CC BY
24Требования к механическим характеристикам резистивных материалов значительно ниже, чем к конструкционным. Тем не менее были определены основные механические характеристики, разрушающие напряжения стр, и относительная деформация при разрушении ер.
Из графиков видно, что удельное электрическое сопротивление (р) в пределах 10 2-^102 Ом-м имеет композиции на основе СВМПЭ, полученные путем горячего прессования (ГП), причем с повышением концентрации наполнителя р и разброс его значения снижается. Композиции на основе Ф2М, полученные путем ГП, имеют заданную проводимость при концентрации 35 об.%.
Экструзия обеспечивает проводимость только на ВМПЭ и при 40 об.% наполнителя, что, по всей видимости, связано с разрушением токопроводя-щей сетки, образуемой при ГП.
При меньших или больших, чем указано на рисунке, концентрациях наполнителя, электрическое сопротивление либо выше 102 Омм, либо композиция становится хрупкой.
Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод, что положительный температурный коэффициент сопротивления, обеспечивающий эффект саморегулирования, сохраняется при различных методах переработки. При использовании методов прессования как горячего, так и холодно-
го с последующим спеканием проводимость появляется при малом содержании наполнителя.
Выводы
1) Показана возможность обеспечения электропроводности полимеров на основе СВМПЭ, ВМПЭ и Ф2М путем введения углеродных наполнителей и переработки их методами горячего прессования и экструзии.
2) Углеродсодержащие композиции на основе СВМПЭ и Ф2М, полученные путем горячего прессования и на ВМПЭ - путем экструзии, могут быть использованы в качестве основы для резистивных нагревателей.
Литература
1. Коваленко H.A., Черский И.Н. Исследование физи-ко-механических свойств композиций на основе политетрафторэтилена с углеродными наполнителями // Механика композитных материалов. 1991. № 1. С. 14-19.
2. Коваленко H.A., Сыроватская И.К. Влияние технологических параметров на электропроводность угле-родсодержащих композиций // Пластмассы. 1999. №8. С. 11-13.
3. Гуль В.Е., Шенфшъ Л.В. Электропроводящие полимерные композиции. М.: Химия, 1984. 240 с.
4. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977. 304 с.
УДК 678.01:539.4
Механизмы разрушения и прочность конструкционных пластмасс в холодном климате с учетом старения
Ф.И. Бабенко, А.А. Герасимов
Отмечен ряд характерных особенностей, возникающих при исследовании прочностных показателей различных конструкционных термопластичных материалов в широком температурном интервале.
Проделан анализ экспериментальной информации, рассмотрены механизмы разрушения образцов и вопросы прогнозирования прочностных характеристик во времени с учетом старения материала.
The present paper notes a number of characteristic features in the process of investigation of strength indices in different constructional thermoplastic materials in wide temperature range.
The analysis of experimental information was made; mechanisms of the sample failure were discussed including problems offorecasting of strength characteristics in time regarding the material ageing.
Проблема старения материалов в настоящее время является одной из центральных в области
БАБЕНКО Федор Иванович, доцент ЯГУ, к.т.н.; ГЕРАСИМОВ Анатолий Афанасьевич, доцент ЯГУ, к.т.н.
полимерного материаловедения. Без ее решения невозможно обеспечить надежность эксплуатации изделий из этих материалов в различных климатических зонах.
В работе были исследованы два вида полимер-
БАБЕНКО, ГЕРАСИМОВ
ных композитных материалов на основе термопластов - гомогенный дисперсно-наполненный материал АБС2020 и гомогенный дисперсно-армированный стекловолокном материал ПА6-211-ДС.
На рис. 1 и 2 представлены температурные зависимости прочности исходных и экспонированных в г. Якутске образцов АБС2020 и ПА6-211 -ДС. Отличительная черта представленных зависимостей - появление на кривых для первого вида исследуемого материала хрупко-вязкого перехода (ХВП) и его отсутствие на тех же кривых для образцов второго вида материла.
Интерпретация полученных результатов может быть осуществлена по двум схемам [1]:
1. Преимущественно поверхностное старение.
2. Преимущественно объемное старение.
Ша
tss т ?S3 г та srs sss Zk
Рис. 1. Температурные зависимости прочности образцов АБС2020:
1 - исходный; 2 - исходный с надрезом (а»= 1,4 мм); 3 - модельный с хрупким слоем; 4 - после 6 мес. экспозиции
Р, МПа 250
200
150
100
50
Т,К
213
243
293
Рис. 2. Температурные зависимости прочности образцов ПА6-211-ДС:
1 - исходный; 2 - состаренный 4 г атмосферы; 3 - исходный с надрезом (а«=2,1 мм)
В первом случае исследование механизма разрушения образцов АБС2020 позволило в рамках структурно-феноменологического подхода [1] рассматривать состаренный образец как двухслойную систему: поврежденный старением хрупкий поверхностный слой, инициирующий трещину, и слой основного материала. Наблюдаемый же ХВП (рис. 1) связан с образованием трещины в поверхностном слое образца, запасенной упругой энергии которой достаточно для его разрушения. Процесс старения в данном случае носит поверхностный характер.
Следуя энергетической концепции механики разрушения для условий разрушения образца с поверхностно поврежденным слоем в области температур ниже хрупковязкого перехода, можно получить соотношение, определяющее условие разрушения:
О"2/ = const,
где / - толщина поврежденного слоя.
Если задача динамики роста толщины состаренного слоя от времени экспонирования решена, то появляется возможность прогноза прочности. В большинстве практически значимых случаев
/
igf.
Аналитическая формула модели прогнозирования имеет следующий вид [ 1 ]:
a2 lg — = С = Const, где t>t0; h
а - текущее значение остаточной прочности образца;
t - время старения;
t0 - период индукции, т.е. время от начала экспозиции образца, когда влияние процессов старения на материал пренебрежимо мало.
Параметры модели находились методом наименьших квадратов. В качестве целевой функции в вычислительном алгоритме используется сред-неквадратическое отклонение аппроксимации экспериментальных данных [2]. Результаты экспериментов и расчетные кривые прогноза изменения прочности для ударопрочных пластиков АБС представлены на рис. 3. Коэффициент вариации экспериментальных данных не превышал 10%.
и (МПа)
80 • 70^ 60 ■ 50 • 40 -30 ■ 20 ■ 10 ■ 0 -
ЛВС 2020 1=-60° 1 о=0.62561 С-544.8108
20 40
80
70 60 50 ■ 40 ■ 30 • 20 10 О
а (МПа)
Л
АБС 202032 1=-60° I ,>=0.02546 С=3064.23
е-
60 80 100 ((мес)120
20 40 60 80
100 1(мес)120
'Л
70 60 50 40 ■ 30 -20 10 ■
а (МПа)
АБС 2020: Т=243К: Ю=0,47088: С=612,5463
О
О 20 40 60 80 100 120
(мес)
Рис. 3. Результаты экспериментов и расчетные кривые прогноза изменения прочности для ударопрочных пластиков АБС.
- экспериментальные точки, использованные для вычисления параметров модели прогнозирования;
- длительный контрольный эксперимент;
- расчетная кривая прогноза
Во втором случае (рис. 2), применяя структурно-феноменологический подход, расчетно-экспе-риментальным путем было доказано, что поверхность не может инициировать трещину, способную разрушить образец. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о преимущественно объемном механизме старения материала ПА6-211 -ДС и интерпретировать полученные результаты в рамках простейшей модели Аутвотера [3].
Согласно данной модели, первопричиной потери прочности материала является нарушение связи волокно - матрица. Напряжение, необходимое для осуществления процесса расслаивания, состоит из двух частей [3]:
2т х а = —— +
4 ЕОи
/
где Ои - работа, совершаемая для разрушения связи на единицу площади поверхности раздела; Т5 -касательное напряжение трения между волокном и матрицей после расслаивания; Е - модуль упругости волокна; г - радиус волокна; х - длина отслоившегося участка волокна.
Первый временной период характеризуется потерей адгезионной связи волокно - матрица, что подтверждено ранее [4] на основе микрофотографий поверхности излома образцов. В течение второго временного периода передача нагрузки на волокна осуществляется посредством сил трения между волокном и матрицей. Незначительные колебания прочности на этом временном интервале связаны с изменением свойств матрицы (прежде всего структурных [5]) и, соответственно, коэффициентом трения [6]. Определяющую роль сил трения подтверждают эксперименты при низких температурах (рис. 4).
Так как коэффициенты линейного термического расширения волокна и матрицы различаются практически на один десятичный порядок, становится понятным, что контролировать изменение свойств материала при старении нужно проводить при положительных, а не отрицательных температурах. Силы обжатия волокна матрицей, возникающие при понижении температуры контрольных испытаний на прочность, приводят к увеличению сил трения и тем самым «маскируют» эффект старения.
ГУРЬЯНОВ
Рис. 4. Зависимость коэффициента сохранения прочности ПА6-2 Н-ДС от времени экспозиции в г. Якутске: 1 - полигон Ти=293К; 2 - полигон Ти=213К; 3 - склад ТИ=293К; 4 - склад Ти=213К
Таким образом, использование полимерных материалов, наполненных короткими волокнами, целесообразно и эффективно в технике Севера, так как воздействие низких температур ведет к повышению их прочностных характеристик [7].
Литература
1. Бабенко Ф.И. Прогнозирование прочности термопластов в холодном климате с учетом старения // Материалы. Технологии. Инструменты. 2003. №3. С. 21-24.
2. Крегерс А.Ф. Алгоритм отыскания минимума
функции многих переменных методом спуска // Алгоритмы и программы. 1974. №2. С. 9.
3. Браутман Л. Разрушение и усталость. М.: Мир, 1978.483 с.
4. Овчинский A.C. Процессы разрушения композиционных материалов. М.: Наука, 1988. 123 с.
5. Бельчусова H.A., Бабенко Ф.И. Старение стекло-наполненного полиамида в условиях холодного климата // Пластические массы. 1999. №8. С. 13-17.
6. Белый В.А. Трение и износ материалов на основе полимеров. Минск: Наука и техника, 1976. 432 с.
7. Сухов A.A., Бабенко Ф.И. Конструкционные пластмассы для техники Севера // Наука и образование. 2001. №4. С. 53-54.
УДК 624.139:624.15
Несущая способность свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах и общий метод ее натурного определения
И.Е. Гурьянов
Предложена методика комплексных полевых испытаний, выявляющих не одну, а две характеристики несущей способности свайного фундамента. Выведены расчетные функции несущей способности свай в данной методике. Более достоверные расчеты позволяют оптимизировать свайное поле, варьируя шириной и рабочей длиной конструкции свай, а также их шагом.
A procedure ofcomplex field tests revealing not one but two characteristics ofthe bearing capacity ofpile foundations is described. Calculatedfunctions ofpile bearing capacity are given in the procedure. More reliable calculations permitfinding the optimum solution concerning the pile field by means of variation in width and working length ofthe pile structure as well as in pile step.
Схематизация расчетных сопротивлений основания буроопускных свай
Буроопускные сваи, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины, являются
ГУРЬЯНОВ Игорь Емельянович, в.н.с. ИМЗ СО РАН, к.т.н.
основным типом фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Боковая поверхность таких свай по всей глубине контактирует с однородным грунтовым раствором, заливаемым в скважину. Поэтому для раствора данного состава прочность смерзания является единой характери-
