3.5 Прочность наполненных полимеров

Прочность характеризует способность тел противостоять какому-либо виду разрушения. В данном случае речь идет о механической прочности, а значит о противостоянии материалов механическому разрушению. Разрушение может происходить при различных видах механического воздействия, поэтому существует большое количество характеристик прочности материалов. Наиболее часто используемыми характеристиками прочности являются: разрушающее напряжение при растяжении _р, разрушающее напряжение при сжатии _сж, ударная вязкость а и а_н (индекс н означает, что образец с надрезом), работа разрушения w и ряд других характеристик.

Влияние дисперсных наполнителей на прочностные свойства полимеров весьма сложно и разнообразно. Здесь имеются случаи, как повышения этих свойств, так и их понижения или незначительного изменения при наполнении [5, 6].

3.5.1 Разрушение и прочность материалов

Для понимания сложных процессов, происходящих при деформировании и разрушении наполненного полимера, необходимо вспомнить теорию прочности, основоположником которой является Гриффит, а ее продолжателями Журков, Эндрюс. Теория основана на сопоставлении упругой энергии, высвобождающейся при распространении трещин, с энергией, затрачиваемой на создание новой поверхности при образовании этих трещин [5, 7].

Согласно этой теории разрушение твердых тел происходит постепенно через три стадии: зарождения трещин, их стабильный рост и катастрофический рост трещин, означающий разрушение материала.

Под действием нагрузки в полимере возникают микротрещины. Источником этих трещин являются дефекты материала, а также места перенапряжений. Перенапряжения образуются при формировании образца, например, как результат неуспевших пройти релаксационных процессов или вследствие термической усадки материала. Кроме того, образованию первичных трещин в полимере способствуют флуктуации тепловой энергии, т.е. локальные резкие возрастания внутренней энергии, вызывающие разрыв химических связей.

Из механики следует, что нагрузка, приходящаяся на всю площадь трещины, концентрируется в ее вершине. Пока трещина мала и энергия в вершине трещины не превышает термодинамическую поверхностную энергию тела - _т разрушения не происходит. С ростом трещины нагрузка в ее вершине возрастает. И как только трещина (одна из трещин) достигнет некоего критического размера, такого, что сконцентрированная в ее вершине энергия превысит _т, начинается катастрофический рост трещины, и тело разрушается. Этой ситуации соответствует равенство:

, (3.23)

где  - механическая прочность; А – геометрическая константа, _т – удельная поверхностная энергия разрушения; с – эффективный размер дефекта в материале.

Эта теория хорошо объясняет, почему экспериментальные значения прочности твердых тел во много раз ниже теоретических. Возникновение и рост трещин происходит во времени. Этим объясняется то, что при длительном воздействии нагрузки на материал его прочность снижается.

С другой стороны, на образование и рост трещины затрачивается энергия, равная произведению площади образующейся поверхности на поверхностную энергию материала. Эта энергия рассеивается (диссипируется) в материале. Чем больше возникает микротрещин, тем больше внешней энергии необходимо затратить на разрушение образца, и тем выше будет его прочность. Из этого следует, что образование большого числа микротрещин с размером меньше критического повышает прочность материала. Это положение подтверждено большим числом экспериментальных данных [8]. Кроме того, все факторы, тормозящие рост трещины, повышают прочность материала. Но если размер образующихся трещин больше критического, то их возникновение ведет к разрушению материала при пониженной нагрузке.