ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Данный материал является результатом научно-технической разработки авторов.

Методика прогнозирования долговечности композитов на основе каучуковых связующих.

Спрогнозировать долговечность любого полимерного материала возможно с помощью теории С.Н. Журкова, в которой границы работоспособности конструкционных материалов определяются взаимосвязанной комбинацией максимальной нагрузки, температуры и времени их воздействия, то есть прочностью, термостойкостью и долговечностью.

Согласно концепции С.Н. Журкова о том, что механическое разрушение любых тел, при любых нагрузках есть процесс их термохимической деструкции , каждый из указанных основных параметров работоспособности для любого материала определяется значением небольшого количества констант (4-х). Формула зависимости временной границы работоспособности композита от действующих напряжений и температуры выглядит следующим образом :

, (1)

Из формулы (1) вытекают выражения для двух других границ работоспособности материала:

предельного напряжения, зависящего от температуры и времени ее действия

, (2)

и предельной температуры, зависящей от напряжения и времени его действия

, (3)

где:s, Т,t- соответственно прочность, МПа; температура, ⁰К; время до разрушения, сек;

r- универсальная газовая постоянная;

- силовой, структурно-механический фактор;

u₀- энергия активации разрушения (u₀=e _a- энергия активации термохимический деструкции);

t _m- предельная температура, выше которой материал не работает, величину 1/t _mназывают смещением полюса (от оси ординат);

t_m- минимальная долговечность при любой нагрузке или без нее.

Каждая из формул (1 … 3) выражает правило температурно-временной эквивалентности: интенсивность разрушения связей, обеспечивающих работоспособность материала, зависит качественно одинаково от напряжений, температуры и времени их действия .Чтобы прогнозировать границы работоспособности материала, нужно определить константыt_m, u ₀,gи t _m.

Для того чтобы создать более работоспособный материал, необходимо направленно регулировать константы: увеличивать -u₀, Т_m,t_mи уменьшатьg. При этом повышается любая из трех границ работоспособности материала.

Известно, что увеличениюu₀способствует увеличение степени наполнения и равномерность распределения наполнителя (однородность структуры). На значение констант материалаu₀, Т_mиt_mоказывают существенное влияние введение в состав композита пластификаторов, антиоксидантов, способ изготовления, состав и структура композита.

Результаты испытаний

Для определения констант применяли образцы 30ґ60ґ700мм на основе каучукового связующего СКДН-Н. Время до разрушения образца определяли при испытании на поперечный изгиб под постоянным напряжением. Испытания проводили на однопозиционном стенде, двумя равными силами, симметрично расположенными в средней трети пролета образца, чтобы получить "чистый изгиб". Уровень напряжений в середине пролета испытываемой балки составлял 5,7, 6,1 и 6,5 МПа.

Для создания повышенных температур использовали спиральные нагревательные элементы, расположенные с двух сторон образца. Задаваемый уровень температур составлял 60 … 105 ⁰С. Нагружение образцов производили после достижения заданной температуры и установления стабильного во времени температурного режима (±1 ⁰С). Температуру контролировали в зоне максимальных напряжений образца.

Для определения физических констант материалаt_m, u ₀,gи t _m экспериментальные данные обрабатывали в координатах "lgt- 1/t".

Полученные значения констант материала приведены в таблице 1.

Таблица 1

Прочностные константы полимерных композитов

^*сравниваемый показатель, полученный В.П.Ярцевым (Физико-технические основы работоспособности органических материалов в деталях и конструкциях. Дисс. д.т.н. Тамбов. - 1998. - 350 с.)]

Физический смысл констант том, что все они за исключениемg, связаны со строением тела и не зависят от вида нагрузки. Величинаg, отражая роль нагрузки (ее направление и эффективность), представляет собой силовой фактор.

Итак, знание величин физических констант исследуемого материала позволит: во-первых, прогнозировать и повышать прочность изделий или конструкций во времени или при изменении температуры, а во-вторых, их направленно регулировать. При этом каждая константа качественно одинаково влияет на все три границы работоспособности материала: прочность, термостойкость и долговечность.