Прочность
Деформация
Модуль упругости
Ударопрочность
Механические свойства реальных полимеров
Обзор различных видов прочности, или объединим усилия!

Если вы уже прочитали значительную часть Макрогалереи, то вы заметили, что мы много говорим о том, что полимеры бывают "прочными", "ударопрочными", а может даже "эластичными". Прочность, ударопрочность и эластичность - все это механические свойства. Но что на самом деле означают эти слова? Как мы измеряем, насколько "прочен" полимер? В чем разница между "прочным" полимером и "ударопрочным"? Эта страница посвящена тому, чтобы разобраться во всех этих вопросах.

Прочность

Прочность на разрыв важна для материала, который собираются растягивать. Волокна должны обладать большой прочностью на разрыв.

Потом, существует прочность на сжатие. Образец полимера обладает прочностью на сжатие, если он хорошо сопротивляется попыткам сжать его, вот так:

Примером материала, обладающего высокой прочностью на сжатие является бетон. Все, что должно поддерживать снизу тяжелые предметы должно обладать высокой прочностью на сжатие.

Существует также прочность на изгиб. Образец полимера обладает прочностью на изгиб, если он хорошо противостоит попыткам согнуть его, вот так:

Существуют и другие виды прочности, которые мы могли бы обсудить. Образец обладает прочностью на скручивание, если он хорошо выдерживает попытки скрутить его. Существует также ударопрочность. Образец обладает ударопрочностью, если он не разрушится, когда его резко и сильно ударят, например, молотком.

Что такое прочность?

Однако, что же значит быть прочным? У нас есть очень точное определение. Давайте рассмотрим в качестве примера прочность на разрыв. Для измерения прочности на разрыв полимерного образца мы берем образец и пытаемся растянуть его так, как показано на приведенном выше рисунке. Обычно мы растягиваем его при помощи разрывной машины марки "Инстрон". Эта машина просто зажимает оба конца образца и затем, когда вы ее включаете, растягивает образец. Растягивая образец, машина измеряет величину силы (F), приложенной к образцу. Когда мы знаем силу, приложенную к образцу, мы делим ее на площадь поперечного сечения (A) нашего образца. В результате мы получаем механическое напряжение, испытываемое нашим образцом.

Аналогично мы можем представить себе похожие эксперименты для измерения прочности на сжатие или на изгиб. Во всех случаях прочность - это механическое напряжение, которое необходимо приложить к образцу, чтобы он разорвался.

Поскольку прочность на разрыв определяется силой, приложенной к образцу, деленной на площадь его поперечного сечения, то и механическое напряжение растяжения, и прочность на разрыв измеряются в единицах силы деленных на единицы площади, обычно Н/см². Механическое напряжение и прочность могут также измеряться в мегапаскалях (МПа) или гигапаскалях (ГПа). Производить пересчет между различными единицами измерения очень легко, поскольку 1 МПа = 100 Н/см², 1 ГПа = 100000 Н/см², и, конечно же, 1 ГПа = 1000 МПа.

В других случаях механическое напряжение и прочность измеряются в старинных английских единицах, фунтах на квадратный дюйм. Если вам когда-нибудь придется переводить фунты на квадратный дюйм в Н/мс², коэффициент преобразования таков: 1 N/cm² = 1.45 фунтов на квадратный дюйм.

Деформация

Однако, существуют и другие характеристики механических свойств полимеров, чем просто прочность. Все, о чем нам может сказать такая характристика, как прочность, это то, какое механическое напряжение надо приложить к образцу, чтобы сломать его. Она ничего не говорит нам о том, что происходит с нашим образцом, пока мы пытаемся его сломать. Вот здесь и стоит заняться изучением деформационного поведения образца полимера. Одним из примеров деформации является растяжение. Деформация - это просто изменение формы предмета, к которому приложено механическое напряжение. Когда мы говорим о прочности на разрыв, то деформация образца заключается в его удлинении, в том, что он становится длиннее. Отсюда, разумеется, и термин растяжение.

Обычно мы говорим об относительном растяжении, выраженном в процентах. Для вычисления этой величины длину полимерного образца, когда он растянут, (L), следует разделить на исходную длину образца,(L₀), а затем умножить на 100.

Мы измеряем много различных характеристик деформации. Наиболее важные из них зависят от материала, из которого сделан изучаемый образец. Две самых важных измеряемых величины - это предельная деформация и предел упругой деформации.

Предельная деформация важна для любого типа материала. Это ни что иное, как количество раз, в которое вы можете растянуть образец, прежде чем он порвется. Предел упругой деформации равен относительной деформации, которой можно достичь, не создавая в образце остаточных деформаций. Другими словами, это максимальная величина растяжения, которой можно достичь, чтобы при этом образец вернулся к своей исходной форме и размерам после того, как будет снято механическое напряжение. Это особенно важно, если ваш материал является эластомером. Эластомеры должны сильно растягиваться и тем не менее сохранять способность возвращаться к исходной форме. Большинство из них может растянуться так, что относительная деформация составит от 500 до 1000 % и без проблем вернуться к своей исходной длине.

Модуль упругости

Эластомеры должны обладать высоким пределом упругой деформации. Но для других видов материалов, как например пластиков, обычно бывает лучше, если они не растягиваются и деформируются так легко. Если мы хотим знать, насколько хорошо материал противостоит деформации, мы измеряем нечто, называемое его модулем упругости. Чтобы измерить модуль упругости растяжения, то мы делаем точно то же самое, что и когда мы измеряли прочность и предельное растяжение. На этот раз мы измеряем механическое напряжение, прикладываемое к материалу, точно так же, как и в случае измерения прочности на разрыв. Мы постепенно увеличиваем величину механического напряжения, и к тому же мы меряем деформацию, которую испытывает образец при каждом уровне механического напряжения. мы продолжаем делать это, пока образец не порвется. Затем мы строим график зависимости механического напряжения от деформации, вот так:

Бывают случаи, когда диаграмма напряжений не является такой простой прямой, как ту, что мы видели выше. Для некоторых полимеров, особенно для гибких пластиков, мы получааем странные кривые, которые выглядят вот так:

Наклон графика не остается постоянным по мере увеличения напряжения. Наклон, а значит, и модуль упругости, меняется с увеличением механического напряжения. В таком случае мы считаем модулем упругости наклон в начале приведенной выше кривой напряжений.

В общем случае, наибольшим модулем упругости растяжения обладают волокна, наименьшим - эластомеры, а модули упругости пластиков находятся где-то посередине между модулями волокон и эластомеров.

Модуль упругости рассчитывается как отношение механического напряжения к удлинению, соответственно он будет измеряться в единицах напряжения деленных на единицы удлинения. Но поскольку относительное удлинение безразмерно, то единиц, на которые мы могли бы поделить, просто нет. Поэтому модуль упругости выражается в таких же единицах, что и сила, то есть Н/см².

Ударопрочность

Этот график зависимости механического напряжения от деформации может дать нам еще одну важную характеристику материала. Если измерить площадь под диаграммой напряжений, заштрихованную красным на графике внизу, то мы получим некую величину, называемую ударопрочностью. Ударопрочность на самом деле является мерой энергии, которую может поглотить образец, прежде чем разрушится. Подумайте об этом. Если высота треугольника на графике - это прочность, а его основание - это деформация, то площадь пропорциональна напряжению, умноженному на деформацию. Поскольку прочность пропорциональна силе, необходимой для разрыва образца, а деформация пропорциональна расстоянию (тому расстоянию, на которое растянут образец), то прочность, умноженная на деформацию пропорциональна силе, умноженной на расстояние, а как вы помните из курса физики, сила на расстояние равна энергии. Понятно?

Чем же ударопрочность отличается от прочности? С физической точки зрения, ответ заключается в том, что прочность характеризует то, какую силу надо приложить, чтобы разрушить образец, а ударопрочность говорит о том, какая энергия необходима для разрушения образца. Но это на самом деле ничего не говорит вам о том, в чем на практике заключаются различия.

Здесь необходимо помнить, что если материал является прочным, то совершенно необязательно он будет также и ударопрочным. Мы посмотрим еще на некоторые графики, чтобы показать это. Посмотрите на тот, что приведен ниже, где есть три кривых, одна синяя, одна красная и одна розовая.

Синяя кривая является диаграммой напряжений для образца, который является прочным, но не ударопрочным. Как вы видите, требуется большая сила для разрушения этого образца, но для этого достаточно небольшой энергии, так как площадь под кривой невелика. Аналогично, этот образец не придется намного растягивать, прежде чем он порвется. Материал, который прочен, но не может испытывать значительные деформации, прежде чем он сломается, называется хрупким.

С другой стороны, красный график - это кривая напряжений для образца, который является и прочным, и ударопрочным. Этот материал не является таким же прочным, как и образец на синем графике, однако площадь под кривой намного больше, чем у образца на синем графике. Поэтому он может поглотить намного больше энергии, чем синий образец.

Так почему же красный образец может поглотить настолько больше энергии, чем образец, соответствующий синему графику? Красный образец удлинняется гораздо сильнее, чем синий, прежде чем он разорвется. Видите ли, деформация позволяет образцу рассеивать энергию. Если образец не может деформироваться, то энергия не будет рассеиваться, что приведет к разрушению образца.

В реальной жизни нам обычно нужны материалы, котрые были бы и прочными, и ударопрочными. В идеале было бы приятно иметь материал, который бы не гнулся и не ломался, но ведь такова жизнь. Вам приходится чем-то поступаться. Посмотрите снова на графики. Синий образец обладает намного более высоким модулем упругости, чем красный образец. И хотя для многих практических приложений было бы хорошо, чтобы материал обладал высоким модулем упругости и сопротивлялся деформации, но в реальном мире будет гораздо лучше, если материал будет гнуться, а не ломаться. Если изгиб, растяжение или другая деформация предотвращает разрушение материала, то тем лучше. Поэтому, когда мы разрабатываем новые полимеры или новые композиционные материалы, мы часто жертвуем небольшой долей прочности, чтобы сделать материал более ударопрочным.

Механические свойства реальных полимеров

Мы долгое время говорили абстрактно, так что теперь, возможно, было б неплохо поговорить о том, какие материалы проявляют разные виды механических свойств, то есть какие полимеры являются прочными, какие - ударопрочными и так далее.

Вот зачем справа приведен большой график. На нем приведены для сравнения типичные диаграммы напряжения для различных видов полимеров. Зеленый график показывает, что твердые пластики, такие как полистиирол, полиметилметакрилат или поликарбонат могут выдерживать значительные механические напряжения, но они не терпят значительных деформаций и разрушаются. Площадь под соответствующей диаграммой напряжений совсем мала. Поэтому мы говорим, что такие материалы прочные, но не ударопрочные. Видно также, что наклон графика очень велик, это значит, что требуется большое усилие для деформации твердого пластика. (Я полагаю, что это и означает быть твердым, не правда ли?) Так что легко видеть, что твердые пластики обладают высокими модулями упругости. Короче говоря, твердые пластики обычно бывают прочными, но как правило они бывают не слишком ударовязкие, это значит, что они хрупкие.

Гибкие пластики типа полиэтилена и полипропилена отличаются от твердых пластиков тем, что они не столь хорошо сопротивляются деформации, но они обычно не так быстро ломаются. Конечно же, это способность к деформации спасает их от разрушения. Начальный модуль упругости довольно высок, то есть в течение некоторого времени они противостоят деформации, но если приложить к гибкому пластику достаточно высокое механическое напряжение, то в конце концов он деформируется. Вы можете проделать этот опыт с куском пластикового пакета. Если вы попробуете растянуть его, то сначала это будет нелегко, но когда вы растянете его достаточно сильно, он поддастся и дальше будет легко растягиваться. Окончательный вывод состоит в том, что гибкие пластики могут быть не столь прочными, как твердые пластики, зато они обладают гораздо более высокой ударовязкостью.

Изменить поведение пластиков по нагрузкой можно при помощи добавок, назвыаемых пластификаторами. Пластификатор - это маленькая молекула, которая делает пластик более гибким. Например, без пластификатора поливинилхлорид, или сокращенно ПВХ, является твердым пластиком. Твердый непластифицированный ПВХ используется для изготовления водопроводных труб. Но при помощи пластификаторов можно сделать ПВХ достаточно гибким, чтобы делать из него такие вещи, как детские надувные игрушки для бассейна.

Волокно, такие как Кевлар^TM, углеродное волокно и нейлон как правило обрадают диаграммами напряжения вроде той, что показана голубым цветом на приведенном выше графике. Как и твердые пластики, они скорее прочные, чем ударопрочные, и не слишком сильно деформируются при растягивающем напряжении. Но если вам нужна именно прочность, то уж волокна ею обладают. Они гораздо более прочны, чем пластики, даже твердые, а некторые полимерные волокна, как Кевлар^TM, углеродное волокно и полиэтилен сверхвысокой моекулярной массы обладают более высокой прочностью на разрыв, чем сталь.

Эластомеры, такие как полиизопрен, полибутадиен и полиизобутилен обладают механическими характеристиками, совершенно отличными от других типов материалов. У эластомеров очень низкие модули упругостию. Вы можете видеть это по очень салому наклону розового графика, но выЮ возможно, и раньше это знали. Вы ведь знали уже, как легко можно согнуть или растянуть кусок резины. Если бы эластомеры не обладали бы столь низкими модулями упругости, они были бы не слишком хорошими эластомерами, не правда ли?

Но не только малый модуль упругости делает полимер эластомером. То, что его легко растянуть, было бы не слишком полезно, если бы материал потом не возвращался к своей исходной форме и размерам, после того, как механическое напряжение снято. Резиновые ленты были бы бесполезны, если бы они только растягивались и не сокращались потом. Конечно же, эластомеры возврщаются в исходную форму, и именно это делает их столь удивительными. Они характеризуются не просто высокими деформациями, но и высокой степенью обратимой деформации.

Поговорим не только о характеристиках растяжения

Ладно, это все очень хорошо и здорово, но пока это небольшое обсуждение механических свойств, которыми обладают различные типы полимеров крутилось в основном вокруг характеристик растяжения. Если мы посмотрим на другие свойства, связанные со сжетием или изгибом, то мы можем получить совершенно иную картину. Например, волокна обладают очень высокой прчностью на разрыв, а также неплохой прочностью на изгиб, но как правило у них совершенно отвратительные характеристики при сжатии. Кроме того, хорошей прочностью на разрыв они обладают только в направлении волокон.

Обзор различных видов прочности, или объединим усилия!

Примером сополимера, который сочетает в себе свойства двух материалов, является спандекс. Это сополимер, содержащий блоки эластомера полиоксиэтилена и твердого polyurethane, образующего волокно. В результате мы получаем волокно, которое растягивается. Спандекс используется для изготовления эластичной одежды, как например, штаны для езды на велосипеде.

Ударопрочный полистирол, или сокращенно УППС, является несмешиваемой смесью, которая сочетает в себе свойства двух полимеров, полистирола и полибутадиена. Полистирол является твердым пластиком. Если смешать его с эластомером полибутадиеном, то они образуют смесь с разделенными фазами, которые обладают прочностью полистирола вместе с ударопрочностью, обеспечиваемой полибутадиеном. По этой причине УППС гораздо менее хрупок, чем обычный полистирол.

В случае композиционного материала мы обычно используем волокно для усиления термореактивного материала. Термореактивные материалы - это вещества с трехмерной структурой, которая получается в результате "сшивания", и их поведение под нагрузкой как правило такое же, как и у пластиков. Волокно усиливает прочность композита на разрыв, тогда как термопластик сообщает ему прочность на сжатие и ударопрочность.

Литература

Jang, B. Z.; Advanced Polymer Composites: Principles and Applications, ASM International, Materials Park, OH, 1994.

Вернуться в директорию Третьего Уровня

Вернуться в основную директорию Макрогалереи