МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 2 • 2015
УДК 539.3
© 2015 г. Ю. П. ЗЕЗИН, Е. В. ЛОМАКИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ УСИЛЕННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ ЭЛАСТОМЕРОВ
Представлены результаты экспериментальных исследований гиперупругих и релаксационных свойств полимерных композитов с эластомерной матрицей на основе гидрированного нитрилбутадиенового каучука, наполненного частицами технического углерода, в диапазоне значений температуры 20—125°С. Приведены характерные экспериментальные диаграммы деформирования материалов при растяжении с постоянной скоростью деформации, а также кривые релаксации напряжения в материалах при различных уровнях деформации растяжения. Рассмотрен возможный вариант определяющих соотношений для описания некоторых особенностей механического поведения исследуемых материалов при конечных деформациях. На основании полученных экспериментальных данных проведена экспериментальная проверка предложенных определяющих соотношений. Показано, что применение принципа температурно-временной аналогии позволяет использовать сформулированные определяющие соотношения для анализа немонотонного изменения релаксационных свойств исследуемых материалов при повышении температуры в рассматриваемом диапазоне.
Ключевые слова: композиты эластомерные, вязкоупругость, деформации конечные, релаксация, температура, эксперименты, определяющие соотношения.
1. Введение. Каучуки как натуральные, так и синтетические редко используются в чистом виде. Как правило, эти материалы составляют основу полимерных композитов, сохраняющих эластичность каучуков и обладающих существенно более высокими значениями жесткости и прочности. Упрочнение достигается введением в состав каучуков значительного количества мелкодисперсных частиц неорганических веществ — наполнителей. Уменьшение размера частиц наполнителя приводит к повышению прочности и модуля упругости эластомерного композита [1]. Упрочнение кау-чуков наноразмерными частицами дает возможность достигать более высоких значений механических характеристик при том же содержании наполнителя или уменьшить необходимый расход частиц для достижения требуемого уровня прочности и жесткости. При этом предельная деформация материала, определяющая его эластичность практически не снижается.
В настоящее время полимерные композиты на основе эластомеров, содержащих в качестве упрочняющей фазы наноразмерные частицы, интенсивно разрабатываются и находят широкое применение. Наиболее широкое применение получили композиты, содержащие в качестве наполнителей диоксид кремния с размерами частиц 5—40 нм (Аэросил) и технический углерод с частицами 13—120 нм. Полимерные композиты с эластомерной матрицей на основе силиконовых каучуков, усиленных диоксидом кремния, применяются в эндопротезировании и медицинском оборудовании. Различ-
ные каучуки, усиленные частицами технического углерода, широко применяются в резинотехнических изделиях различного назначения. Введение наночастиц в состав каучука приводит к формированию регулярной пространственной структуры материала и при этом не подавляет в полной мере молекулярную подвижность полимерных цепей. В результате, при сохранении высокой эластичности исходного каучука существенно повышается сопротивление деформированию и разрушению композиционных материалов на его основе. При этом межфазное взаимодействие в процессе деформирования композитов приводит к проявлениям различных эффектов нелинейного вязкоупругого поведения материалов. Элементы конструкций из полимерных материалов, такие как уплотнения, заряды твердотопливных ракетных двигателей, трубопроводы могут эксплуатироваться в напряженном состоянии в течение нескольких лет. Во многих случаях работоспособность элементов конструкций определяется процессом релаксации напряжений в материале. Подробный обзор задач по оценке работоспособности элементов конструкций по расчетам процесса релаксации напряжений представлен в работе [2]. Примером влияния релаксационных процессов в эластомерах на работоспособность узлов трубопроводов может служить работа [3], в которой проведено экспериментальное исследование влияния свойств уплотнительных прокладок из различных материалов на усилие затяжки болтов фланцевого соединения. Показано, что в соединениях с прокладками из резины на основе стирол-бутадиенового каучука в течение пяти минут усилие затяжки исследуемого соединения может падать на 50% и более.
К деталям, работоспособность которых определяется процессами релаксации напряжений, можно отнести и манжету пакерного уплотнения нефтяных скважин. При установке уплотнения задается перемещение на торцах манжеты, величина которого не изменяется в процессе эксплуатации узла. Работоспособность уплотнения определяется уровнем сжимающих напряжений на поверхности контакта между эластомер-ной манжетой и напорной трубой. В силу протекающих в материале релаксационных процессов уровень контактных напряжений уменьшается и может достичь критического значения, при котором нарушается герметичность соединения [4].
Для изготовления ответственных элементов узлов уплотнений широко применяются эластомерные композиты на основе нитрил-бутадиеновых каучуков, упрочненных наночастицами технического углерода. Как и все эластомеры, материалы этого класса проявляют высокоэластические свойства. Введение в состав каучука частиц наполнителя приводит к зависимости от времени реакции материала на механическую нагрузку. Таким образом, при оценке работоспособности элементов конструкций из подобных материалов необходимо учитывать как его высокоэластические характеристики, так и вязкоупругие свойства. В работе [5] предложен подход к описанию релаксационного поведения высокоэластичных композитов, основанный на представлении полного напряжения в виде двух составляющих — гиперупругой и вязкоупругой. Для описания гиперупругой составляющей использован пятиконстантный потенциал. Для вязкоупругой составляющей использованы уравнения линейной теории вязкоупруго-сти. Такой подход позволил описать экспериментальные кривые релаксации наполненного эластомера при сжатии в исследованном диапазоне значений деформации. Тем не менее следует отметить, что исследуемый материал не только нелинейно упругий, но также проявляет ярко выраженную нелинейность в вязкоупругом поведении. В этом случае применение линейных соотношений теории вязкоупругости в широком диапазоне значений деформации может привести к большим погрешностям в оценках значений напряжений в процессе релаксации.
Проблема учета нелинейности механического поведения материалов при оценке напряженно-деформированного состояния актуальна и для высоконаполненных полимерных систем на основе эластомеров. В последнее время для подобных материа-
лов предложена серия феноменологических определяющих соотношений, позволяющих описать реакцию подобных материалов на различные внешние воздействия [6—9]. Наиболее перспективной среди этих моделей представляется предложенная Д.Л. Быковым нелинейная эндохронная теория [9], позволяющая в рамках единого теоретического подхода учитывать влияние различных значимых факторов внешнего воздействия на материал в процессе эксплуатации изделий. Теория прошла всестороннюю экспериментальную проверку и получила дальнейшее развитие. В работе [10] дано обобщение эндохронной теории на случай конечных деформаций. Предложен вариант теории, позволяющий учесть влияние гидростатического давления и температуры на свойства материала, а также описать процесс накопления повреждений в материале в процессе деформирования [11]. Результаты экспериментальной проверки указанных обобщений показали, что развиваемый эндохронный подход дает возможность достаточно полно описывать различные особенности механического поведения высокона-полненных полимерных систем. При этом определяющие соотношения включают значительное число функций и параметров, определение которых связано с большим объемом экспериментальных исследований. Так в общем случае идентификация модели сводится к экспериментальному определению серии скалярных материальных функций, двух ядер релаксации, двух функций старения и двух функций временного сдвига. Для высокоэластичных композитов, проявляющих существенный разброс механических характеристик в пределах 10—15%, повышение точности описания механического поведения за счет увеличения объема экспериментальных исследований не всегда оправданно. В этой связи представляется целесообразным разработка более простых определяющих соотношений, позволяющих описывать наиболее существенные проявления нелинейного поведения на основе ограниченного объема стандартных испытаний материала.
Целью данной работы является исследование нелинейных вязкоупругих свойств композита на основе гидрированного нитрил-бутадиенового каучука при растяжении. Представлены результаты испытаний материала на релаксацию напряжений при растяжении в диапазоне значений температуры 20—125°С при значениях кратности растяжения до 1.6, а также в режиме монотонного растяжения с постоянной скоростью деформации, которая варьировалась в диапазоне от 0.0035 до 0.1 с-1. Предложен вариант определяющих соотношений для описания нелинейного гиперупруговязкого поведения эластомерных композитов. На основе полученных экспериментальных данных проведена верификация предложенных соотношений.
2. Материалы. Предметом исследования в данной работе является эластомерный композит с матрицей на основе гидрированного нитрил-бутадиенового каучука, содержащего 50% по массе технического углерода марки N 110. Этот наполнитель характеризуется узким распределением частиц по размерам в пределах 20-25 нм с удельной поверхностью 1.25 • 105 м2/кг и истинной плотностью 1850 кг/м3. Массовое содержание наночастиц углерода в каучуке составляет около 0.5, плотность композита — 1220 кг/м3. Подобные материалы широко используются для изготовления манжет пакерного уплотнения нефтяных скважин и различных уплотнительных элементов ответственных узлов современной техники. Проведены испытания двух модификаций материала: основной (марка А) и более жесткой (марка В). Материалы для исследований поставлялись в виде пластин толщи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.