2. Особенности механических свойств полимерных материалов

Механические свойства характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимого изменения первоначальных размеров и формы. Под действием механических усилий материалы деформируются, а при достаточно сильных или длительных воздействиях разрушаются. В соответствии с этим различают деформационные и прочностные свойства. В отдельную группу выделяют фрикционные свойства, проявляющиеся при движении твердого полимерного тела по поверхности другого тела.

Механические свойства полимерных материалов, связанные с наличием длинных макромолекул, проявляют следующие особенности:

• развивают под действием внешних механических сил большие обратимые (высокоэластические) деформации, достигающие десятков, сотен и даже тысячи процентов;

• имеют релаксационный характер реакции тела на механическое воздействие, т.е. зависимость деформаций и напряжений от длительности (частоты) воздействия. Эта зависимость обусловлена отставанием деформации от напряжения и может проявляться в чрезвычайно широком временном диапозоне;

• изменяют механические свойства в зависимости от условий получения, способа переработки, что обусловлено существованием разнообразных форм надмолекулярной структуры.

Прочность зависит от времени действия нагрузки, температуры и других факторов, а также от структуры полимера, наличия различных дефектов, молекулярной массы. К специфическим закономерностям разрушения полимерных материалов относятся также зависимости прочности от времени воздействия, температуры, вида напряженного состояния, молекулярной массы и структуры полимера (химической и надмолекулярной структуры, молекулярной ориентации, степени поперечного сшивания и т.д.).

В различных физических состояниях полимеры характеризуются различными специфическими механизмами разрушения, во многих из которых существенную роль играют релаксационные процессы. Линейные и разветвленные полимеры могут находиться в трех основных физических состояниях – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем, трехмерные (сшитые) только в первых двух из этих состояний.

3. Диаграммы напряжение – деформация

Кривая напряжение-деформация – это один из важных показателей механического поведения неметаллических материалов и ее следует рассматривать для таких материалов с точки зрения зависимости прочности от температуры и действия нагрузок во времени.

σ ,МПа

На рис. 1 приведены типичные диаграммы зависимости деформации от растягивающего напряжения. Линия 1 характеризует практически линейную зависимость, присущую отвержденным сшитым полимерам с густосетчатой структурой, неорганическим стеклам и керамике, а также аморфным и кристаллическим полимерам ниже температуры хрупкости.

1

2

3

ε, %

Рис.1. Диаграммы зависимости

напряжение – деформация

Материал ведет себя как хрупкое твердое тело, разрушаясь при небольших (до нескольких процентов) относительных деформациях.

Кривая 2 характеризует вынужденно эластическую деформацию линей­ных аморфных термопластичных полимеров (полистирол, полиметил­метакрилат и др.) или «холодное течение» кристаллических полимеров (полиамиды, фторопласты и др.). Величина вынужденно эластической деформации может достигать десятков и сотен процентов, при этом происходит переход от хрупкого разрушения к квазипластическому, сопровождающемуся обычно резким ростом ударной вязкости. Растяжение полимера при температурах выше температуры хрупкости у многих полимеров происходит неоднородно по образцу, образуется локальное сужение (шейка), в котором материал сильно ориентирован. По мере растяжения шейка распространяется на весь образец.

Кривая 3 указывает на значительные деформации при любых самых малых напряжениях, которые присущи каучуку, резине и эластомерам (полиизобутилену и др.). Эти деформации на 3 - 4 порядка больше упругих, связаны с распрямлением скрученных в спирали клубки макромолекул и называются высокоэластическими.

Явления вынужденно эластической деформации, присущие только полимерным материалам, объясняются наличием длинных и гибких макромолекул и являются причиной их высокой деформируемости. Склонные к этим деформациям линейные полимеры (полиамиды, каучуки и др.) используются, в основном, в качестве амортизирующих материалов и добавок в термореактивные композиции с целью повышения их упругости.

Для однородных (ненаполненных) органических полимерных материалов с линейной и сетчатой структурой предел прочности и модуль упругости по сравнению с металлами весьма низки. Необходимый уровень механических свойств полимерных материалов можно получить путем введения в них различных добавок: наполнителей, пластификаторов, сшивающих агентов, структурообразователей и т.д. Наполнение волокнистыми материалами является наиболее эффективным способом получения высокомодульных (жестких) и высокопрочных материалов.