МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2010
УДК 620.172; 24:541.68
© 2010 г. Т.А. БЕЛЯКОВА, Ю.П. ЗЕЗИН, Е.В. ЛОМАКИН
ТЕРМОВЯЗКОГИПЕРУПРУГОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЭЛАСТОМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ НАПОЛНИТЕЛЯ
Представлены результаты экспериментальных исследований гиперупругих и релаксационных свойств полимерных композитов с эластомерной матрицей на основе гидрированного нитрилбутадиенового каучука, наполненного наночастицами технического углерода, в диапазоне температуры 19—150°С. Приведены характерные экспериментальные диаграммы деформирования материала с постоянной скоростью деформации, а также кривые релаксации напряжения при различных уровнях деформации в условиях растяжения и сжатия. Рассмотрен возможный вариант определяющих соотношений для описания некоторых особенностей поведения исследуемого материала. Разработан метод определения всех параметров принятых соотношений на основе результатов одноосных испытаний. Установлена немонотонная зависимость релаксационного модуля от температуры и предложена формула для описания данной зависимости в исследованном диапазоне температуры. Для обоснования возможности использования рассмотренных определяющих соотношений при проведении расчетов в условиях произвольного сложного напряженного состояния проведено численное моделирование эксперимента на стесненное сжатие цилиндрических образцов. Обнаружено вполне удовлетворительное соответствие между результатами расчетов и экспериментальными данными.
Ключевые слова: гиперупругость, вязкоупругость, температура, эластомеры наполненные, наночастицы, определяющие соотношения, эксперименты, численное моделирование
1. Введение. Полимерные композиты с эластомерной матрицей (ПКЭМ) представляют собой каучуки, содержащие в качестве усиливающих или функциональных наполнителей тонкодисперсные порошки неорганических веществ: технического углерода, окислов металлов, диоксида кремния. Наиболее перспективными материалами этого класса являются эластомеры, модифицированные наполнителями с нанораз-мерными частицами. В настоящее время широкое применение получили ПКЭМ, 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 силановых каучуков, усиленных диоксидом кремния, находят применение в эндопротезировании и медицинском оборудовании. Различные каучуки, усиленные наноразмерными 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 существенно повышается сопротивление каучука деформированию и разрушению, проявляются эффекты нелинейного вязкоупругого поведения. Повсеместное применение эластомеров в узлах
нефтегазового оборудования, в машиностроении и гражданском строительстве, кораблестроении, авиационной и аэрокосмической технике ставит широкий круг задач, связанных с исследованием особенностей термомеханического поведения этих материалов. В него, прежде всего, входит проведение всестороннего комплекса экспериментальных исследований. Первостепенное значение имеет формулировка математической модели, позволяющей описать напряженно-деформированное состояние ПКЭМ с учетом физической и геометрической нелинейности, накопления повреждений и разрушения, а также разработка экспериментальных методов определения материальных функций и функционалов, входящих в определяющие соотношения. Наконец, возникает необходимость в уточнении существующих алгоритмов численных расчетов для анализа поведения конструкций из физически нелинейных эластомер-ных материалов при различных условиях нагружения и деформирования.
Целью данной работы является исследование термовязкогиперупругих свойств полимерных композитов с эластомерной матрицей на основе гидрированного нитрил-бутадиенового каучука, содержащего 50% по массе технического углерода марки Ш10. 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 [1].
В работе приведены результаты экспериментального исследования образцов двух эластомеров этого класса на релаксацию в условиях растяжения и сжатия при различных значениях температуры. Получены также диаграммы одноосного растяжения и одноосного сжатия в условиях постоянной скорости деформирования при разной температуре. Для описания проведенных экспериментов использованы интегральные определяющие соотношения, позволяющие одновременно учесть как гиперупругие, так и вязкоупругие свойства, что является необходимым условием при моделировании реального поведения эластомерных материалов и конструкций. Разработан метод определения параметров взаимосвязанных гиперупругих и реологических характеристик деформирования. На основании экспериментальных данных отмечена зависимость релаксационных свойств исследуемых эластомеров от уровня деформации. Сопоставление кривых релаксации, полученных при различных значениях температуры, позволило отметить немонотонную зависимость релаксационного модуля исследуемого материала от температуры.
Для обоснования справедливости предложенного варианта определяющих соотношений и методики экспериментального определения входящих в них параметров выполнен ряд независимых экспериментов на стесненное сжатие в обойме и последующую релаксацию цилиндрических образцов. Проведено сравнение результатов натурных испытаний с результатами численного моделирования. При этом установлено вполне удовлетворительное соответствие теоретических и экспериментальных зависимостей.
2. Результаты экспериментальных исследований. Элементы конструкций из полимерных материалов, такие как уплотнения, демпфирующие элементы, эластичные соединения, трубопроводы, торовые резинокордные оболочки соединительных устройств силовых приводов и другие, могут эксплуатироваться в напряженном состоянии в течение нескольких лет. Во многих случаях работоспособность элементов конструкций определяется релаксацией напряжений в материале. Примером могут служить задачи, рассмотренные в работе [2]. Другим примером влияния релаксационных процессов в эластомерах на работоспособность узлов трубопроводов может служить работа [3]. В этой работе 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 элементам конструкций, 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 эластомерной 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.
Следует отметить, что диапазон эксплуатационных температур для пакерных соединений составляет 20—150°С. В этой связи для получения адекватных оценок влияния релаксационных свойств материала на работоспособность уплотнений необходимо учитывать влияние температуры на механическое поведение эластомеров.
Для изготовления манжет пакерного уплотнения до последнего времени широко используются саженаполненные эластомеры на основе нитрильных (NBR) и гидрированных нитрил-бутадиеновых каучуков (HNBR). В предлагаемой работе приведены результаты экспериментального исследования влияния температуры на релаксационные свойства наполненных эластомеров на основе HNBR-каучука и его модификации HNBR-LAM. Массовое содержание технического углерода в этих эластомерах было одинаковым (0.5). Материалы были представлены в виде пластин толщиной около 2 мм с размерами 150 х 150 мм и в виде дисков толщиной 12 мм и диаметром 32 мм.
Экспериментальные исследования проводились на установке для испытаний полимерных материалов, разработанной и изготовленной в Институте механики МГУ. Это электромеханическая установка, позволяющая задавать режим испытания материала при постоянной скорости перемещения активного захвата. При этом эксперименты могут проводиться в диапазоне скорости деформации от 10-2 до 10-6 с-1. Регистрация растягивающего усилия, развиваемого в процессе деформирования образца, осуществлялась с использованием тензометрической системы, состоящей из тензометри-ческого динамометра в виде стального кольца с наклеенными на его поверхностях тензодатчиками, которые подключаются по мостовой схеме к автоматическому самопишущему электронному прибору. Деформация образца в процессе испытания определялась по перемещению активного захвата.
Для проведения испытаний при повышенных значениях температуры использовалась специальная термокамера, которая представляет собой керамическую трубу с намотанной на ее внешнюю поверхность нихромной проволокой. Нижняя и верхняя крышки выполнены из термостойкого композиционного материала. Регистрация температуры в процессе испытания осуществлялась установленной в термокамере термопарой, подключенной к электронному самопишущему потенциометру.
Испытания материалов при растяжении проводились на образцах-лопатках с длиной рабочей части 40 мм. Образцы вырезались из пластин материалов толщиной около 2 мм с применением специального шанцевого ножа. В качестве образцов при испытаниях на сжатие использовались образцы-цилиндры диаметром 10 мм и высотой 12 мм, которые вырезались из заготовок-дисков с применением специального резца, представляющего собой тонкостенный цилиндр с внутренним диаметром 10 мм. Испытания на сжатие проведены на той же устан
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.