствии наполнителя про исходит также расширение спектральных кривых и изменение их на клона. Характерно, что сдвиг и расширение спектров в этом случае заметно больше, чем для образцов с кварцевым наполнителем. Связано это с исключением фактора недеформируемости наполнителя, в резуль тате чего влияние поверхности наполнителя на изменение свойств по верхностных слоев проявляется более четко.
Отмеченная выше немонотонность в изменении свойств поверхност ных слоев полимеров по мере удаления их от поверхности и различный вклад этих изменений в общую спектральную характеристику приводя! к довольно сложной зависимости в изменении расположения спектраль ных кривых с изменением содержания наполнителя (см. рис. 4). С целью упрощения рассмотрим концентрационную зависимость среднего времени релаксации изученных систем (рис. 5). Как видно, эта зависимость немонотонна и имеет минимум в об ласти 15—20% наполнения. Немоно тонность зависимости может быть
Рис. 5. Зависимость среднего времени релаксации х от концентрации эпоксидного иг полнителя.
Рис. 6. Пример расчета температурных зависимостей механических потерь для дву.1:
компонентной |
системы |
при |
различных |
соотношениях |
полимер—граничный слов |
Фь = 0,6 (/); |
0,7 (2); |
0,8 (5); |
0,9 (4); |
0,95 (5); 0,99 (5). |
Гв0=125о С; 7 ^ = 100° С. |
отражением того факта, что структура самого граничного слоя также немонотонна и изменяется различным образом с изменением объемной доли и толщины поверхностного слоя.
3. О сдвиге и разрешимости релаксационных максимумов в двухфаз ных полимерных системах. Вопрос о характере изменения спектров вре мен релаксации имеет существенное значение как с точки зрения опре деления режимов получения полимерных композитов, содержащих дис персные и волокнистые наполнители, так и для определения условий их эксплуатации, поскольку введение наполнителя приводит к повышению температуры стеклования полимера.
В работе [15] на основании данных по теплоемкостям наполненных полимеров было установлено общее правило, согласно которому повы шение температуры стеклования наполненного образца есть функция объемной доли полимера, перешедшей в состояние поверхностного слоя;
она описывается соотношением |
|
Tgf=Tgo+vA7\ |
(1) |
Здесь 7^0 — температура стеклования ненаполненного полимера; v — доля полимера, находящегося в состоянии поверхностного слоя; ДТ — смещение температуры стеклования наполненного полимера при усло вии перехода всего полимера в состояние поверхностного слоя, т. е. для v = 1.
Хотя температура стеклования не является характеристикой про цесса релаксации, по своей природе она носит кинетический, релаксаци онный характер. С этой точки зрения может вызвать недоумение тот факт, что несмотря на рассмотренное выше влияние наполнителя на гра диент сегментальной подвижности и на спектры времен релаксации, в практических системах зависимость Tg от v действительно удовлетвори тельно описывается уравнением (1), характеризующим наполненную систему одной температуры стеклования. Казалось бы, что большое раз личие в свойствах между поверхностным слоем и полимером-матрицей, характеризуемой величиной АТ, должно было бы приводить в опреде ленных условиях к появлению двух температур стеклования, как для двухслойного образца, состоящего из слоев разной физической струк туры.
До последнего времени, несмотря на подробно развитую теорию стек лования наполненных полимеров [16], причина отсутствия разделения температур стеклования в полимерных композитах оставалась неясной. Частично это можно было объяснить тем, что применяемые методы дают диапазон температур переходов, а не узкую область, что может приво дить к общему смещению области релаксационного перехода без его разрешения на два.
Учитывая, что данный вопрос имеет принципиальное значение для понимания природы релаксационных явлений в наполненных полимерах, рассмотрим более подробно недавно полученные в этом направлении ре зультаты [17].
С целью выяснения условий разделения максимумов механических потерь, отвечающих полимеру в граничном слое и неизмененной матрице, были проведены машинные расчеты для различных выбранных моделей структуры наполненного полимера. В реальном наполненном полимере реализуется хаотическое расположение в пространстве поверхностных слоев на частицах наполнителя и неизмененной матрицы, что делает затруднительным теоретическое описание такой системы в рамках су ществующих моделей механических свойств композитов. С целью упро щения рассмотрим простую модель, согласно которой полимер предпо лагается состоящим из двух разных областей с различными свойствами.
Если исключить из рассмотрения деформацию наполнителя, то дефор мация модели сведется к деформации двух составляющих слоев. Эти со ставляющие слои могут быть соединены друг с другом параллельно или последовательно. В качестве третьего варианта просчета была выбрана модель Такаянаги [18].
Существуют простые уравнения, позволяющие теоретически устано вить основные особенности вязкоупругих свойств составных образцов.
Для проведенных с помощью ЭВМ расчетов в качестве модельных кривых зависимости вещественной части комплексного модуля сдвига от температуры и тангенса угла механических потерь были взяты данные для эпоксидных смол (хотя выбор модельного полимера является произ вольным и не отражается, как это будет видно в дальнейшем, на конеч ных результатах). Использованные экспериментальные зависимости мо гут быть аппроксимированы следующим образом:
lg G' = A arcctg B(T —Tg) ; tg8 = C e x p [ - D ( T - T g)2].
Свойства второго компонента — граничного слоя — моделировались прос тым смещением экспериментальной кривой вдоль оси температуры, что характеризовало повышение или понижение температуры стеклования граничного слоя. Путем подстановки в эти уравнения функции темпера турной зависимости tg б для каждого компонента были получены за висимости tg 6=/(T) для двухкомпонентного образца. Принимая во внимание, что Tg обозначает температуру, при которой наблюдается мак симум на зависимости tg б= /(Т), и что условием существования макси мума является равенство нулю первой производной функции по аргу менту, одним из путей определения Tg было нахождение аналитических зависимостей для первой производной tgfi, приравнивание ее нулю для равных соотношений компонентов и соответствующее вычисление Tg. Более удобным, однако, оказалось численное интегрирование для вычис ления Tg системы при разных температурах по приведенным ниже урав нениям и путем варьирования объемных долей и температур стеклова ния компонентов. Вычисление G' и tg б двухкомпонентной системы про водилось для случая параллельного деформирования по уравнениям
G' = q>iG'\ + cp2GV, |
(piG'i tg 61 + ф2^'2 tg 62 |
4 |
|
tg6 — |
( p i G ' i + (P 2G '2 |
||
|
|
|
|
(где фь фг — объемные доли |
компонентов; |
G'\, G'z, tg 61, tg 62 — вязко- |
упругие характеристики при некоторой произвольной температуре), а для случая последовательного соединения — уравнения
G',G'2 |
|
G'=h |
|
Ф1 |
ф2 |
tg 61 |
G'z tg 62 |
Рис. 6 показывает теоретическую температурную зависимость для двухкомпонентной системы при различных соотношениях полимер—гра ничный слой и для произвольно выбранной разности их температур стек лования. При этом было предположено, что один из .компонентов имеет постоянную 7^=125° С, в то время как для второго компонента с фг= ф/. величина Tg варьировалась от 90 до 160° С. Таким образом, моделг включала одновременно как повышение, так и понижение Tg граничногс слоя под влиянием поверхности наполнителя (второй случай может быть существенным из-за изменения химической структуры граничногс слоя вследствие изменения условий отверждения вблизи поверхности)
Из рис. 6 видно, что с ростом доли граничного слоя имеют место законо мерное смещение, расширение и затем расщепление максимума механи ческих потерь на два. Аналогичные результаты дают расчеты для других разностей температур стеклования. Рассмотрим теперь концентрацион ную зависимость Tg и tg6 для двух случаев.
Случай 1. Граничный слой имеет более-высокую температуру стекло вания по сравнению с полимером в объеме, т. е. слой является как бы более «жестким». На рис. 7 показаны зависимости Tg и tg б, вычислен ные для модели с параллельным соединением элементов. Видно, что, если Тgi превышает Tg0 менее чем на ATg=\5°, имеется только сдвиг по ложения максимума на кривой в сторону более высоких температур без появления второго максимума при любой концентрации граничного слоя в системе (кривые 1, 1' рис. 7—а). При этом положение максимума про ходит через минимум в области малых концентраций полимера в гра ничном слое (кривая 1 рис. 7—б).
Для случая последовательного соединения минимум tg б расположен в области относительно более высоких содержаний граничного слоя Фг, = 0,8— 0,9. Таким образом, способ соединения элементов модели ока зывает существенное влияние на концентрационную зависимость Tg. Для параллельного соединения компонентов сравнительно малое увели чение фL ведет к существенному росту Tg (кривая 1 рис. 7—а), в то время как для последовательного соединения заметный рост Tg прояв ляется только при высоких фг, (кривая Г рис. 7—а). При параллельном соединении второй максимум потерь, который характеризует свойства граничного слоя, становится более выраженным при малой концентра ции граничного слоя (кривые 2, 3 рис. 7—б). В то же время для второй модели второй максимум проявляется при очень высоких концентрациях граничного слоя (кривая 5 рис. 7—б).
Для разрешения максимумов является, таким образом, характерным, что оно наступает в случае последовательного соединения при значи тельно большей разности температур стеклования между полимеромматрицей и граничным слоем. Так, если для параллельного соединения разрешение максимумов становится очевидным при ATg = 25° (кривая 2 рис. 7), то для последовательного соединения разрешение проявляется только при ATg = S5° (кривые 5 рис. 7).
Рассматриваемые модели интересны с той точки зрения, что они предсказывают, что при высоком значении АГ^25°, при низком содер жании граничного слоя, увеличение его концентрации приводит к неко торому смещению главного максимума в сторону более низких темпера тур (кривые 4, 5 рис. 7). Высота максимумов уменьшается (кривые 4, 5 рис. 8), и при сравнительно малой концентрации жесткого слоя появляется второй максимум, величина которого линейно возрастает с ростом фь (кривые 2, 3 рис. 8). Для последовательного соединения эти эффекты выражены менее заметно и проявляются только в области очень высоких концентраций жесткого компонента (кривые 5 рис. 7 и 8).
Случай 2. Граничный слой имеет низкую Tg по сравнению с полиме ром в объеме («мягкий» граничный слой). Этот случай фактически явля ется зеркальным отображением предыдущего. Однако его подробный анализ позволил выявить некоторые интересные черты поведения систем с «мягким» граничным слоем, которые не были самоочевидными. Рас четные данные представлены на рис. 8. Из рисунка видно, что при раз ности ДТе не более 15—20° С проявляется только один максимум, не сколько сдвинутый, что и следовало ожидать, в сторону более низких температур (кривые 1 и 1' рис. 8). Положение максимума немонотонно изменяется с ф^ и проходит через минимум по концентрационной оси, причем это явление зависит от способа соединения деформируемых об ластей — для последовательного соединения даже малое содержание
мягкого компонента значительно понижает Tg и tg6 (кривая 1). Для параллельного соединения уменьшение Tg с ростом фь почти линейно и незначительно зависит от ATg, достигая заметных значений при Фь>0,8—0,9, где проявляется нелинейная зависимость Tg=f(q>L) (кри вые 1—3 рис. 4). Появление второго, низкотемпературного, максимума для модели с параллельным соединением наблюдается при сравнительно высоких фL и сопровождается его сдвигом в сторону высоких температур с ростом фь (кривые 4, 5 рис. 8—б). Обращает на себя внимание также рост Tg для модели с последовательным соединением в области малых фь (см. кривые 5, рис. 8—а). Как и в случае Tgi> T go, это происходит при достаточно больших ATg и связано, очевидно, с суперпозицией «хвостов» кривых зависимостей tg6 = /(r) исходных компонентов.
Оба рассмотренных случая в принципе могут быть приложены к ана лизу вязкоупругого поведения слоистых и анизотропных пластиков с од нонаправленным расположением армирующих элементов. Результаты расчетов показывают, что в таких системах сдвиг максимумов механи ческих потерь к высоким и низким температурам и условия их разре шения зависят от Tg граничных слоев, их объемной доли в полимерной матрице и взаимного расположения компонентов в деформирующем по лимере.
Случай 3 (модель Такапнаги). В реальных полимерных системах расположение граничных слоев на поверхности армирующего элемента носит хаотический характер; это означает, что часть их может быть де формирована параллельно с матрицей, а часть — последовательно. По-
Рис. |
7. Концентрационные |
зависимости |
Tg |
(а) и tg б |
(б) |
для |
двухкомпонентного |
об |
разца при Tgi>Tgo: 1—5 — параллельное деформирование; |
/'—3', 5' — последователь |
|||||||
|
ное деформирование |
7’g/=140°C (1, |
/'); 150° С (2, |
2', 4)\ |
160° С (3, 3', 5, 5'). |
|
||
Рис. |
8. Концентрационные |
зависимости |
Tg |
(а) и tg б |
(б) |
для |
двухкомпонентного |
об |
разца при Tgi<Tg0: 1—5 — параллельное деформирование; V—3', 5' — последова тельное деформирование. 7^/= 110° С (1, /'); 100° С (2, 2', 4) \ 90° С (3, 3', 5, 5').
этому Представляет интерес провести расчет таких систем в соответст вии с двухфазной моделью Такаянаги {18], приложенной в данном случае к прослойкам связующего между частицами наполнителя или армирую щим элементом. При выборе параметров модели Такаянаги X и Ф были сделаны следующие допущения. Частицы наполнителя рассматривались как кубические с длиной стороны с и как образующие в матрице поли мера простую кубическую решетку. Граничный слой полимера имеет постоянную толщину d для всех концентраций наполнителя. Благодаря высокому модулю наполнитель исключается из участия в деформацион ном процессе. Следовательно (рис. 9), области полимера, нагружаемые параллельно частицами наполнителя, исключаются из деформации, и вязкоупругие свойства наполненного полимера зависят только от свойств граничных слоев, деформируемых последовательно с частицами напол нителя. С учетом таких упрощающих предположений увеличение числа частиц наполнителя приводит к уменьшению а длины грани элементар ной структурной ячейки, состоящей из частицы наполнителя и гранич ного слоя (C+ GQ и слоя матрицы. В этом случае параметры модели Та каянаги X и Ф для фf=c3Ja3 могут быть выражены следующим образом:
® = d/['l2{a -c)\ = {2d/с) Уф// (1 —Уф/) ;
Х= (c+2d)/a= (с + 2^)Уф//с.
Вычислив значения этих параметров для различных объемных долей на полнителя и предположив, что с= 10• 10-6 м и d = 0,5-10-6 м, на основе модели Такаянаги можно получить выражения
|
G' = (1 —X) G'i+ XX/ {х2+у2) ; G" = (1 - |
X) G"2+XY/ (х2 + г/2), |
|
„ |
(l-<P)G'i |
ФО'з |
(1—Ф) G", |
ГД6 |
(G',)2+(G"i)2' + |
(G'2)2+'(G"2)2 '■ |
' (G'i)2+ (G ",)2 |
|
|
®G"2 |
|
|
|
+ ( G \ Y + ( 0 '\Y |
' |
е
1
’/'S /
е
Puc. 9. Схема расположения частиц наполнителя в связующем, используемая при рас четах модели Такаянаги.
Рис. 10. Зависимости Те наполненного полимера от концентрации наполнителя ср/ в слу чае «жесткого» (1, 3, 5) и «мягкого» (2, 4, 6) граничных слоев. Tei= 165° С (/, 5); 140° С (3); 100° С (2) ; 85° С (4, 6).
Таким образом, вычислительным путем может быть найдена темпе ратурная зависимость G' и tg6 для «смеси» граничного слоя и неизме ненной полимерной матрицы и значения Tg при разных ср/. Рис. 10 пока зывает зависимости Tg полимера и граничного слоя Tgi от концентрации наполнителя при различных температурах стеклования компонентов. Если Tgi граничного слоя на 15° выше, чем матрицы, то изменения Ts наполненного полимера вообще не будут обнаружены даже при высоких Ф/ (кривая 3 рис. 10) и второй максимум потерь, если он и существует, проявляется только в некотором расширении основного максимума и асимметрии спадающей части кривой tg 6 = f (Т). Если Tgi граничного слоя на 40° выше Тgi полимера-матрицы, тогда соответствующий второй максимум уже проявляется при сравнительно низком содержании гра ничного слоя, но при температуре, на 5° превышающей принятую темпе ратуру стеклования граничного слоя (кривая 1 рис. 10). Если Тgi гра ничного слоя ниже Tgо полимера-матрицы, граничный сдой оказывает существенное влияние на положение и величину максимума потерь. Рис. 10 показывает, что «мягкий» граничный слой в рамках предсказа ний модели Такаянаги будет давать линейную зависимость Tg от <р/, т. е. увеличение ф/ приведет к сдвигу максимума в сторону низких темпера тур (кривые 2, 4, 6 рис. 10). Максимум, соответствующий Tg мягкого граничного слоя, можно наблюдать только при очень высокой объемной доле наполнителя и АГ^>40° (кривая 6).
Очевидно, что в реальной системе параметры модели будут зависеть от ф/ различным образом, так как рассмотренный случай исключает значительную часть граничных слоев из деформационного процесса. По этому результаты расчетов с помощью модели Такаянаги, показываю щих, что жесткий граничный слой увеличивает Tg наполенного полимера незначительно, в то время как мягкий слой существенно снижает Tg, мо гут рассматриваться только как некоторое приближение.
Таким образом, рассмотрение полимерной матрицы в наполненной композиции как двухфазной системы показывает, что сдвиг Tg полимера в целом и разрешение максимумов зависят от соотношения между долей полимера в граничном слое и разностью температур стеклования граннч ного слоя и полимера-матрицы. Из вычислений, проведенных для раз личных моделей, следует, что появление второго максимума механиче ских потерь, соответствующего полимеру, находящемуся в состоянии граничного слоя, становится возможным, если существует значительная разность температур стеклования полимера-матрицы и граничного слоя Условия существования такой разности определяются гибкостью поли мерной цепи, энергией когезии, поверхностной энергией наполнителя и другими факторами, подробно исследованными в [1]. Вместе с тем раз деление максимумов зависит от концентрации граничного слоя (что эк Бивалентно концентрации наполнителя) и от условий деформирования
В целом рассмотренные здесь теоретические расчеты удовлетвори тельно соответствуют экспериментально обнаруживаемым смещениям Tg (см. (1) и позволяют объяснить условия такого смещения и появле ния вторых максимумов на основе общих представлений об изменения.' структуры полимера в граничном слое на поверхности наполнителя i: релаксационных свойств под влиянием поверхности твердого тела.
4.Принцип температурно-концентрационно-временной суперпозиции
вполимерных композитных материалах. Общеизвестно, что темпера турная и частотная зависимости динамических механических свойств полимерных материалов хорошо описываются с помощью принципа тем пературно-временного приведения, обоснованного и развитого в работа) Вильямса, Ланделла и Ферри. Этот принцип основан на эквивалент ности влияния действия частоты или температуры на вязкоупрупк свойства [19]. Как было показано выше, действие наполнителя на спек