ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Когезия - сцепление молекул (атомов, ионов) физического тела под действием сил притяжения. Когезия определяет существование веществ в конденсированном состоянии и обусловлена межмолекулярными и межатомными взаимодействиями различной природы. Эти взаимодействия по величине энергии возникающих связей можно условно разделить на сильные и слабые.
Сильные взаимодействия проявляются в различного вида химических связях. Слабые - в межмолекулярных. Силы химической связи несут главную ответственность за когезионные свойства трехмерных полимеров, например отвержденных реактопластов. Потенциальную энергию межатомных и межмолекулярных взаимодействий иллюстрирует рис. 9.1.
Химические связи (ионные, ковалентные) являются остронаправленными и близкодействующими.
Межмолекулярные силы притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) наиболее универсальны. Они проявляются во всех агрегатных состояниях вещества. Когезия линейных полимеров, не склонных к образованию водородных связей, обусловлена, главным образом, силами этого типа.
Энергия вандер-ваальсового взаимодействия (U
) складывается из энергий ориентационного (и
), индукционного (Щ и дисперсионного (UJ) взаимодействий.
Ориентационным (электростатическим) называют взаимодействие постоянных («жестких») молекулярных диполей.
Рис. 9.1. Кривые потенциальной энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий:.
u - потенциальная энергия;r - границы взаимодействия; а - ковалентная связь; б- водородная связь; в - вандер-ваальсово взаимодействие.
Индукционным (поляризованным, деформационным) - взаимодействие постоянного диполя с наведенным.
Дисперсионное (волномеханическое, лондоновское) взаимодействие объясняется законами квантовой механики и связано с возникновением мгновенных диполей в атомах и молекулах при вращении электронов вокруг ядер. Дисперсионные силы действуют как между полярными, так и между неполярными молекулами. В отличие от ориентационных и индукционных они обладают свойствами аддитивности, т.е. суммируются. Поэтому дисперсионные силы могут приобретать большие значения и быть главной причиной молекулярного сцепления.
Межмолекулярные силы определяют свойства термопластов (термопластичность, растворимость).
Водородная связь возникает между двумя электроотрицательными атомами (обычно F,0,N, реже Cl, S) через посредство атома водорода, который валентно связан с одним из электроотрицательных атомов и одновременно взаимодействует с неподеленной парой электронов другого.
Межмолекулярные водородные связи - причина сильной когезии в таких полимерах, как полиамиды и целлюлоза.
Адгезия, или адгезионное взаимодействие проявляется при контакте компонентов в области так называемой границы раздела и имеет более сложную природу, чем когезия. Представление о ней до сих пор еще в достаточной мере не изучено, хотя этому вопросу посвящено большое количество работ.
Адгезия - это связь или взаимодействие между поверхностями двух разнородных контактирующих тел. Адгезия - синоним русского слова «прилипание». Аутогезия - частный случай адгезии - взаимодействие двух однородных тел на границе контакта.
При получении ВКМ на границе контакта между волокном и связующим возникает адгезионное взаимодействие - склеивание, которое приводит к образованию КМ.
Склеивающее вещество (связующее) называют адгезивом. Склеиваемое вещество (волокно, нить) называют субстратом. Адгезив, как правило, наиболее подвижный полимер в склейке. Субстрат может быть различной природы (полимерные, стеклянные, базальтовые, борные и др. волокна).
В первую очередь, адгезионное взаимодействие армирующего наполнителя (волокна) и матрицы определяет уровень свойств композитов и их сохранение при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала.
Граница раздела должна обеспечивать эффективную передачу механической нагрузки от матрицы на волокно. Адгезионная связь по разделу не должна разрушаться под действием механических и усадочных напряжений, возникающих от коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) или химической усадки. Защита волокон от внешнего воздействия в значительной степени определяется адгезионным взаимодействием.
Различают два типа адгезионного взаимодействия: механическое и специфическое. Механическое взаимодействие обусловлено затеканием адгезива в поры, трещины и другие неровности, имеющиеся на поверхности субстрата - «якорный эффект». Специфическое взаимодействие в чистом виде проявляется в случае гладких поверхностей субстрата и обусловливается действием тех или иных сил на границе адгезив - субстрат. Согласно современным представлениям об адгезии специфическое взаимодействие составляет основу адгезионных явлений. Адгезионное взаимодействие определяется адгезионной прочностью.
Адгезионная прочность. Адгезионная прочность характеризуется способностью адгезионного соединения сохранять свою целостность.
Количественную характеристику этого свойства выражают сопротивлением разрушению адгезионного соединения по межфазной границе под действием внешних усилий.
Адгезионная прочность, как и прочность гомогенных тел, имеет кинетическую природу. Элементарный акт разрушения адгезионного соединения имеет локальный характер и развивается по термофлуктуа-ционному механизму. Разрушение межмолекулярных связей совершается за счет флуктуаций тепловой энергии, а механические напряжения, действующие в соединении и приложенные извне, снижают потенциальный барьер, активируют процесс разрыва.
Накопление нарушений сплошности приводит в конечном итоге к макроскопическому разрушению.
Количественно адгезионную прочность КМ можно определить методом отрыва или расслаивания адгезионных соединений. В первом случае разрушающая нагрузка может прилагаться в направлении как перпендикулярном плоскости соединения (испытания на отрыв), так и параллельном (испытания на сдвиг). Силу, преодолеваемую при одновременном отрыве по всей площади контакта адгезионного соединения и отнесенную к единице этой площади, называют адгезионным давлением, или давлением прилипания. Одновременный отрыв дает наиболее прямую и точную характеристику прочности адгезионного соединения. Метод расслаивания заключается в определении сил, преодолеваемых при постепенном разрушении контакта.
Часть усилия, необходимого для отрыва (отслаивания) адгезива от субстрата, тратится на преодоление деформации адгезива, механических зацеплений и др. Это означает, что истинную адгезию измерить прямыми механическими испытаниями не всегда представляется возможным.
Наиболее простым механическим способом определения адгезионной прочности полимеров к волокнам, является метод сдвига. Сущность метода состоит в выдергивании одиночной нити из полимерной матрицы определенной толщины.
Для определения силы сдвига волокон относительно связующего используются различные адгезиометры, конструкция которых позволяет проводить испытания как при комнатной температуре, так и в широком
Рис. 9.2. Зависимость адгезионной прочности полимера с волокном от температуры:
I - тонкие волокна (10 мкм);
2 - толстые волокна (200 мкм)
Проводимые на адгезио-метрах испытания показывают, что величина разрушающего напряжения адгезионных соединений зависит от диаметра волокна и температуры. Уменьшение диаметра волокна увеличивает адгезию, а повышение температуры ее снижает (рис. 9.2).
Наиболее чувствительным параметром к качеству адгезии в ВКМ является прочность на сдвиг (г), обычно определяемая методом трехточечного изгиба короткой балки (рис. 9.3).
Для определения т расстояние между опорами (L
) определяется исходя из толщины образца S:
Рис. 9.3. Схема определения г методом короткой балки:
1 - образец; 2 - подвижная опора;
3 - неподвижные опоры
где b - ширина образца.
При таком соотношении толщины образца к расстоянию между опорами в процессе нагружения происходит разрушение ВКМ по границе раздела (см. рис. 8.3,а).