close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

mu termodefhar 2013

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет технологии
и дизайна»
Е. Н. Петров
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Санкт-Петербург
2013
УДК
ББК
620.22 (075.8)
30.3я73
П30
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Института телевидения,
бизнеса и дизайна М. Ю. Волокобинский;
заведующий кафедрой Санкт-Петербургского государственного
университета технологии и дизайна В. Г. Тиранов
П30
Петров, Е.Н.
Материаловедение. Термодеформационные характеристики
композиционных материалов: учеб. пособие / Е. Н. Петров. –
СПб.: ФГБОУВПО «СПГУТД», 2013 – 150 с.
ISBN 978-5-7937-0885-2
Учебное пособие представляет из себя блок учебного материала, в
котором цели его изучены, объем и контроль усвоения объединены
смысловой связью и представляют собой логически завершенное целое.
Учебное пособие разработано в соответствии
с
положениями
государственного стандарта.
Изложенный материал полностью соответствует программам курсов:
«Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для
специальности 151 00.62 «Технологические машины и оборудование»;
«Архитектурно-дизайнерское
материаловедение»
для
специальности
072 500.62 «Дизайн среды»; «Современные отделочные материалы, их
свойства и тенденции применения в промышленности» для специальности
100800 «Товароведение».
Разделы ГОС по указанным специальностям нашли отражение в учебном
пособии. К ним относятся: композиционные материалы, их особенности и
свойства, технология изготовления; релаксационные процессы в полимерных
материалах; особенности строения; приборы и методы испытания
композиционных материалов и определения свойств композитов; методы
обработки полученных результатов.
Большую пользу настоящее пособие может оказать будущим
специалистам – при оптимизации выбора композиционных материалов в
процессе разработки конструкций и технологий производства изделий.
УДК 620.22 (075.8)
ББК 30.3я73
ISBN 978-5-7937-0885-2
© ФГБОУВПО «СПГУТД», 2013
© Петров Е. Н., 2013
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
КТР
ФАМ
АКР-15
ПЭ
РМПЭ
ПЗС
КПЗС
коэффициент линейного теплового расширения
фурфурацетоновые мономеры
модифицированный акрилоксид
полиэтилен
радиационно-модифицированный полиэтилен
прессово-замковое соединение
кабельное прессово-замковое соединение
3
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наряду с материалами на основе неорганических
вяжущих веществ широко используются полимерные материалы.
Наибольшее применение они находят в строительстве, радиотехнике,
легкой промышленности, медицине. Особое место среди них занимают
композиционные материалы на основе органических и неорганических
полимеров. Это объясняется удачным сочетанием положительных качеств
в одном материале: достаточная прочность, химостойкость и стойкость к
старению, декоративные свойства.
В
настоящем
пособии
наибольший
акцент
сделан
на
термодеформационные
характеристики,
имеющие
первостепенное
значение в расчетах температурных напряжений, которые вызывают
образование трещин и способствуют дальнейшему разрушению материала.
Впервые сделана попытка выстроить весь процесс испытаний в
последовательности, подобной реальным условиям – приготовление
смесей, отвердение, формование, испытание, расчет, экспериментальная
проверка расчета и т.п.
Организация и проведение лабораторных работ в аналогичной
последовательности даст большой познавательный эффект и будет
способствовать фундаментальности освоения физико-механических
свойств, аппаратуры и методики по их изучению.
Развитие материаловедения полимерных материалов имеет некоторую
инерцию,
что
заставляет
материаловедов-экспериментаторов
изготавливать образцы больших размеров. Это связано с тем, что для
испытаний используется традиционное оборудование. В соответствии с
предлагаемой нами методикой и аппаратурой вес образца снижается в
десятки раз, что позволяет в таких же пропорциях уменьшить и размеры
испытательных приборов.
Все разработанные нами установки и приборы являются достаточно
компактными, вполне размещаются на лабораторных столах и позволяют
экспериментатору работать сидя, что существенно увеличивает точность
отсчета показаний. Многолетний опыт использования аппаратуры и
методики для изучения полимерных материалов позволяет утверждать, что
мы имеем погрешность наших опытов, не превышающую одного процента
замеряемых величин. Предложенные для проведения лабораторных работ
по материаловедению аппаратура и методика прошли апробирование на
десятках сотен различных испытаний, результаты которых позволили
внести большой вклад в области изучения и создания новых материалов на
основе неорганических вяжущих веществ и полимерной основе.
Полученные результаты, использованные в расчетах, также
подтверждают корректность проведенных исследований. Разработанные на
4
кафедре
сопротивление
материалов
под
руководством
проф. П. В. Мелентьева, подобранная из сотни различных модификаций,
предлагаемая для комплекса лабораторных работ аппаратура и методика
позволяют выяснить возможные способы борьбы с усадкой и остаточными
температурными напряжениями,
дают возможность определять
температурные напряжения при изометрическом нагреве. Будущий
специалист ознакомится в пособии с методикой измерения и расчета
отдельных характеристик.
Знание некоторых материаловедческих вопросов, изложенных в
пособии, даст возможность конструктору-машиностроителю, дизайнеру
пространственной среды, специалисту по художественной отделке
материалов лучше понять инженера и техника-строителя, позволит
объединить усилия при создании конструкций, отвечающих современным
требованиям. Примеры и справочные данные о свойствах материалов
взяты в основном из работ автора и его коллег, что обеспечивает единый
подход к проблемам и методикам, рассматриваемым и используемым в
лабораторных работах.
Автор не считает все идеи и методы, изложенные в пособии
абсолютно бесспорными, а предложенные приборы, хотя на все из них
имеются авторские свидетельства, единственно возможными. Вместе с тем
можно с уверенностью сказать, что сведения ,полученные студентом после
ознакомления с данной работой и проведения лабораторных работ,
принесут большую пользу будущим специалистам
при выборе
оптимального материала, позволят сузить область поиска и предотвратить
неоправданное расширение применяемых при создании и использовании
композиционных материалов.
Все основные свойства большинства материалов условно разделяют
на несколько главных групп. Так, например, к первой группе относят
физические свойства: плотность, объемная масса и пористость. Во второй
группе акцентируются свойства материалов, связанных с действием влаги:
гигроскопичность, водопроницаемость, водостойкость и морозостойкость.
Третья группа объединяет свойства, связанные с действием тепла,
теплопроводность, огнеупорность и огнестойкость. В четвертую группу
включены механические свойства: прочность, твердость, пластичность,
упругость, сопротивление удару и др.
Помимо того, различают еще и специальные свойства, в зависимости
от специфических особенностей при использовании материала.
Кроме этого, большое значение имеют технологические свойства, такие
как механическая обработка, пластичность при изготовлении изделий.
Регламентирующим документом при работе конструкторапроектировщика являются государственные стандарты на материалы
различных видов и назначений, где представлены основные
5
характеристики. Стандарты четко определяют качество материалов и
основные свойства, необходимые при эксплуатационных условиях.
Так, например, морозостойкость нужна для материалов, работающих
в условиях замораживания и оттаивания. Температурное расширение
материала необходимо знать, если его собираются использовать в
условиях переменных и повышенных температур. Особенно важно
учитывать тепловое расширение материала при проектировании его в
конструкциях, где он используются с
другими материалами,
температурное расширение которых отлично от первых.
Практически для всех материалов, а в особенности, строительных и
конструкционных, необходимо знать величину усадки как в момент
отверждения материала, так и в процессе его последующей эксплуатации.
Большое значение имеет свойство адгезии растворов (связующих) к
материалам, таким как бетон, керамика, кирпич, полимерные материалы и
пр.
Для более глубокого понимания необходимости определения и
изучения отдельных физико-механических характеристик студентам в
курсе «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов»
предлагается проделать комплекс лабораторных и практических работ:
определение усадки в процессе отверждения материала;
определение температурных деформаций и коэффициента линейного
теплового расширения;
определение модуля упругости (при растяжении-сжатии) материала;
определение коэффициента поперечной деформации;
определение температурных напряжений при изометрическом
нагреве;
определение релаксационных процессов и др.
Все перечисленные работы содержат элементы исследований, что
будет способствовать развитию познавательной и творческой активности
студентов, проведению сравнительной оценки полученных результатов,
осуществлению теоретических расчетов и их экспериментальной
проверки.
6
1. Современные композиционные материалы
1.1.
Полимерные
композиционные
материалы
и
их
классификация
Открытие процесса вулканизации природного каучука положило
начало истории развития производства искусственных полимерных
материалов. В 1872 году путем обработки нитроцеллюлозы камфарой был
получен целлулоид, который явился первым видом пластической массы на
основе производных целлюлозы. Начиная с 30-х годов ХХ века получили
промышленное применение мочевино-формальдегидные, полиэфирные и
другие полимеры. Одновременно начали применяться методы
полимеризации и были получены полистирол, поливинилацетат,
поливинилхлорид, полиметилметакрилат и др. Несколько позднее
появились новые виды поликонденсационных пластиков: полиамидные,
полиуретановые и др.
Дальнейшее развитие химической промышленности происходило по
нарастающей, удваиваясь каждое пятилетие. По прогнозам ученых годовое
потребление полимерных материалов в ХХI веке должно опередить
потребление черных металлов.
Полимерные композиционные материалы – это высоконаполненные
системы, полученные на основе синтетических смол или мономеров,
наполнителей и заполнителей без применения минеральных вяжущих
веществ и воды. Они могут содержать в своих составах помимо
полимерных связующих и наполнителей, еще и отвердители, добавкипластификаторы, стабилизаторы, пигменты.
Правильный выбор полимерного связующего, наполнителей и
заполнителей позволяет получать композиты с широкой гаммой свойств:
особо легкие (средняя плотность около 800 кг/м3) и особо тяжелые
(средняя плотность более 3200кг/м3), с высокими диэлектрическими
характеристиками или с хорошей электропроводностью.
Широкое применение полимерных композиционных материалов в
различных областях промышленности обусловлено не только высокой
химической стойкостью, хорошими прочностными характеристиками,
привлекательными декоративными свойствами, но и сравнительной
простотой изготовления, технологичностью, универсальностью свойств,
возможностью направленного регулирования структуры и свойств
композитов.
В зависимости от вида связующего полимерные композиты
подразделяются на композиты на основе термореактивных смол
(карбидных, фенольных, полиэфирных, фурановых, эпоксидных и
полиуретановых) и на композиты на основе термопластичных полимеров
(эденкумароновых, метилметакрилата и др.)
7
Композиционные материалы, предназначенные для несущих элементов
конструкций, изготавливают, на основе термореактивных смол, а
композиты для защитных и декоративных целей, как правило, на
термопластических полимерах.
Основные свойства полимерных композиционных материалов
определяются химической природой полимерного связующего, видом и
концентрацией дисперсного наполнителя. Крупные заполнители
выполняют роль жестких скелетов, воспринимающие механические
воздействия и нагрузки.
Кроме того, полимерные композиты могут содержать в своих
составах упрочняющую арматуру.
В названиях полимерных композиционных материалов указывают
вид связующего, дисперсного наполнителя
и для армированных
материалов вид армирования. Например: эпоксидный полимер-раствор на
основе кварца, полимер-бетон ФАМ на андезите и др.
1.2.
Основы производства композиционных материалов
Сущность
технологических
процессов
изготовления
композиционных материалов зависит от их состава и назначения.
Главными технологическими факторами являются определенные
температурные и силовые параметры формирующие изделие, что
определяет выбор оборудования. Производство складывается из
подготовки, дозировки и приготовления полимерных композиций, которые
затем перерабатываются
в изделия, с необходимыми физикомеханическими свойствами, конфигурацией и размерами.
Наиболее распространенными приемами переработки являются:
литье, экструзия, вальцевание, каландрирование, прессование, пропитка,
полив, напыление, сварка, склеивание и др.
Литье. Различают два вида литья: простое в формы и под давлением.
При простом литье жидкая композиция или расплав заливаются в формы и
отвердевают в результате реакции полимеризации, поликонденсации или
вследствие охлаждения. Примером служит отливка плиток, получение
органического стекла и декоративных изделий из полиметилметакрилата.
Охлаждением расплава при простом литье получают простейшие изделия
из полиамидов (поликапролактама).
Литье под давлением применяется при изготовлении изделий из
термопластов.
Полимер нагревается до вязкотекучего состояния в
нагревательном цилиндре литьевой машины и плунжером вспрыскивается
в разъемную форму, охлаждаемую водой. Давление, под которым
вспрыскивается расплав, может достигать 20 МПа. Так изготавливаются
изделия из полистирола, полиэтилена, эфиров целлюлозы, полиамидов.
8
Экструзией называется операция, при которой изделиям из
пластмасс
придают определенный профиль путем продавливания
нагретой массы через мундштук(формообразующее отверстие). Таким
образом получают погонажные изделия: трубы, листы, линолеум, пороизол
и многие другие.
Поперечные размеры сечений лежат в широком интервале: диаметр
труб от 5 мм до 250 мм, ширина листов и пленок от 0,3 до 1.5 м толщина
от 0,1 до 4мм. Экструзионными машинами пользуются для смешивания
композиций и гранулирования.
Вальцевание – операция, при которой пластмасса формируется в
зазоре между вращающимися валками.
Вальцевание позволяет доброкачественно смешивать компоненты
пластмасс с целью получения однородной массы, при этом полимер
переводится в вязко-текучее состояние благодаря повышению
температуры при перетирании. При многократном пропускании массы
через вальцы происходит пластификация, т.е. совмещение полимера с
пластификатором путем ускоренного взаимного проникновения.
Каландрирование
– процесс образования бесконечной ленты
заданной толщины и ширины из размягченной полимерной смеси,
однократно пропускаемый через зазор между валками.
Каландры подразделяются на двух, трех, четырех и пятивалковые.
Валки каландров изготавливают из высококачественного кокильного
чугуна. Валки обогреваются через внутреннюю центральную полость и
периферийные каналы.
Прессованием называют способ формирования изделий в
обогреваемых гидравлических прессах. Различают прессование в прессформах – при изготовлении изделий из пресс-порошков и плоское
прессование в многоэтажных прессах – при изготовлении листовых
материалов, плит, панелей Прессование применяется преимущественно
при переработке термореактивных полимерных композиций (фенопласты,
аминопласты и др.). Методом плоского прессования формируют древесностружечные плиты, бумажные слоистые пластики, текстолиты, древеснослоистые пластики, трехслойные клееные панели.
Пропитка состоит в окунании основы (ткани, бумаги, волокон) в
пропиточный раствор с последующей сушкой. Эта операция
осуществляется в пропиточных машинах вертикального и горизонтального
типов. Методом пропитки получают клеящие пленки, декоративные
пленки,
полотнища
на
основе
стеклянных,
асбестовых
и
хлопчатобумажных тканей, из которых в дальнейшем изготавливают
текстолиты.
Полив – это процесс, при котором пластическая масса
распределяется тонким слоем на металлической ленте или на барабане и,
9
затвердевая, снимается в виде тонкой пленки. Часто этот процесс связан с
испарением растворителей. Таким образом, получают ацетилцеллюлозные
прозрачные пленки.
Напыление – способ нанесения на поверхность порошкообразных
полимеров, которые расплавляясь, прилипают к ней, а при охлаждении
образуют прочную пленку покрытия. Различают плазменное, вихревое и
псевдо-сжиженное напыление. При газо-плазменном напылении порошок
полимера (полиэтилен, полиамид, поливинилбутироль), проходя через
пламя падает на поверхность каплями ,прилипает, образуя слой нужной
толщины.
Сварка и склеивание служат для соединения заготовок из
пластмассы для получения изделий заданной формы. Сварку применяют
для
соединения
термопластичных
пластмасс
–полиэтилена,
поливинилхлорида, полиизобутилена и др. По способу нагревания
соединяемых
поверхностей
различают
сварку:
воздушную,
высокочастотную, ультразвуковую, радиоционную, контактную.
Склеивание применяют для соединения как термопластичных, так и
термореактивных пластмасс. Для термопластичных пластмасс клеем
может служить органический растворитель, вызывающий набухание
склеиваемых частей и их слипание при сжатии. В зависимости от условий
производства и требуемой технологии склеивания применяют
специальные клеи холодного и горячего отверждения.
Промазыванием называется операция, при которой пластическая
масса в виде раствора, дисперсии или расплава наносится на основание –
бумагу, ткань, войлок, разравнивается, декоративно обрабатывается и
закрепляется. Примером может служить промазной линолеум, павинол,
линкруст и др. Нанесенная и разровненная масса проходит этап
термообработки для размягчения и лучшего сцепления ее с основанием.
Формованием называют переработку листовых, пленочных,
трубчатых пластмассовых заготовок с целью придания им более сложной
формы и получения готовых изделий. Формование производят главным
образом при нагревании. К основным методам формования из листов
относят штампование, пневмоформование и вакуум-формование.
При штамповании из листов вырезают заготовки, нагревают их,
помещают в пресс-форму между матрицей и пуансоном и сжимают под
давлением до 1 МПа.
В основе разработки тех или иных технологических процессов лежат
физико-механические
характеристики
определяющие
режимы
теплофизического воздействия на материал.
10
1.3.
Характеристика
полимерной основе
композиционных
материалов
на
Композиционные материалы представляют собой гетерофазные
системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением
индивидуальности каждого из них. В строении композита выделяют
наполнитель (армирующий компонент) и связующее (матрицу). Матрица
связывает композицию (обеспечивает непрерывность), позволяет
изготовить необходимую инженерную конструкцию и передавать внешние
нагрузки к несущему упрочняющему компоненту. Наполнитель является
разделенным компонентом и играет усиливающую или армирующую роль.
Типичные
примеры
композиционных
материалов:
пластмасса,
упрочненная стекловолокном, смолы упрочненные нейлоном и
углеволокном. Для композиционных конструкционных материалов
характерны следующие признаки:
- полученный композиционный материал обладает свойствами не
присущими индивидуальным компонентам;
- компоненты различаются по свойствам и им присуща граница
раздела;
- компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих
номинальные свойства материала;
- состав и форма компонентов определяются заранее.
Таким образом, свойства композиционного материала зависят от
свойств наполнителя и матрицы, от формы наполнителя и от способа
армирования.
Наполнители разделяют на три основные группы: нуль-мерные, с
помощью которых получают дисперсно-упрочненные
композиты;
одномерные, которые используют для создания волокнистых композитов;
двумерные, используемые для получения слоистых композитов.
Волокна делятся на прерывные и прерывистые и могут образовывать
ткань (например, текстолит).
По типу армирования композиционные материалы разделяются на:
- хаотично армированные, когда используются нуль - и одномерные
наполнители;
одномерно-армированные,
когда
частицы
нуль-мерного
наполнителя расположены относительно упорядочено и когда волокна
преимущественно расположены вдоль одного из направлений (некоторая
степень анизотропии);
- двумерно-армированные имеют место в том случае, когда частицы
нуль-мерного наполнителя расположены относительно упорядочено и в
каждом из слоев находятся в узлах плоской сетки, когда
однонаправленные непрерывные волокна образуют пространственно
11
разделенные параллельные слои, чередующиеся перпендикулярными
слоями;
- пространственно армированные, которые получаются при
расположении
частиц
нуль-мерного
наполнителя
относительно
упорядочено и образуют пространственную сетку, или когда тканевые
слои перпендикулярны в трех пространственных измерениях.
Современные композиты не только имеют широкий спектр физикомеханических свойств, но и способны к направленному их изменению,
например, регулированию жесткости, прочности, повышению вязкости и
других свойств.
Спектр этих возможностей расширяется при применении в
композитах наполнителей различной природы и геометрии.
Как говорилось ранее, композиционные материалы могут быть
волокнистыми и дисперсно-упрочненными.
В волокнистых композитах волокна как правило воспринимают
основные напряжения, при действии внешних нагрузок и обеспечивают
прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Матрица
обеспечивает действие волокон за счет собственной жесткости
и
взаимодействия на границе матрица – волокно.
Три основных параметра обеспечивают величины механических
свойств волокнистого композита: прочностью армирующих волокон,
жесткостью матрицы и прочностью связи на границе раздела.
Среди
волокнистых
композитов
широко
распространены
пластмассы, армированные стекловолокном. С уменьшением диаметра
волокна уменьшается вероятность возникновения внутренних дефектов,
при этом размеры дефектов также уменьшаются. В результате повышается
прочность волокна: например, стеклянная пластина имеет прочность при
растяжении около 70 МПа, тогда как тонкое стекловолокно дает уже до
5000 МПа.
Большое значение прочности имеют и композиты армированные
нитевидными кристаллами и усами. Внутри таких кристаллов дислокации
немногочисленны
или полностью отсутствуют, что обеспечивает
повышение прочности. Нитевидные кристаллы получают из асбеста,
углерода и других неметаллических веществ, а также из металлов: меди,
никеля, железа и др. Они могут быть как прерывистыми, так и
непрерывными.
Армирующие волокна должны отвечать следующим требованиям.
Высокая прочность, жесткость, плотность и стабильность в широком
интервале температур. Из технологических требований главными
являются совместимость волокон с материалами матрицы и возможность
создания высокопроизводительного процесса изготовления композита.
12
Свойства матрицы должны обеспечить
совместную работу
армирующих волокон
при различных нагрузках. Определяющими
являются сдвиговые нагрузки при направлениях действия внешних сил не
совпадающих с направлением волокон и, конечно, при циклическом
нагружении. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур
композита и характер изменения свойств при различных воздействиях.
На свойства композита оказывает существенное влияние граница
раздела матрица-наполнитель. Главное это адгезия. Внутренние
напряжения в композите достигают экстремальных значений на границе
раздела, обычно начинается разрушение материала. Непременным
условием должно быть сохранение этой связи под действием усадочных и
температурных напряжений, возникающих в композите
вследствие
различия коэффициента линейного теплового расширения матрицы
наполнителя и в результате химической усадки связующего при его
отверждении. Защита композита от внешнего воздействия также в
значительной степени
определяется адгезионным взаимодействием
компонентов на границе раздела. Так как в данном пособии рассмотрены
дисперсно-упрочненные композиционные материалы, остановимся особо
на их разновидностях.
Дисперсный наполнитель имеет вид либо частиц, либо чешуек,
причем сочетание материалов может быть самым разным.
В рассматриваемых материалах наполнители и матрицы могут быть
как органического (перетертая эмаль зуба животных) и неорганического
фарфоровая пудра. Примером композита из неорганической матрицы и
неорганических частиц служит бетон ,состоящий из смеси песка, щебня и
смеси цемента с водой. Примером композита с органической матрицей и
неорганическими частицами может служить полимерный бетон, где
дисперсная фаза – песок или щебень, а органическая матрица смола.
В таких композитах распределение частиц обычно хаотическое.
Широкое распространение за последнее время получили
композиционные материалы с неметаллической матрицей. Речь идет о
полимерной матрице и волокнистых наполнителях (непрерывных и
прерывистых) различной формы: волокна различной длины, ткани,
нетканые материалы, Наибольшее распространение получили пластики,
армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и
некоторыми другими видами. В качестве матрицы используются
отвержденные эпоксидные, полиэфирные
и некоторые другие
термореактивные смолы, а также термопластичные материалы.
Достоинства композитов с полимерной матрицей определяются
высокими прочностными и упругими характеристиками, стойкостью к
химически агрессивным средам, низкие тепло- и электропроводность,
радиопрозрачность, умеренные температура и давление
получения
13
композитов, все это позволяет реализовать современные способы создания
материала – изделия.
К недостаткам пластиков можно отнести их низкие прочностные и
упругие свойства при сжатии и сдвиге, низкая тепловая и радиационная
стойкость ,гигроскопичность ,
изменение
физико-механических
характеристик при старении и под действием климатических факторов.
1.4. Комплексный подход к изучению термодеформационных
характеристик композиционных материалов
В существующей в настоящее время методике подхода к расчету
конструкций
из полимерных материалов существует очень много
трудностей вызываемых следующими обстоятельствами:
- большинство композиционных материалов на полимерной основе
достаточно сильно подвергаются старению;
- характеристики, получаемые на различном оборудовании и в
различные сроки после изготовления и от различных поставщиков, имеют
большой разброс;
- технология изготовления (литье, формование и т.п.) имеет влияние
на упруго-деформационные характеристики материалов, что накладывает
соответствующую погрешность на свойство элемента готовой
конструкции;
- для определения и контроля механических характеристик
традиционно используется оборудование для металлов и металлических
сплавов;
- методики обработки полученных результатов различны.
Вот почему возникла острая необходимость все испытания
материалов провести на однотипном оборудовании от начала изготовления
материала до экспериментального испытания готовой конструкции, что
могло подтвердить правильность выбранной методики и закрепить
надежность
разработанной
нами
аппаратуры
для
изучения
термодеформационных характеристик композиционных материалов на
полимерной основе.
Одновременно с этой работой нами были решены две простые
доступные и очень важные задачи прессово-замкового соединения и задача
по взаимодействию двух элементов в конструкции при температурном
воздействии и что самое главное экспериментально проверены величины
деформаций и напряжений в реальной конструкции.
Все это вместе взятое
дает право утверждать правильность
комплексного подхода к изучению свойств материалов на разработанном
на кафедре специальном оборудовании, которое с большим успехом может
быть использовано в учебном процессе на материаловедческих кафедрах и
14
материаловедческих дисциплинах, а также в научно-исследовательской
работе и производстве.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие
наиболее
распространенные
приемы
переработки
пластмасс?
2. Как называется операция, при которой пластмасса формируется в
зазоре между вращающимися валками?
3. Что такое композиционные материалы?
4. Чем
объясняется
широкое
применение
полимерных
композиционных материалов в различных областях промышленности?
5. Как классифицируются композиты по плотности?
6. Как классифицируются композиты по схеме армирования?
7. Как классифицируются композиты по форме наполнителя?
2. Определение усадки материалов в процессе их отверждения и
способы ее уменьшения
2.1. Существующая методика и аппаратура для исследования
усадки полимерных материалов
Все композиционные материалы и полимеры холодного отвердения,
а также полимербетоны при переходе от тестообразного состояния к
твердому имеют усадку. При их твердении и полимеризации уменьшается
объем. Особенно опасна усадка, которая при затвердевании материала
вызывает образование трещин. Для снижения усадочных деформаций
процесс отверждения осуществляют в
определенной среде. У
большинства композиционных материалов при этом возникает
экзотермический эффект. Температура внутри массивных блоков может
возрасти до 50 - 90 °С, что вызывает различие процессов отверждения и
усадки в различных частях блока и будет способствовать образованию
остаточных напряжений. Величина этих напряжений может достигать
предельных значений и вызывать образование трещин. Для снижения
усадки и остаточных напряжений процесс твердения производится при
определенном давлении и при дополнительном нагреве. Наибольшую
усадку имеет цементный камень (рис. 1). Его усадка составляет до 2 мм на
метр длины через 90 суток твердения. В тоже время усадка цементного
раствора составляет уже 0,7 мм, а бетона 0,4 мм на метр длины.
15
Наибольшей усадкой обладают композиты на акрилатной основе.
Она достигает у отдельных модификаций до 2,5 %. Наименьшее значение
показывают композиционные материалы на основе эпоксидных смол.
Рис. 1.
1 - цементный камень, 2 - раствор, 3 - бетон
Большую усадку показывают бетоны из жирных смесей с большим
водоцементным отношением. За первые сутки она составляет более
половины месячной в результате испарения влаги и поглощения ее
гидратирующими зернами цемента. Размер усадки бетона зависит от
состава и тонкости помола цемента. У полимеров холодного отверждения
также происходит усадка в процессе перехода в твердое состояние.
Существующие методы определения усадки не дают возможности
полностью определить ее функцию от времени, от начала процесса
затвердевания и до полного отверждения. Недостатком упомянутых
методов является отсутствие возможности исследования усадки в
полужидком и тестообразном состояниях. Вот почему ни один из методов
не может дать полной картины изменения усадки во времени с начала
отверждения (полимеризации) до его окончания. Основные процессы
полимеризации, а соответственно, и формирование структуры у
полимерных материалов происходят в первые 10 – 15 минут, однако в
существующих методиках
первый отсчет фиксируется как раз через
этот промежуток времени. Время затвердевания цементов медицинского
назначения составляет: для цинкофосфатных – 4 - 10 мин, для силикатных
– 3 - 8 мин. Быстрая скорость отверждения свойственна и материалам на
основе эпоксидных смол. В зависимости от модификаций оно колеблется в
пределах от 1 до 12 мин.
Учитывая существенную особенность и роль усадки в формировании
элементов конструкций, представляется целесообразным более детально
исследовать ее функцию от времени для самотвердеющих растворов и
полимерных материалов холодного отверждения. Для этих целей на
кафедре сопротивления материалов была создана установка для
определения усадки как функции от времени с начального момента до
полного отверждения.
16
2.2. Установка и методика для исследования усадки
самотвердеющих композиционных и полимерных материалов
холодного отверждения
Учитывая недостатки существующих методов определения усадки и
актуальность наличия этой характеристики с учетом ее изменения во
времени, предлагается довольно простой и доступный метод определения
усадки с помощью поляризационного микроскопа, предназначенного для
рассмотрения непрозрачных предметов (тип МП - 8). Установка (рис. 2 и 3)
состоит из микроскопа 1, съемной втулки 5, внутри которой помещается
исследуемый материал 2. Съемная втулка находится внутри
нагревательного элемента 3. Внутрь исследуемого материала помещена
термопара 6. Для борьбы с конденсатом на поверхности наружных линз
установлен микровентилятор 4. Вся установка обеспечивается
электропитанием с безопасным напряжением 27 вольт.
Рис. 2. Принципиальная схема установки для исследования усадки
полимерных материалов
Изменение температуры фиксируется с помощью термопары.
Методика эксперимента заключается в следующем: исследуемый материал
заливается (закладывается) в съемную цилиндрическую форму размерами:
длина – 20 мм, диаметр – 8 мм или 12 мм и длина – 20 мм. Иногда
используются равные по объему указанным формам тигельки. С помощью
микрометрического винта микроскопа фокусируется поверхность залитого
в форму материала и по делениям микрометрического винта записывается
начальный отсчет и включается секундомер. В процессе отверждения
17
материала первоначальный уровень изменяет свою высоту, удаляясь от
фокусного расстояния. Очередная фокусировка поверхности исследуемого
образца (материала) позволяет определить величину смещения уровня.
Показания микрометрического винта фиксируется через определенные
промежутки времени: в первые 10 мин – через 30 с, во вторые – через 1
мин, затем через 5, 10, 20 и т.д. При длительных испытаниях показания
снимаются через сутки, двое, трое и т.д. Точность определения усадки
определяется точностью микрометрического устройства и составляет в
нашей установке 0,001 мм. В зависимости от величины и скорости усадки
во времени применяются различные окуляры и объективы.
Для
исключения
сопротивления
трения-сцепления
формы
усадочным деформациям форма предварительно покрывается 10%-м
раствором кремнеорганического каучука в толуоле.
Рис. 3. Фотография
композиционных материалов
установки
для
исследования
усадки
Одновременно с определением усадки производилась запись
температуры внутри исследуемого образца и ее изменение в зависимости
от времени в процессе отверждения и полимеризации.
Определение корреляции температурных и деформационных
процессов осуществлялось совмещением полученных диаграмм по
времени в одинаковом масштабе.
18
Рис. 4. Зависимость усадки композиционного материала на основе
акрилатных смол-норакрила в зависимости от времени (кривая а).
Изменение температуры внутри образца в процессе отверждения
(кривая б)
Функция усадки от времени, полученная по экспериментальным
точкам, и функция температуры от времени, полученная на диаграмме
самопишущего потенциометра, изображенные в одном временном
масштабе, позволяют скорректировать влияние экзотермического эффекта
на процесс усадки во времени и качественно на ее абсолютную величину.
Одна из совмещенных диаграмм изображена на рис. 4. Диаграмма
характеризует изменение линейных размеров полимерного материала на
основе акрилатных смол в процессе отверждения, а также изменения
температуры в процессе протекания экзотермической реакции. Процесс
полимеризации является экзотермической реакцией со значительным
тепловым эффектом. При смешивании порошка и жидкости образующаяся
масса характеризуется наличием индукционного периода, в течение
которого она сохраняет свою эластичность и внутри нее заметно не
повышается температура. При перемешивании шпателем и при его
удалении тянутся нити липнущей массы. В этот момент происходит
закладка массы в форму для изготовления изделия или прессование
изделия с различными наполнителями. Этот же момент выбирается нами
за начало отверждения (полимеризации) и снятия начального отсчета.
Для первых четырех минут характерно пропорциональное изменение
размеров и постоянство температуры материала. Примерно через четыре
19
минуты индукционный период переходит в бурный процесс развития
цепной реакции полимеризации, быстро растет температура (кривая б).
Интенсивность изменения линейного размера (кривая а) резко падает, так
как в этот момент линейное изменение размеров (их уменьшение)
компенсируется тепловым расширением материала. Весь этот процесс
длится в течение одной — двух минут. Затем наступает интенсивное
уменьшение размеров, для которого характерно сложение двух
деформаций:
продолжающейся
полимеризационной
усадки
и
температурной деформации от охлаждения материала (образца). Скорость
усадки в этот момент достигает своего наивысшего значения. По
истечении 10-15 минут интенсивность этого процесса постепенно падает, и
процесс интенсивной усадки прекращается, и кривая а превращается в
асимптоту. Таким образом, при смешивании акрилового полимера с
мономером различают следующие стадии: песочную или гранульную,
вязкую тестообразную, резиноподобную и твердую. Эти стадии являются
следствием тех физико-химических процессов, которые протекают между
порошком и жидкостью.
Учитывая тот факт, что в настоящее время имеется большое
количество аппаратуры и методов для исследования усадки, особое
внимание было акцентировано на определении усадки в начальный период
(при переходе от тестообразного в твердое состояние).
Полагаем, что явление объемной усадки у полимерных и цементных
изотропных материалов представляет из себя объемную деформацию тела,
при которой в каждой точке объема относительная деформация по трем
взаимно перпендикулярным направлениям одинакова.
Таким образом, получая значение величины линейной деформации,
мы можем определить значение абсолютной величины объемной усадки и
относительное изменение объема для изотропных материалов. Диаграмма,
характеризующая изменение линейных размеров образца в процессе
отверждения, позволяет определить ht, - изменение размера в любой
момент времени, а, соответственно, и относительную деформацию  
h
,
h0
где h0 - уровень первого отсчета, или начальная высота исследуемого
образца.
Используя предложенные аппаратуру и методику, мы исследовали
основные композиционные материалы на основе полимерцементов,
отверждающиеся холодным способом и используемые в строительстве,
электротехнике
медицине
и
машиностроении.
На
основании
экспериментальных данных были построены графические зависимости
линейной усадки от времени, которые изображены на рис. 5.
Как видно из диаграмм, падение интенсивности процесса усадки во
20
времени имеет для каждого материала свою величину. Если для бутакриза
время окончания процесса отверждения составляет 10-12 мин (кривая 5),
то для цемента силицин это время колеблется в пределах от 45 до 65 мин, а
для цемента силидонт (кривая 2) заканчивается на 25 мин (рис. 5).
Самую маленькую усадку с небольшим экзотермическим эффектом
на 6-й мин имеет эпоксидный материал. Что же касается других
материалов, то для каждого из них характерно свое время окончания
интенсивного процесса усадки, поэтому исследование усадки после
определенного времени не может дать правильного представления о
величине и характере усадки, а, соответственно, и влиянии ее на
формирование изделий в конструкции Величина давления и время
выдержки определяются в настоящее время интуитивно, что затрудняет
расчет и прогнозирование поведения элемента конструкции в
эксплуатационных условиях.
Кроме того, в процессе эксплуатации конструкция подвергается
циклическому воздействию температуры, что повлечет за собой
вторичную усадку и релаксацию остаточных напряжений, которые будут
способствовать изменению размеров изделия.
Рис. 5. Зависимость линейной усадки от времени для основных
композиционных пломбировочных материалов: 1 - эпоксидент; 2 силидонт; 3 - силицин; 4 - совмещенный «10»; 5 - норакрил; 6 - бутакриз
Необходимо также отметить, что отсутствие точных сведений об
усадке не дает возможности прогнозировать упруго-деформационное
21
состояние элемента конструкции, затрудняет определение остаточных
напряжений. Наряду с этим необходимо обратить внимание на
технологические особенности формирования изделий, то ли фундаментов,
то ли объемных блоков, то ли микроблоков в радиоэлектронной
аппаратуре. В процессе формования строители прибегают к методу
искусственного давления на массу бетона-раствора в процессе ее
отверждения, что существенным образом сказывается на величине усадки.
Создание дополнительного давления на отверждающийся материал в
процессе его отверждения компенсирует усадочную деформацию, а в
некоторых случаях создает дополнительные напряжения в результате
искусственной ориентации напряжений, которые фиксируются в момент
окончательного отверждения. Величина давления и время выдержки
определяются в настоящее время интуитивно, что затрудняет расчет и
прогнозирование поведения элемента конструкции в эксплуатационных
условиях. Кроме того, в процессе эксплуатации конструкция подвергается
циклическому воздействию температуры, что повлечет за собой
вторичную усадку и релаксацию остаточных напряжений, которые будут
способствовать изменению размеров изделия.
2.3.
Влияние давления при формировании
(образца) на величину эксплуатационной усадки
изделия
Одним из эффективных методов борьбы с усадочными явлениями в
конструкции (изделии) может быть создание дополнительного давления в
момент формирования (закладки, заливки) изделия (блока, фундамента,
панели и т.д.). Выбор оптимальных параметров величины давления, время
его приложения и длительность воздействия должны основываться на
экспериментальных данных и иметь правильную теоретическую основу,
так как ошибочность в выборе параметров может понизить
эксплуатационные качества изделия.
Для подбора оптимальных параметров дополнительного давления,
момента его приложения и длительности действия нами были разработаны
методика и аппаратура.
Вначале образцы, изготовленные без дополнительного давления,
подвергались многократному тепловому воздействию с одновременным
фиксированием их размеров. Для исследований был выбран широко
распространенный материал на основе акрилатов – норакрил. Средняя
величина усадки после термотренировки составила 0,15 %. Следующую
партию образцов подвергали дополнительному давлению в начальный
момент
полимеризации.
Время
приложения
нагрузки
(его
22
продолжительность) и величина нагрузки изменялись ступенчато. Через
два часа после начала отверждения образцы вынимались из форм. Затем,
на установке для исследования усадки (см. рис. 2) подвергались
многократному нагреванию и охлаждению в диапазоне температур от 20
до 60 °С. После термотренировки производился окончательный замер
образцов с помощью микрометрического устройства микроскопа и
определялась величина усадочной (можно назвать эксплуатационной)
деформации (рис. 6).
Рис. 6. Влияние давления на величину необратимой деформации от
теплового воздействия (выдержка под давлением составила 20 мин).
Момент приложения нагрузки (давления): 1 – 2 мин, 2 – 5 мин, 3 - 10 мин
Величина эксплуатационной усадки зависит от величины
создаваемого давления, а также и от момента приложения нагрузки.
Лучшими параметрами для данного материала являются: давление,
составляющее 1,4 кг/см2, приложенное при отверждении материала через
две минуты после заполнения формы образца, и время выдержки образца
при данном давлении в течение 20 мин. Как видно из графика (рис. 6),
усадочная деформация после неоднократного нагрева и охлаждения
оказалась равной нулю. Большая аналогичная работа была проведена с
медицинскими стоматологическими материалами на основе полимеров
холодного отверждения. По результатам этой работы были сделаны
аналогичные заключения.
Явление усадочной деформации при тепловом воздействии вызвано
остаточными напряжениями, возникающими в материале в момент
23
отверждения, которое происходит неравномерно из-за экзотермического
эффекта, и отличием скорости полимеризации на поверхности материала и
внутри. При последующем тепловом воздействии происходит релаксация
остаточных напряжений, вследствие чего уменьшаются размеры изделия
(образца). Одновременно с этим (при последующем тепловом воздействии)
резко повышается процесс полимеризации, который продолжает
происходить в материале и также вызывает уменьшение размера.
Давление, создаваемое в начальный момент отверждения
(полимеризации),
вызывает
напряжения,
направленные
в
противоположную сторону остаточным, которые образуются в силу
неравномерности процессов отверждения (полимеризации), вследствие
чего происходит компенсационный процесс, который приводит материал к
равновесному состоянию.
Следует отметить, что только оптимально подобранный на основе
полученных графиков, режим, обеспечивает получение в элементе
конструкции равнопрочного материала, при котором ориентированные
вследствие полимеризационного процесса полимерные цепи успевают
отрелаксировать. Что же касается цементов, то через сутки после закладки
в формы усадка составляет: для силицина – 1,85 %, а для силидонта –0 ,9
%. После температурного воздействия, спустя 28 суток, вторичная усадка
составила: для силицина – 0,7 %, для силидонта – 0,1 %.
2.4. Определение усадки лакокрасочных материалов методом
пластины
Определение усадки лакокрасочных материалов невозможно
осуществить рассмотренным ранее методом, так как пленочные
лакокрасочные и полимерные покрытия не дают возможности изготовить
большие образцы, да и свойства монолитного блочного образца будут
значительно отличатся от свойств пленочного покрытия. Учитывая это
обстоятельство нами был предложен простой и доступный метод
пластины. На тонкую обезжиренную алюминевую фольгу-пластину
наносится с одной из сторон лакокрасочное или полимерное покрытие и
фокусируется с помощью микроскопа в отраженном свете свободный
конец пластины; включается секундомер и продолжается фокусировка
свободного конца пластины
с помощью микрометрического винта
микроскопа в определенные промежутки времени. После окончательного
отверждения строится диаграмма зависимости усадки покрытия от
времени. Максимальное значение перемещения свободного конца
пластины является своего рода прогибом консольной балочки уравнение
которого вполне соответствует уравнению ( ). Решаем это уравнение
24
относительно фиктивной нагрузки, которая могла бы вызвать подобное
значение прогиба.
Найденное значение фиктивной силы позволяет нам определить
значение фиктивного момента и определить величину напряжения,
которое возникает при усадке покрытия.
Зная величину напряжения и модуля упругости
определяем
величину относительной деформации:    /  , после чего находим
величину абсолютной усадки, т.к.    /  , отсюда находим  , которая
и является абсолютной усадкой.
Рис.7. Принципиальная схема установки для исследования усадки
лакокрасочных и полимерных покрытий
1 – корпус микроскопа М-15;
2 – слои краски;
3 – пластина;
4 – штатив;
5 – ручка микрометрического винта микроскопа
25
Рис. 8. Зависимость усадки от времени в процессе затвердевания
лакокрасочного покрытия КФ-12. Метод пластины
Численные значения абсолютной усадки основных исследованных
материалов приведены в табл. 1.
Таблица1
Материал
Бутакриз
Норакрил
Эпоксидный
материал
Силиции
Силидонт
Амальгама
Усадка, %
через 5 через 2 через при тепловом
мин
ч
сутки
воздействии
2,80
2,90
2,95
0,08
2,05
2,30
2,40
0,15
0,85
1,05
1,05
0,04
0,85
1,25
0,05
1,25
1,00
0,10
1,85
0,90
0,10
0,14
0,02
0,01
Примечание. Экспериментальная часть изложена в разд. 2. В табл. 2
представлена усадка некоторых строительных материалов.
26
Таблиц а 2
Вид материала
Древесина (поперек волокон)
Ячеистый бетон
Строительный раствор
Кирпич
Тяжелый бетон
Усадка, мм/м
30 - 100
1-3
0,5 - 1
0,03 - 0,1
0,3 - 0,7
Рассмотренные аппаратура и методика внедрены в различных
исследовательских учреждениях. Это способствует повышению качества
конструкционных материалов из модифицированных полимеров,
армированных полимеров, полимербетонов и новых композиционных
материалов с гипсовыми, асбестовыми и тальковыми наполнителями.
Вопросы для самоконтроля
1. Как и почему происходит усадка композиционных материалов?
2. Влияние наполнителей на величину усадки.
3. Как определяется усадка с помощью поляризационного
микроскопа?
4. Как на процесс усадки влияет экзотермический эффект?
5. Что такое эксплуатационная усадка?
6. Какое влияние оказывает дополнительное давление на материал
в процессе формования изделия?
3. Изготовление образцов для испытаний. Технологическая
ориентация структуры материала
Рассмотрение в предыдущей главе влияния давления при
полимеризации и отверждении материалов на величину последующей
эксплуатационной усадки и, соответственно, остаточных напряжений
позволило разработать специальную форму для изготовления образцов для
лабораторных испытаний.
Особенность этой формы и методики при изготовлении образцов
заключалась в том, что в момент изготовления образцов можно
осуществлять дополнительный нагрев или охлаждение, отождествляя этот
процесс с формованием изделий в различных погодных условиях. Блокформа для изготовления образцов позволила использовать ее вместе с
установками на термотвердость и термосжатие и с установками по
27
определению усадки
термообработки.
в
процессе
отверждения
и
последующей
Рис. 9.
Схема устройства для изготовления образцов для
испытаний: 1 - корпус блок-формы; 2 - шнур электропитания; 3 электронагревательный элемент; 4 - соединительный болт; 5,6 - отверстия
для закладки материала
Блок-форма 1 (рис. 9), установленная на стеклянную поверхность,
состоит из двух частей, которые соединяются с помощью трех болтов.
Внутри блок-формы имеются четыре канала 3, в которых размещены
электронагревательные элементы. Одновременно в блок-форме можно
изготавливать шесть образцов с размерами: три образца высотой 20 мм,
диаметром 8 мм и три образца высотой 20 мм и диаметром 12 мм. Для
записи и контроля температуры внутри изготовленного образца
устанавливается термопара.
Для изготовления образцов полимер-цементный раствор или полимерную
массу заливают или закладывают в формы и после полного отверждения
блок-форма разбирается на две части, а полученные образцы маркируются,
шлифуются по торцам и испытываются в дальнейшем на дилатометре,
термотвердомере, релаксометре и на установках, вызывающих
искусственное старение и обработку холодом..
Конструкция данной блок-формы и методика явились результатом
многолетнего опыта по изготовлению образцов для лабораторных и
научных
исследований.
Действительно,
если
конечная
цель
материаловедческих исследований заключается в испытании образцов,
28
изготовленных
по
методикам,
приближенным
к
реальным
технологическим режимам, то и отклонение от этих режимов может дать
ошибочное представление о свойствах и поставить под сомнение данные,
которые будут использованы проектировщиком при расчете элементов
конструкции. Для иллюстрации и подтверждения этого заключения нами
представлены фрагменты работы "Исследование влияния технологических
особенностей при изготовлении изделий (образцов) на величину и
характер температурных деформаций" (см. ниже).
Вопросы для самоконтроля
1. Особенности в ориентации структуры материала в процессе
изготовления образцов?
2. В чем особенность конструкции блок-формы для изготовления
образцов для испытаний?
4. Определение коэффициента линейного теплового расширения
и остаточных температурных деформаций
4.1. Обзор и анализ существующей методики по исследованию
коэффициента линейного теплового расширения
При нагревании и охлаждении меняются размеры материалов.
Величина и скорость характеризуются коэффициентом линейного
теплового расширения. Для твердого материала он является величиной,
численно равной удлинению, которое получает при нагревании на 1°С
стержень, сделанный из этого материала, имеющий при 0°С длину, равную
единице.
Величина коэффициента линейного теплового расширения
определяется на основании изменения длины в зависимости от изменения
температуры.
(Т)=
где
1

1
 (T  T )   (T )
ℓim
= ℓim
,
Т  0
T
0
(4.1)
ℓ0 - длина образца при исходной температуре;
(Т) - коэффициент линейного теплового расширения;
ℓ(Т) - длина образца при температуре Т1.
29
Как правило используется средний коэффициент между Т1 и Т2
ср.=  2   1
 0 (Т 2  Т 1 )
где


 0 Т
(4.2)
,
ℓ1 - длина образца при температуре Т1;
ℓ2 - длина образца при температуре Т2.
Если ∆Т взято достаточно малым, то
приближением к производной
Относительное


является хорошим
dl
.
dT
температурное
удлинение
температуры от 00С до Т0С составит (Т)=
при
повышении
l (T )  l 0
,оно может быть
l0
проиллюстрировано в координатах т, Тв определенном интервале
температур кривой, проходящей через начало координат.
Коэффициент линейного теплового расширения может быть получен
дифференцированием функции (Т), которую можно принять в виде:
(Т)=аТ+вТ2. В результате получим (Т)=а+2вТ.
Для большинства материалов коэффициент линейного теплового
расширения постепенно увеличивается с повышением температуры до
начала физико-химических превращений. Характерные для полимерных
материалов регулярности хода кривой (Т) связаны с фазовыми
переходами, вызванными структурными преобразованиями.
В точках фазовых переходов наблюдается резкое изменение
коэффициента либо разрыв кривой. В этом случае обычно вводят
отдельные выражения для коэффициента – до и после фазового перехода.
Аналогичным
образом
поступают,
если
обнаруживаются
полиаморфные превращения, когда с повышением температуры в точке
превращения резко увеличивается объем. Имеющиеся в научной
литературе данные указывают на тесную связь теплового расширения с
изменением фазового состояния и структуры тел.
Изотропное тело при тепловом расширении сохраняет свою форму,
поскольку длина изотропного тела изменяется в любом направлении
следующим образом:
ℓ(T)=ℓ0+∆ℓT=ℓ0(1+T∆T),
(4.3)
где T не зависит от направления. Следовательно, для изотропного тела
(материала) коэффициент объемного расширения будет равен β=3.
Для анизотропных материалов коэффициент линейного расширения
а для различных направлений различен. Как правило, это материалы
кристаллической природы и органического происхождения. В общем
30
случае, например, кристаллы характеризуются тремя осями и тремя
различными коэффициентами линейного теплового расширения. Эти три
направления могут быть взаимно перпендикулярны для кристаллов
некоторых систем.
Представим себе параллелепипед, вырезанный из кристалла, с
взаимно перпендикулярными осями, с длиной ребер при температуре О °С,
равной ℓ01, ℓ02, ℓ03. Тогда его объем будет соответственно равен VQ=.ℓ01∙ ℓ02,∙
ℓ03. После нагревания до температуры Т ребра будут иметь длины
 1   01 (1   1),
 2   02 (1   2 ∆T),
 3   03 (1   3 ) .
Новый объем параллелепипеда будет V(T) =  1 2  3 .
Имея выражение для начального объема V0   01 02  03 ,получим
V(T)=V0(1+1∆T)(1+2∆T)(1+3∆T) пренебрегая членами, содержащими
произведения 1,2,3 приближенно, имеем
V(T) = V0 1   1   2   3  .
Следовательно, для анизотропных материалов
объемного расширения будет равен β ≈  1   2   3 .
коэффициент
(4.4)
Большинство полимерных материалов являются поликристалллическими и полифазными, отсюда и важность установления связи
теплового расширения такого тела с расширением его компонентов.
Рассмотрим расширение тела, состоящего из неупорядоченно
расположенных частиц двух изотропных материалов.
Допускают, что противодействие изменению размеров каждого
компонента происходит с такой же скоростью, как и для всего тела,
деформация сдвига незначительна и выражает напряжение в каждой
частичке материала формулой    ср     К , где βср иβi, – средний
коэффициент объемного расширения тела и коэффициент объемного
расширения частицы;
∆Т - изменение температуры от первоначального состояния;
К - модуль объемного сжатия, равный  
где
E
,
31  2  
Е - модуль упругости при растяжении (сжатии);
μ - коэффициент Пуассона.
Если тело не разрушается, значит, сумма напряжений по объему
равна нулю. Тогда  ср.   i V1 1   cр   2 V2  2  0 .
31
Отсюда получаем выражение для вычисления средних коэффициентов
теплового расширения поликристаллического тела
 СР 
где
1V1 1   2V2  2
,
V1 1  V2  2
(4.5)
V1 и V2 - отдельные объемы компонентов;
K1 и К2 - модули объемного сжатия.
Эти формулы дают возможность вычислить коэффициент теплового
расширения
поликристаллического
и
полифазного
тела,
зная
коэффициенты теплового расширения компонентов.
Для определения коэффициента теплового расширения необходимо
иметь:
1. Прибор для измерения длины и приращения длины образца при
изменении температуры.
2. Термостат с терморегулятором для создания, изменения и
поддержания температуры.
3. Средство для измерения и записи температуры.
Для осуществления этой цели созданы приборы, называемые
дилатометрами.
В последнее время потребность в дилатометрах значительно
возросла, так как дилатометры дают возможность не только определять
изменение размеров тела, но и исследовать ход многих явлений и
процессов, происходящих в теле при изменении температуры. Примером
могут служить исследования фазовых переходов, явлений упорядочения
распада твердых растворов.
В настоящее время существует много методов определения
коэффициента линейного теплового расширения, которые можно
разделить на следующие:
1. Абсолютные методы, при которых изменение длины образца при
изменении температуры определяется сравнением с какой-либо мерой,
находящейся во время исследования в условиях, обеспечивающих
постоянство температуры, равной первоначальной температуре измерения.
2. Относительные методы, при осуществлении которых изменение
длины образца при изменении температуры сравнивается с изменением
длины образцовой меры, коэффициент линейного расширения которой
хорошо известен.
32
Рис. 10.
Внешний вид прибора ПКТР-5
Оба этих метода могут осуществляться:
- в статическом режиме, когда измерение длины образца и его
температуры производится после длительной выдержки при заданной
температуре. Для определения коэффициента теплового расширения в
заданном интервале температур производят измерение длины образцов
при нескольких значениях температуры;
- в динамическом режиме, при котором измерение длины и
температуры производится в процессе изменения температурного режима
в заданном интервале температур.
Каждому методу определения коэффициента линейного теплового
расширения соответствует определенная аппаратура, основанная на
различных принципах. Нами проанализирована существующая аппаратура
для изучения коэффициента линейного теплового расширения. На основе
анализа была разработана и создана автоматическая установка для
исследования коэффициента линейного теплового расширения.
Основу установки представляет прибор ПКТР-5 (рис. 10, 11).
33
Рис. 11. Принципиальная схема прибора ПКТР-5
Прибор состоит из металлического основания 1, опирающегося на
ножки 2, на основании установлена термокриокамера 3, закрытая внешним
кожухом 4 с крышкой 5. Между кожухом и крышкой имеется
34
теплоизоляционная прокладка 6 и гидропоглотитель 7. В камере
установлена электрическая печь 8. В отверстии камеры, на нижней
кварцевой трубке 9, внутри и около которой, проходят две термопары (11,
12), установлен исследуемый образец 13. На образце устанавливается
верхний кварцевый стержень 14, выполненный в виде пустотелого
кварцевого цилиндра. Верхний стержень заканчивается серебряной
мембраной 15. Мембрана вместе с микрометрическим винтом 16,
вращающимся
во
фторопластовой
втулке-гайке
17,
создает
электроконтактную пару в цепи полупроводникового реле с лампочкой 18.
Верхняя часть микрометрического винта заканчивается лимбом 19 с
делениями, нанесенными на нем. 1 деление = 5  к. Отсчет по лимбу
ведется с помощью визира
20, укрепленного на траверсе
23,
установленной на колоннах 10.
Для автоматической записи температурной деформации верхний
кварцевый стержень соединяется с тензобалочкой 21. Нижняя пробкагайка служит для балансирования мостовой схемы и правильной установки
образца.
Принципиальным отличием прибора ПКТР-5 от существующих в
настоящее время приборов, предназначенных для изучения коэффициента
линейного теплового расширения, является электроконтактный способ
замера деформаций.
Вторым важным преимуществом является то, что вес
измерительного устройства составляет менее одного грамма, что
значительно меньше, чем в аналогичных приборах. При необходимости
записи процессов температурного деформирования в установке
используется тензометрическая балочка малой жесткости. При
перемещении верхнего кварцевого стержня 14 балочка 21 (рис. 11)
прогибается, выводя из баланса уравновешенный электрический мост,
создавая
электрический
сигнал,
записываемый
на
диаграмме
записывающего потенциометра. На другом аналогичном приборе
осуществляется запись температуры в центре образца с помощью
термопары, установленной в образце.
При перемещении верхнего кварцевого стержня 14 балочка 21
(рис. 11) прогибается, выводя из баланса уравновешенный электрический
мост, создавая электрический сигнал, записываемый на диаграмме
записывающего потенциометра. На другом аналогичном приборе
осуществляется запись температуры в центре образца с помощью
термопары, установленной в образце.
Тензометрический метод измерения деформации, а также измерение
и запись температуры с помощью потенциометров используются многими
авторами,
однако
одновременное
присутствие
в
приборе
35
электроконтактного и электротензометрического устройств позволило
увеличить точность и достоверность получаемых результатов.
Определение температурных деформаций с помощью лабораторного
варианта установки ПКТР-5 осуществляется следующим образом:
цилиндрический образец диаметром 8 мм и высотой 20 мм одевается
своим внутренним отверстием на термопару 12. Затем он вводится снизу
через отверстие в металлическом основании 1 и поднимается с помощью
нижней гайки-пробки 22 до упора в верхний, кварцевый, пустотелый
цилиндр 14. Регистрация упора осуществляется загоранием лампочки 18.
После этого поворотом лимба 19 против часовой стрелки производится
отключение лампочки, так как размыкаются контакты 15 и 16.
Записываются начальные показания лимба 19, начальные показания
потенциометра,
регистрирующего
температуру,
и
включается
электронагревательный элемент 8, который нагревает исследуемый
образец. Расширяясь, образец 13 поднимает пустотелый цилиндр 14 и
замыкает контакты 15 и 16. Загорается лампочка 18. Поворотом лимба 19
до выключения лампочки замеряется величина температурной
деформации. Затем вновь загорается лампочка, и вновь производим отсчет
до тех пор, пока образец не нагреется до предельной установленной
температуры, после чего нагревательный элемент отключается или на нем
снижается напряжение и осуществляется охлаждение образца.
Регистрация температуры производится в момент размыкания
контактов. По полученным значениям температуры, соответствующим
показаниям лимба, строят графические зависимости  Т  .
Производная от полученной функции дает нам зависимость
 Т    Т .
Кроме этого, наличие прибора ПКТР-5 позволило экспериментально
доказать влияние давления измерительного устройства на величину
коэффициента линейного расширения и влияние технологии производства
на термодеформационные процессы и величину эксплуатационной усадки.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое коэффициент линейного теплового расширения?
2. Как меняется
температурная
деформация
в момент
полиаморфных превращений?
3. Как отличается коэффициент линейного теплового расширения у
анизотропных и анизотропных материалов?
4. Чему равен коэффициент линейного поликристаллического тела?
36
4.2. Исследование влияния давления со стороны измерительного
устройства на температурную деформацию и коэффициент линейного
теплового расширения
Для исследования термодеформационных характеристик (процессов
теплового расширения и релаксации деформаций), на основе которых
определяется коэффициент линейного теплового расширения, необходимо
исключить давление со стороны измерительного устройства. Наличие
этого давления у большинства существующих приборов, предназначенных
для дилатометрических исследований, вносит существенные изменения в
термодеформационный процесс, а соответственно, и изменяет его
аналитическое описание. Функция деформации от температуры
∆hт = f
(Т) принимает иной вид:
∆hт =fl(T)+f2(T,P),
(4.7)
где ∆hт - температурная деформация;
Р - давление со стороны измерительного устройства.
В соответствии с этим и коэффициент линейного теплового
расширения, являющийся производной от температурной деформации,
примет следующее выражение:
(Т,Р) = ′ (Т,Р) .
(4.8)
Для доказательства этого предположения был проведен эксперимент
по определению влияния давления со стороны измерительного устройства
на термодеформационные характеристики и коэффициент линейного
теплового расширения. Для исключения влияния остаточных напряжений,
образцы подвергались термотренировке или термообработке при
длительном температурном воздействии.
Проведение эксперимента осуществлялось на реконструированной
конструкции прибора ПКТР-5 (рис. 12). Верхний кварцевый стержень был
заменен установочной подвеской 3, опирающейся на кварцевый стержень
4. Верхняя часть подвески заканчивается электрическим контактом и
находится во фторпластовой втулке, закрепленной в траверсе. На подвеску
3 устанавливаются грузы 2, которые передаются на образец с помощью
раздвигающихся
клиньев
5.
Реконструкция
прибора
ПКТР-5
осуществляется в течение нескольких минут с помощью дополнительных
колонн 1.
Испытания проводились следующим образом: вначале образцы
исследовались без дополнительного давления на приборе ПКТР-5.
Полученная зависимость деформации от температуры представлена
на рис. 28 (кривая 1). Графическое дифференцирование ее позволило
37
получить зависимость коэффициента линейного теплового расширения от
температуры (см. рис. 14).
Рис. 12. Схема
реконструированного прибора ПКТР-5 для
исследования влияния давления со стороны измерительного устройства на
температурные деформации
После исследования температурной деформации при отсутствии
давления со стороны измерительного устройства прибор ПКТР-5
реконструировался и с помощью грузов, устанавливаемых на подвеску 3
(рис. 12), создавалось дополнительное давление на образец. Величина
давления составляла соответственно 50, 100, 150 г на исследуемый образец
диаметром 8 мм и высотой 20 мм. Выбор размеров был сделан исходя из
тех условий, в которых находятся образцы, исследуемые на приборах с
индикаторами и электрическими датчиками.
Снятие показаний и температурный режим были такими же, как и
при испытании образцов без дополнительного давления. По полученным
данным строились термодеформационные зависимости (рис. 13), и
графическим дифференцированием получали зависимость коэффициента
линейного теплового расширения, по которой строили графики (рис. 14),
отражающие влияние дополнительного давления на образец.
38
Рис. 13. Термодеформационные характеристики полиэтилена СД,
полученные при исследовании с учетом влияния давления (кривые 2, 3, 4)
и без давления со стороны измерительного устройства (кривая 1).
Деформационные характеристики от давления (кривые 2, 3, 4), полученные
графическим вычитанием
Методом графического вычитания была получена характеристика
дополнительной деформации, возникающей от дополнительного давления
при температурном воздействии на образец. Ее величина по отношению к
общей температурной деформации при дополнительной нагрузке 150 г
составила 30 %. Наибольшее значение приходится на максимальную
температуру испытаний.
Этот факт можно объяснить тем, что при тепловом воздействии
происходит размягчение материала и рост температурной деформации
снижается за счет противодействия сжимающего усилия со стороны
дополнительной нагрузки.
температуру испытаний.
Что же касается графических зависимостей коэффициента линейного
39
теплового расширения от дополнительной нагрузки, то при увеличении
нагрузки на образец и температуры они стремятся к сближению (рис. 14).
Рис. 14.
Зависимость коэффициента линейного теплового
расширения от температуры (кривая 1), а также от температуры и давления
со стороны измерительного устройства (кривые 2, 3, 4)
Для объяснения явлений линейного теплового расширения и
сжимаемости исследованного материала (полиэтилен среднего давления)
надо исходить из представления, что равновесному состоянию полимера
при определенной температуре соответствует свое координационное число
или взаимное расположение молекул из низкомолекулярных веществ и
сегментов цепи у высокополимеров, а также определенное значение
величины свободного объема. При температуре выше области стеклования
(температура стеклования главной цепи полиэтилена расположена около
120 °С) происходит перегруппировка сегментов. Тепловое расширение
полимеров выше температуры стеклования определяется перестройкой
структуры и изменением средних расстояний между сегментами цепей.
Наложение сжимающего напряжения противодействует подвижности
молекулярных цепей и их звеньев без ярко выраженной трансформации
структуры вещества, а также стесняет возможность увеличения свободного
объема. В соответствии с этим термодеформационные кривые имеют
различный характер в зависимости от величины сжимающего усилия со
стороны измерительного устройства.
40
Подобное явление должно быть учтено при исследовании
температурных деформаций у материалов с невысоким модулем
упругости, так как неучтённая величина
давления со стороны
измерительного устройства влечет за собой получение недостоверных
данных о коэффициенте линейного теплового расширения и приводит к
ошибкам в расчетах по проектированию конструкций. Особенно важно
учитывать эту особенность при проектировании конструкций с
применением резиноподобных, битумных, полимербетонных и других
материалов с невысоким модулем упругости. Неправильным является и
сравнение величин коэффициентов теплового линейного расширения для
материалов, имеющих различную термосжимаемость, полученных по
результатам исследования на установках, имеющих дополнительное
давление со стороны измерительного устройства.
4.3. Влияния технологических особенностей при изготовлении
изделий (образцов) на величину и характер температурных
деформаций
Важной проблемой в исследовании полимерных материалов
является изучение взаимосвязи между структурой и физикомеханическими свойствами полимерных материалов. Установлено, что
стадии технологического процесса переработки полимеров, которые
подробно описаны в работах, посвященных этому вопросу, влияют
одновременно и на микроструктуру, и на механические свойства
полимерных материалов.
Химическое строение цепи полимеров представляет весь комплекс
механических свойств. От него зависит и физическое состояние полимера:
аморфное, аморфно-кристаллическое или кристаллическое.
Большое влияние при переработке полимеров (литье, прессование,
экструзия и т.п.) оказывает тепловое воздействие, которое образует в
материале формируемого изделия так называемые остаточные напряжения.
При последующих нагревах изделия (образца) происходит релаксация
напряжений, которая проявляется в виде остаточной необратимой
деформации (усадки). Для предотвращения этого явления перед
эксплуатацией изделия (образца) осуществляется термическая обработка,
цель которой заключается в приведении материала к равновесному
состоянию, которое нормализует его структурное состояние и улучшает
(стабилизирует) его физико-механические свойства.
Большое влияние оказывает термическая обработка и на
коэффициент линейного теплового расширения. Для исследования этого
41
влияния были проведены опыты с образцами, подвергавшимися обработке
теплом, и без термообработки. Образцы были изготовлены в специальных
пресс-формах. Различие в технологии прессования заключалось в
направлении пуансона - вдоль и перпендикулярно оси матрицы в прессформе для изготовления образцов (рис.15).
Рис. 15. Схема прессования образцов при направлении пуансона:
а - перпендикулярно оси образцов;
б – вдоль оси образцов
Задача, поставленная в этой части исследований, заключалась в
определении релаксационной деформации методом отделения от общей
температурной деформации, путем вычитания деформации эталонного
(термообработанного) образца.
Температурные деформации определяли у цилиндрических образцов
диаметром 8 мм и длиной 20 мм на приборе для определения
коэффициента линейного теплового расширения. В результате
проведенных исследований были построены графические зависимости,
характеризующие температурную деформацию образцов, не подвергнутых
предварительной термообработке (рис. 16, 17, кривые 1), и образцов,
подвергнутых термообработке (рис. 16, 17, кривые 2). Полученные
графическим вычитанием кривые 3, как видно из диаграммы, носят
противоречивый характер, а значения температурной усадки для образцов,
изготовленных при различных направлениях пуансона к оси образца (рис.
30), противоположны по знаку.
42
Рис. 16. Термодеформационные зависимости полиэтилена марки
112ПЭ/020 для образца, изготовленного на прессе НИИПП:
1 - температурная деформация образца, не подвергавшегося
термообработке; 2 - температурная деформация образца после
термообработки; 3 - усадочная деформация; 4 - деформация образца при
следующих нагревах
Анизотропия усадки может быть объяснена ориентацией
макромолекул вдоль направления разогретой массы, определяемого
направлением пуансона. При охлаждении вместе с формой происходит
фиксация сориентированного положения молекулярных цепей. При
последующем нагревании в свободном состоянии в полимере происходит
увеличение межмолекулярных расстояний и объема. При температурах,
близких к температуре размягчения, происходит процесс постепенного
увеличения подвижности молекулярных цепей и их звеньев без ярко
выраженных структурных изменений, приводя материал к равновесному
состоянию. При охлаждении, после нагрева материала (образца) в
свободном состоянии, происходит фиксация равновесного состояния,
которого достигает полимер при нагревании. Последующие тепловые
воздействия вызывают также явления вторичной полимеризации и
соответствующие изменения в структуре, но интенсивность их
значительно ниже, в силу утраты первоначальной ориентации
макромолекул. При этом исчезает и анизотропия температурных
деформаций, а кривые 4 становятся параллельными кривым 2, полученным
по результатам испытания термообработанного образца (рис. 16, 17).
Подобное явление описывается и в работах, касающихся
исследований релаксационных процессов при литье под давлением.
Разработанные аппаратура и методика позволили изучить влияние
температурного режима литья под давлением на технологические и
43
физико-механические свойства наполненного полиэтилена низкой
плотности, такие как жесткость, теплостойкость, стойкость к
растрескиванию.
В ряде работ рекомендуется использовать высоко-наполненные
композиции (10 вес. % и более). Введение значительного количества
дешевого минерального наполнителя позволяет расширить сырьевую базу
полиолефинов, а также компенсировать затраты, связанные с
дополнительной технологической обработкой полимера, и, кроме того, в
ряде случаев снизить стоимость полимерного сырья.
Рис. 17. Термодеформационные зависимости полиэтилена марки
112ПЭ/020 для образцов, изготовленных по схеме б (рис. 14):
1 – температурная деформация образцов не подвергшихся термообработке;
2 – температурная деформация образцов подвергшихся термообработке;
3 – релаксация деформации при нагревании образца;
4 – деформация образцов при последующих нагревах
44
Для исследования были выбраны композиции полиэтилена на основе
базовой марки 112ПЭ20/ 020П, наполненные асбестом (марка П-5-65,
ГОСТ 12781-67), мелом (сепарированный, ГОСТ 842-52) и тальком (марка
Б, резиновый 879-52). Наполнитель в количестве 10-25 вес. % вводился в
расплав полимера в смесителе типа "Бенбери" в течение 5-10 мин при
температуре 130 — 160 °С с последующей грануляцией композиции на
одночервячном экструдере при температуре 160 -180 °С. Для определения
усадки и физико-механических характеристик отливали пластины
размерами 200х60х2 мм. Об увеличении усадки судили по разности
размеров образца и формы, в которой отливали образец. Механические
характеристики определяли на стандартных образцах при скорости
деформирования 50 мм/мин в соответствии с ГОСТ 11262-68.
Что же касается коэффициента линейного теплового расширения, то
его определяли на цилиндрических образцах диаметром 8 мм и длиной 20
мм и на приборе ПКТР-5. Скорость нагрева образца составляла 1 град/мин.
Образцы перед испытанием подвергали отжигу в воздушной среде в
течение 4-5 часов при температуре, близкой к температуре размягчения
полиэтилена. Полученная температурная зависимость коэффициента
линейного теплового расширения для композиции с различным
содержанием асбеста позволяет отметить, что данная характеристика с
увеличением температуры испытания у асбополиэтилена изменяется в
большей степени, чем у исходного полиэтилена. При повышении
температуры от 30 до 70°С коэффициент линейного теплового расширения
25 %-ой композиции увеличивается с 0,9х 10-4 до 3,7х 10-4 град-1 в то
время, как исходного полиэтилена с 3x10-4 до 4,1x10-4 град-1. При 70 °С
коэффициент линейного теплового расширения наполненного и исходного
полиэтилена имеет одинаковую величину. Отмеченная закономерность
является следствием увеличения молекулярной подвижности полимерных
цепей с повышением температуры, контактирующих с поверхностью
наполнителя, в результате чего полимерная основа ведет себя более
независимо от наполнителя. Таким образом, роль наполнителя как
фактора, препятствующего расширению полимерной основы, с
повышением температуры уменьшается и при 70 °С практически исчезает.
Таким образом, подтверждаются предположения, что введение
волокнистых наполнителей, таких как асбест и стекловолокно, в 3 - 4 раза
уменьшает коэффициент линейного теплового расширения полиэтилена
низкой плотности, что позволяет использовать данные материалы в
конструкциях, сочетающих в себе металлические и пластмассовые
элементы,
а
именно,
создавать
полимерстеклобетоны
и
полимержелезобетоны.
Что же касается усадки полиэтилена и его композиций, то она
существенно уменьшается у композитов, причем наиболее существенно у
45
асбополиэтилена (в 3 - 5 раз), у композиций с тальком и мелом на 30 % —
это при температуре литья 160 - 180 °С. При температуре литья 240 - 260
°С усадка наполненного полиэтилена увеличивается, а чистого
уменьшается. Это связано, видимо, с более благоприятными условиями
для протекания релаксационных процессов на границе полимер наполнитель при формовании образца. При этом было установлено, что
анизотропия усадки, характерная для не наполненного полиэтилена, почти
не проявляется у наполненного. Исключение составляют композиции с 10
% мела и талька. Поскольку мел и тальк не обладают армирующими
свойствами в такой степени, как асбест, влияние ориентации
макромолекул вдоль литья в этом случае оказывается наибольшим.
Интересно отметить, что 25%-й асбополиэтилен при высоких
температурах литья (240 - 260 °С) все же обладает анизотропной усадкой,
причем усадка вдоль литья примерно в 2 раза меньше, чем в поперечном
направлении. Такая аномалия, видимо, связана с ориентацией волокон
асбеста по направлению потока расплава, что существенно затрудняет
релаксационные процессы в этом направлении при кристаллизации
полимерной основы композиции.
В результате целого комплекса проведенных исследований можно
полагать, что существенное влияние на величину и характер
температурных
деформаций
оказывает
интенсификация
полимеризационного процесса, вызванного повторными тепловыми
воздействиями, которая ускоряет приход материала к равновесной
структуре, способствует снятию остаточных напряжений и стабилизации
размера образца. Сильное влияние на величину и характер температурных
деформаций, особенно низкомодульных материалов, оказывает давление
измерительного устройства. Для сравнительной оценки свойств,
определяющих температурную деформативность, были определены
коэффициенты линейного теплового расширения различных материалов.
По данным опытов, в которых термодеформационная характеристика
принимала постоянный характер, были получены их численные значения.
46
Т а б л и ц а 3. Значение коэффициентов линейного теплового
расширения основных исследованных материалов и некоторых
материалов, используемых в строительстве, радиотехнике и медицине
Материал
Силиции/ цемент/ мед.
Силидонт / цемент/ мед.
Бутакриз
Норакрил
Эпоксидный материал
Бетон
Гранит
Дерево
Конструкционное
оргстекло (моноблоки)
Фарфор
Сталь нержав.
Гипс
Силикатные
цементы
(строительные)
Амальгама
Поливинил
Акриловая смола
Совмещенный- 10п
Дуракрил
Совмещенный - Зп
Совмещенный - 5п
Полиэтилен 112ПЭ20
Полиэтилен 112ПЭ20Б
Коэффициент
линейного
теплового
расширения
х 106/1/°с
22,7
30,4
93,1
134,2
59,6
10,0
8 4-10
10 -:- 30
Уменьшение размеров
при многокр. нагреве и
охлаждении спустя 30
суток после
изготовления, %
0,01
0,01
0,11
0,18
0,01
0,15
-
117
-
4,1
12,5
18,0
-
76,1
-
22,1
71,0
81,0
111,4
103,7
127,5
122,0
350
270
0,07
0,04
0,13
0,07
-
47
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение коэффициента линейного теплового
расширения?
2. Как меняется
температурная
деформация
в момент
полиаморфных превращений в материале?
3. Как отличается коэффициент объемного теплового расширения
анизотропных и изотропных материалов?
4. Как определить коэффициент линейного теплового расширения
композиционного материала состоящего из двух компонентов?
5. .Как
влияет
дополнительное
давление
со
стороны
измерительного устройства на величину температурной деформации?
6. Что представляет графическое вычитание?
7. Чем объяснить влияние направления прессового усилия на
ориентацию температурной деформации?
8. Чем
объяснить
анизотропию
усадки
композиционных
материалов?
9. Как влияют наполнители на коэффициент линейного теплового
расширения композиционных материалов?
5. Экспериментальное исследование температурных режимов в
композиционных материалах
В настоящее время существует несколько методов для определения
теплопроводности технических материалов: методы пластины, шара,
трубы, регулярного режима и другие. Наиболее прост и доступен метод
двух температурных точек, но большие размеры образцов и отсутствие
специальной аппаратуры, а также сложность теоретических расчетов не
позволили его использовать. Нами была разработана и применена более
простая методика для исследования скорости распространения
температуры
в
многокомпонентных
материалах
в
реальных
температурных режимах.
Экспериментальная часть заключалась в определении Т = f(t) для
двух температурных точек. В качестве объекта исследования была выбрана
реальная конструкция, состоящая из двух материалов. Один материал был
введен в другой в виде пломбы, инкрустируемого элемента, наполнителя и
т.п. На графике, полученном с самопишущего прибора, отражена
зависимость температуры от времени в точке, находящейся на границе
внутренней части элемента наполнителя и материала, в который он
вводился.
Из графика видно, что наибольшая скорость прогрева у материалов
48
на основе цементов и амальгамы, наименьшая – у материала на основе
эпоксидных смол и дентина (рис. 18)
Рис. 18. Изменение температуры в точке крайне удаленной от
поверхности запломбированного зуба при пломбировании различными
материалами: 1 – силидонт; 2 – амальгама; 3 – сицилин; 4 – бутакриз; 5 –
эпоксидент; 6 – зубная ткань
Для получения сравнительных данных зависимость T = f(t)
подвергалась математической обработке. При переходе от равновесного
состояния при воздействии теплом и холодом кривые, отражающие
температурные процессы, хорошо аппроксимировались следующим
уравнением:
t

 

T1  T0  (TK  T0 )1  e  1  ,


(5.1)
Т0 – температура равновесного состояния конструкции, °С;
ТК – температура на поверхности конструкции при воздействии
теплом и холодом; Т1(t) – температура в определенный момент времени в
наиболее удаленной от поверхности конструкции точке, °С; τ1 – время, за
которое наиболее удаленная от поверхности точка внутреннего элемента
где
49
приобретает температуру 0,67(ТК-Т0).
При переходе от температуры максимального нагрева или
охлаждения к равновесному температурному состоянию зависимость
температуры от времени хорошо аппроксимировалась следующим
уравнением:
Т 2 (t )  T0  T1 (t ) max C  ,
(5.2)
2
T0 – температура равновесного состояния конструкции, °С;
T1 (t)max – максимальное значение температуры в наиболее удаленной
точке внутреннего элемента;
С – коэффициент, определяющий изменение температуры в
наиболее удаленной точке внутреннего элемента конструкции при
переходе к температурному равновесию;
Т2 (t) – температура в искомый момент времени; t0 – время, при
котором было прекращено тепловое воздействие.
где
2 
t  t0
,
t
где t – время, при котором определяется искомая температура, с;
t – интервал времени, определяемый числом разбиений всего временного
периода процесса, с.
На
рис.18
показаны
теоретически
найденные
точки,
соответствующие предложенным уравнениям (5.1). Усредненные значения
величин приведены в табл. 4.
Таблица 4
Материал
Бутакриз
Эпоксидент
Силидонт
Силиции
Амальгама
Дентин зуба
Эмаль зуба
50
С
0,710
0,832
0,357
0,684
0,408
0,856
0,866
Т, с
42,75
63,00
11,90
21,60
13,15
75,00
75,00
Рис. 19. Изменение температуры в точке, крайне удаленной от
поверхности запломбированного зуба различными материалами:
1 – силидонт; 2 – амальгама; 3 – силицин; 4 – бутакриз; 5 – эпоксидент;
6 – зубная ткань
6. Определение модуля упругости и коэффициента поперечной
деформации
Одной из главных причин образования трещин и, как следствие,
разрушения у многокомпонентных материалов (полимер-бетоны,
железобетоны, сплавы, полимержелезобетоны, композиты, строительные
растворы и т.п.) являются различия температурных деформаций у
отдельных компонентов материала. Появляющаяся усадка в процессе
формирования изделия увеличивает это различие. Различие в деформациях
отдельных компонентов вызывают внутренние напряжения, которые,
концентрируясь в отдельных зонах, вызывают трещинообразование, т.е.
51
нарушение сплошности. Чтобы определить величину этих напряжений,
кроме усадки и коэффициента линейного теплового расширения,
необходимо определить модуль упругости Е и коэффициент поперечной
деформации μ..
Методика и аппаратура для определения этих характеристик были
разработаны проф. П. В. Мелентьевым и успешно применяются в
настоящее время во многих исследовательских лабораториях и институтах.
Наиболее подробно эти вопросы представлены в настоящей работе.
Рис. 20. Принципиальная схема термотвердомера: 1 – стрелочный
индикатор; 2 – стойка; 3, 4, 5 – система рычагов; 6 – уравновешивающий
груз; 8 – термокриокамера; 9 – станина; 10 – груз; 11 – установочная
пробка-винт; 12 – контрогайка
Испытания проводятся на термотвердомере (рис. 20, 21). Образцы
для испытаний имеют размеры: диаметр – 12 мм, высота – 20 мм.
Величина наибольшей сжимающей нагрузки подбирается с таким
условием, чтобы деформация сжатия не превышала 1,5 %. Образец
52
устанавливается на нижнюю пробку-винт 11 и поднимается завинчиванием
винта, пока через верхнюю шайбу и шток не сдвинет стрелку
индикатора 1. После этого с помощью контргайки 12 фиксируется
положение образца 7.
Рис. 21. Фотография прибора для
материалов на термотвердость и термосжатие
испытания
полимерных
Записывается показание индикатора и на подвеску опускается груз
10 с одновременным включением секундомера. Действие груза на образец
53
передается через систему рычагов 3 - 4 - 5. Увеличение значения усилия по
отношению к грузу составляет 1:50. Затем через определенные интервалы
времени записывается показание индикатора и строится графическая
зависимость ∆ℓ=f(t)
Обработку полученных зависимостей можно
производить по степенной ∆ℓt = а + вt1/4 зависимости, где а – начальная
деформация, соответствующая моменту полного приложения нагрузки к
образцу, и в – коэффициент, характеризующий темп нарастания
деформации. При необходимости аппроксимации временной зависимости
для конкретного материала можно воспользоваться методом равных сумм.
Рассмотрим теперь общий вид закона Гука, получаемый
применительно к полимерным материалам, не имеющим начального
прямолинейного отрезка деформационных кривых.
При растяжении мы имеем ∆ℓ=
модулю упругости 1-го рода. Е=
Р
,что приводило к постоянному
ЕF
Р
F
переменную функцию ∆ℓ(t) =∆ℓt =
. Для полимеров мы будем иметь
P
E F
дающую переменный деформационный модуль
(1,1)
Е(t) = Еt =
P
 t F
(1.2)
Для нашего опыта мы получили (рис. 22) и соответственно
(рис. 23).Тот же вид формул получим и при сжатии.
Рис. 22.
54
Рис. 23
Значение модулей исследованных материалов, представленных в
табл. 5, получены при минутных испытаниях при температуре 20, 40 и 60
°С, что является достаточным для анализа системы конструкции,
состоящей из двух элементов, находящейся под температурным
воздействием.
Рис. 24. Электроконтактный тензометр системы П. В. Мелентьева: 1
– захват; 2 – образец; 3 – микрометрический винт; 4 – лимб; 5 – контактная
пружина; 6 – корпус; 7 - шарнир
Определение
коэффициента
поперечной
деформации
осуществляется с помощью электроконтактного тензометра (рис. 24, 25).
55
Корпус тензометра 6 устанавливается на образец 2 и поджимается гайкой 1
до тех пор, пока не разомкнутся контакты 3 части 2 прибора и 5 – контакта
микрометрического винта с лимбом 4. Обжатие образца 2 щечками
осуществляется за счет усилия пластинчатой пружины 7. После установки
тензометра контакты 5 и 3 замыкаются, и осуществляется нагружение
образца в термотвердомере. Фиксируется время и записываются показания
на лимбе тензометра. В момент приложения нагрузки включается
секундомер. В процессе сжатия материала происходит увеличение
поперечного размера, что вызывает размыкание контактов 5 и 3 (гаснет
лампочка). Затем поворотом лимба гасится лампочка и записываются
показания времени и на лимбе, и так продолжается до окончания
эксперимента. Одновременно с этим идет запись показаний со стрелочного
индикатора, который фиксирует продольную деформацию.
Рис. 25.
Фотография электроконтактного тензометра системы
профессора П. В. Мелентьева
56
Таким образом, в процессе испытаний получают два значения
деформации (∆d – поперечная и ∆ℓ – продольная), по которым получают
коэффициент поперечной деформации для определенного времени,
например, при минуте:
d
20d
μ (t=1′)= d 
 12

(6.1)
6.1. Определение модуля упругости лакокрасочных материалов
Одной из окончательных операций по художественной обработке
материалов является нанесение покрытия. Это осуществляется для защиты
изделий от воздействия внешней среды и придания им необходимого
качества и цвета. Схема нанесения лакокрасочного покрытия представлена
на рис.26.
Рис. 26. Схема нанесения лакокрасочного покрытия:
1 – фосфатный слой; 2 – грунт; 3 – шпатлевка; 4 и 5 – слои покрытия
(эмаль, краска, полимер)
Однако описание свойств покрывных материалов в существующих
литературных источниках сводятся к качественной оценки.К покрывным
материалам предъявляются следующие требования (1) :
- быстрое высыхание;
- хорошая адгезия к покрываемой поверхности;
- способность образовывать твердую механически прочную пленку;
- хорошие электроизоляционные характеристики;
- хорошие влаго- и нагревостойкость.
Кроме того к покрывным лакам могут предъявляться
дополнительные требования, связанные с условиями эксплуатации –
57
устойчивость к повышенной влажности ,высокая температурная стойкость
и устойчивость к агрессивной химической среде.
Определение физико-механических характеристик покрывных
материалов чрезвычайно затруднено, а в ряде случаев просто невозможно,
так как покрывные материалы достаточно сложно получить в виде
отдельной пленки и практически невозможно закрепить в жестких
захватах. В силу этих обстоятельств нами разработана методика
определения упруго-деформационных свойств покрывных материалов с
помощью стальной пластины, основанный на стандартном методе
определения напряжений (ГОСТ 13036-67). Метод состоит в следующем:
на металлическую пластину с ранее известными показателями (Е, μ,  и
др.) наносится покрывной материал. Пластина подвергается плоскому
изгибу. Определяется прогиб балки с лакокрасочным покрытием,
замеряется его величина, а затем решается уравнение изогнутой оси
консольной балки (6.2) относительно модуля упругости лакокрасочного
покрытия (6.3).
Р 3
f =,
3( Е  Е11 )
(6.2)
Е1=-ЕЈ/Ј1- РL3/3Ј1f ,
(6.3)
откуда
где
f – прогиб пластины-балки;
Ј – осевой момент инерции стальной пластины;
Ј1 – осевой момент инерции сечения слоя покрытия;
Р – постоянная ,заранее известная нагрузка ,вызывающая изгиб
консольной балочки; Е – модуль упругости стальной пластинки-балки;
Е1 – модуль упругости красочного покрытия;
F – величина прогиба, замеряемая катетометром, рейсмус-циркулем
или микроскопом, L – длина балочки.
Таким образом ,зная величину перемещении от заданной нагрузки и
размеры полосы ,мы можем определить модуль упругости лакокрасочного
покрытия. На рис. 27 представлена схема испытания консольной балочки,
покрытой с двух сторон краской. Этот метод открыл возможности
определения упругих свойств различных покрытий в зависимости от
количества слоев покрываемого материала и влияния условий сушки а
также исследования старения покрывных материалов и влияние среды
эксплуатации.
58
Рис. 27
С помощью данного метода открывается широкая возможность
изучения прочности эмалевых покрытий, а также исследования старения
при циклических температурных и механических нагрузках.
Так, например, при нанесении нескольких слоев эмали изменение
модуля упругости, полученный при использовании данного метода
значительно снизился при увеличении количества слоев наносимой эмали.
Рис. 28
59
Данная методика позволит исследовать не только покрытия
художественных изделий, но и может широко использоваться в
машиностроении, радиотехнике и т.д.
Для проверки предложенной методики нами были проведены
многочисленные опыты в процессе выполнения студенческой научноисследовательской работы. Предварительно была испытана стальная
пластина на изгиб и получено экспериментальное значение прогиба
,которое было проверено теоретически . Для стали марки Ст. 5 модуль
упругости получился равным 2·105 МПа.
Были рассмотрены деформации стальной пластины без нанесения
лакокрасочного покрытия и с нанесением последнего. При нагрузке в 0,3 г
прогиб стальной пластины (толщина 0,3 мм) в виде консольной балки
составил 3,1 мм, в то время как прогиб балки с нанесенными на ее
поверхность лаковым покрытием толщиной 0,02 см с двух сторон составил
только 2,6 мм. Нагрузка осуществлялась по схеме рис. 26. Остальные
размеры балок-пластин в первом и во втором случае были одинаковы т.е.
Длина пластины l=12 см, ширина
b=1,2cм. При сравнении средних
величин
прогибов
полученных
теоретически
(f=0,324см)
‘и
экспериментально (f=0,316cм) была доказана правильность подхода и
после этого на поверхность балочки было нанесено лакокрасочное
покрытие с двух сторон средняя толщина которого составила h=0,02 cм.
Затем теоретически был определен прогиб для балочки с нанесенными на
нее двумя слоями лакокрасочного покрытия по
с использованием
уравнения изогнутой оси для консольной балки составного сечения (1).
Приравнивая значение прогиба, полученного теоретически, к
результату полученному экспериментальным, получаем значение модуля
упругости лакокрасочного покрытия , т.е.
Е1 = 0,87 ·105 кгс/см2.
Аналогичным методом можно определить модуль упругости любого
покрытия, величину прогиба можно определять с помощью
поляризационного микроскопа с микрометрическим винтом
или
микроскопа М-15, фокусируя нагруженный конец консольной балочки.
Данные полученных значений представлены в табл. 5.
Величины модулей упругости и коэффициентов поперечной
деформации основных пломбировочных материалов, полученные при
испытании образцов в диапазоне температур от 20 до 60 °С, представлены
в табл. 5. Здесь же представлены данные из справочников.
60
Таблица 5
Коэффициент
поперечной
деформации
Модуль упругости Е∙10-3МПа
Материал
при
20 0С
при
40 0С
при
60 0С
Бутакриз
30,40
26,00
24,30
0,434
Норакрил
38,60
26,30
25,20
0,412
Эпоксидент
49,00
48,40
47,90
0,385
Силицин
88,60
88,60
88,60
0,351
Силидонт
102,00
102,00
102,00
0,346
Амальгама
91,20
91,20
91,20
0,391
Бетон тяж.
(500)
Бетон ячей.
(400)
40,00
40,00
40,00
-
20,00
20,00
20,00
-
Бетон легк.
(400)
Железо
15,00
15,00
15,00
-
211,00
211,00
211,00
0,33
Корунд
372,00
372,00
372,00
-
Алюминий
Медь
Дерево попер.
Волок.60% вл.
Полиэтилен
Полиформальде
гид
Капрон
Оргстекло
70,00
112,00
0,12
70,00
112,00
-
70,00
112,00
-
-
0,32
3,60
0,15
2,70
0,09
2,00
0,4
2,30
2,90
1,50
2,50
0,9
2,10
0,5
-
-
61
Вопросы для самоконтроля
1. Как задается усилие при определении продольной деформации
на термотвердомере?
2. Как определяется поперечная деформация на тензометре
проф.Мелентьева П. В?
3. Какова
максимальная
деформация
при
испытании
композиционных материалов на сжатие?
7. Определение напряжений на границе между элементами в
конструкции
Как было уже отмечено в предыдущем разделе, температурные
напряжения у многокомпонентных материалов являются следствием
различия у отдельных компонентов деформаций ,возникающих при
температурном воздействии.
Учитывая тот факт, что бетоны, полимербетоны, строительные
растворы, композиты и т.п. представляют из себя систему, состоящую из
двух и более элементов с различным расположением и с различными
объемами и весовыми соотношениями, нами была выбрана схема двух
цилиндров (один в другом – сплошной и полый), подобных грануле
наполнителя, находящейся внутри связующего (рис. 29).
62
При определении напряжений в элементах были использованы
условия Гадолина, вытекающие из задачи Ламе. Для решения задачи, в
соответствии с выбранной схемой ,нами были приняты следующие
обозначения:
Rc – внешний радиус элемента связующего;
r н – внешний радиус элемента наполнителя;
Pк – контактное давление;
Eс – модуль упругости элемента связующего;
Eн – модуль упругости элемента наполнителя;
µс – коэффициент поперечной деформации элемента связующего;
µн – коэффициент поперечной деформации элемента наполнителя;
rс – внутренний радиус элемента связующего;
T – температура;
63
н – коэффициент линейного теплового расширения элемента
наполнителя;
с – коэффициент линейного теплового расширения элемента
связующего;
∆ – зазор между элементами наполнителя и связующего;
∆Т – диапазон изменения температур в зоне работы конструкции
«наполнитель–связующее».
Принимая, что н≠с и материалы элементов в системе изотропны,
при изменении температуры произойдет нарушение сплошности (при
отсутствии адгезии) в силу различия температурных деформаций
элементов наполнителя и связующего и между ними образуется зазор ∆,
равный:
∆, = r н (T)- rс (T).
(7.1)
Величина этого зазора является разностью температурных
деформаций элементов при условии, что в исходный момент
r= rн = rс и тогда при изменении температуры
∆= r(н- с)∆Т.
(7.2)
С учетом скорости распространения температуры в элементах
системы выражение для ∆(t,T) будет иметь следующий вид
.
(7.3)
Таким образом, зная численные значения коэффициентов линейного
теплового расширения элементов конструкции, максимальные значения
температур в среде работы системы и скорости распространения
температуры в материалах элементов, можно определить величину
максимального зазора между элементами конструкции «наполнитель–
связующее».
В случае существования адгезионной связи между элементами зазор
будет компенсирован деформацией элементов конструкции, которая, в
свою очередь, вызовет возникновение напряжения, разрушающего
материалы элементов и разрывающего адгезионную связь или сплошность
системы. Деформация элементов конструкции «наполнитель–связующее»,
согласно условиям Гадолина, вытекающим из задачи Ламе, будет равна
предполагаемому зазору:
rн (T )  rc (T )  rc (сж )  rн ( раст) .
(7.4)
Полученное уравнение есть уравнение совместности деформаций,
64
где
rн 
rc (cж )
(1   н )rPК
;
EН
(1   с )r 3 PK (1   C ) R 2 rPK
.


EC ( R 2  r 2 )
EC ( R 2  r 2 )
(7.5)
(7.6)
Подставляя эти выражения (7.5) и (7.6) в уравнение (7.4) и решая его
относительно Рк, получаем
PK =
E H EC ( H   C )( R 2  r 2 )T
.
EC (1   H )( R 2  r 2 )  E H r 2 (1   C )  E H R 2 (1   C )
(7.7)
Полученное выражение для контактного напряжения, вызывающего
нарушение сплошности системы, позволяет перейти к r – радиальному и
t – окружным напряжениям, действующим в элементах конструкции.
Принимая внутренний радиус в условиях Гадолина равным нулю,
строим эпюры напряжений в элементах конструкции «наполнитель–
связующее» (рис.30).
Рис. 30.
Картина распределения напряжений в сопряженных
цилиндрах при температурном воздействии
65
Несомненно, что при определении величины напряжений,
возникающих в системе «наполнитель–связующее», необходимо
учитывать переменность аргументов в зависимости от температуры учетом
времени, которая, особенно для полимербетонов и композитов,
активизирует релаксационные процессы.
Зависимость (7.7) была использована при определении напряжений в
системе конструкции «зуб–пломба» для сравнительной оценки всех
стоматологических материалов (цементы, полимер-цементы, материалы на
основе эпоксидных смол, амальгамы и др.). Полученные графики и
таблицы дают возможность оценить преимущества и недостатки того или
иного материала по величине зазора на границе контакта элементов и по
значениям радиальных напряжений, возникающих при резком изменении
температуры от 4 °С до 36 °С и от 36 °С до 56 °С.
Разработанная методика исследования и сравнительная оценка создали
перспективу для изыскания более качественных материалов с
применением жидких адгезивов, исключающих образование зазора.
Рис. 31. Зависимость радиальных напряжений от времени при
охлаждении конструкции в случае адгезии между элементами на границе
контакта дентин – пломба:
1 – пломба из бутакриза; 2 – пломба из силидонта; 3 – пломба из
эпоксидента; 4 – пломба из силицина; 5 – пломба из амальгамы
66
На графиках (рис. 31, 32) представлены зависимости величины
зазора на границе контакта между элементами в системе «зуб - пломба» и
зависимости радиальных напряжений от температуры и времени в режиме
термодинамических воздействий. Результаты проведенных исследований
дают хорошую корреляцию с данными клиники.
Аналогичные экспериментально-теоретические исследования можно
провести с другими подобными конструкциями и определить величины
зазоров и напряжений на границе контакта с учетом температуры и
времени. Кроме этого, зная деформацию материала на границе контакта,
можно с большой точность определить величину деформаций и, наоборот,
зная напряжение подсчитать величину деформации, опираясь на спектр
механических кривых при разных температурах и при разных скоростях
нагружения. Главное преимущество настоящей методики изучения термодеформационных сдвигов в композиционных материалах в простоте
математического аппарата ,высокой точности результатов именно в тот
момент времени когда конструкция находится в наиболее опасном
состоянии нарушения сплошности. Во всех других отличных от
экстремального состояния случаях, происходит адаптация элементов к
максимальным температурным воздействиям за счет медленно
протекающим релаксационным процессам. После чего падают величины
максимальных напряжений. Это случай, при котором релаксационные
процессы выполняют демпфирующую роль, компенсируя величину
экстремальных напряжений. С другой стороны если мы рассмотрим
конструкции прессовзамковых соединений, где контактные (монтажные)
напряжения выполняют положительную роль увеличивая трение на
поверхностях деталей, соединенных в замок, с помощью монтажной
посадки, то в этом случае релаксационные процессы играют
отрицательную роль (см. разд., гл. 11).
Что же касается зазоров на границе контакт, то необходимо
использовать холодную сварку, различные адгезивы, клеи, упругие
прокладки и т. п. Необходимых условием должно быть:
а) упругая деформация предварительно-сжатых прокладок должна
быть больше возможного зазора при температурном воздействии;
б) напряжение на отрыв клеевого или сварного соединения должно
превышать величину температурного напряжения на границе контакта
между элементами конструкции
67
Рис. 32. Зависимости величин зазора от времени и температуры при
охлаждении конструкции в случае отсутствия адгезии на границе котакта
между элементами эмаль-пломба:
1 – материал пломбы бутакриз;
2 – материал пломбы силидонт;
3– материал пломбы эпоксидент;
4– материал пломбы амальгама.
Коэффициент поперечной деформации амальгамы был принят
равным 0,32
Вопросы для самоконтроля
1. Что лежит в основе адаптации элементов композиционных
материалов к максимальным температурным воздействиям?
2. Какую роль выполняют релаксационные процессы ,компенсируя
величину экстремальных напряжений?
3. Условие прочности клеевого и сварного соединения.
68
8. Определение напряжений при изометрическом нагреве
Для изучения температурных напряжений с учетом времени и
скорости изменения температуры нами были разработаны приборы и
установки, которые позволили определять не только температурные
напряжения, но и релаксационные процессы, происходящие в материале
под нагрузкой. Для проведения лабораторных исследований нами был
разработан настольный релаксометр (см. рис. 33, 34). Прибор состоит из
корпуса, выполненного в виде основания 1, опирающегося на ножки двух
колонн 2 с тремя траверсами – нижней 3, средней 4 и верхней 5.
Рис. 33. Принципиальная схема релаксометра
69
Рис. 34. Фото релаксометра
На основании установлена термокриокамера, внутри которой
помещен исследуемый образец 7, расположенный между двумя опорными
стержнями 8 и 9, выполненными из кварца, причем нижний стержень
опирается на винт-пробку 10.
Механизм нагружения выполнен в виде грузовой площадки 11,
тарированной цилиндрической пружины 12 и серьги 13. Серьга 13
имеющая контакт 14, создает электрическую пару контактов со средней
траверсой 4, а верхняя часть – с контактом 15 микрометрического винта
16, расположенного во фторопластовой гайке 17 верхней траверсы 5.
Нижняя траверса 3 снабжена гайками 18, закрепляющими ее на
колоннах 2.
На нижней траверсе закреплены резьбовая втулка 19, гайка 20 с
нажимным фланцем, проворачивание которого предотвращается стержнем
21, ввернутым резьбовым концом в нижнюю траверсу 3 и лимб 22.
Определение температурных напряжений при изометрическом
нагреве - охлаждении материалов (образцов) осуществляется следующим
образом. Образец 7 устанавливается внутрь термокриокамеры между
двумя кварцевыми стержнями и с помощью нижнего винта с лимбом 10
поднимается до тех пор, пока не разомкнет контакт серьги 13 и контакт
70
траверсы 4. После этого записываются показания лимба
22,
устанавливается нулевой отсчет времени и включается нагрев образца. С
помощью задающего устройства осуществляется линейный подъем
температуры (например, 1 °С/мин). Нагреваясь, испытуемый образец
расширяется и давит на пружину 12, поднимая грузовую площадку 11 и
серьгу 13, замыкая контакт серьги 13 и контакт 15 винта 16. В этот момент
с помощью лимба 22 сжимается пружина, и ее усилие передается на
образец, возвращая его к первоначальному размеру, при этом
одновременно записываются показания лимба 22 и потенциометра,
регистрирующего температуру внутри образца. Нагрев образца
продолжается, образец также продолжает удлиняться, происходит вновь
замыкание верхних контактов, размыкание которых вновь осуществляется
поворотом лимба и так далее до тех пор, пока не наступит размягчение
материала от температуры. В этом случае произойдет замыкание контакта
серьги 13 и контакта траверсы 4, т.е. образец начнет сжиматься от того
усилия, которое за время опыта накопилось на пружине. Для продолжения
испытания необходимо с помощью лимба 22 ослабить усилие в пружине
до размыкания контакта серьги 13 и контакта траверсы 4, при этом
осуществляется запись показания лимба и температуры. По полученным
данным строятся диаграммы зависимости напряжений от температуры для
различных материалов. Величина напряжения получается как частное от
деления усилия, зафиксированного на лимбе 22, на площадь поперечного
сечения образца (в нашем случае она составляла 0,5 см2).
На рис. 35 представлены зависимости  T  f (t ) для материала
бутакриз. Как видно из графика, первый опыт дает самую маленькую
величину температурного напряжения при изометрическом нагреве.
Далее происходит в основном рост максимального значения
температурного напряжения, и только после 7-го опыта изометрическое
напряжение стабилизируется, и опыты последующих испытаний
описывают (повторяют) ту же кривую опыта 7 (Рис. 35).
Это обстоятельство еще раз подтверждает, что при нагревании
происходит интенсификация продолжающейся полимеризации, которая
вызывает повторную усадку (эксплуатационную усадку). Самое низкое
значение температурного напряжения свидетельствует о том, что при
первых опытах происходит наибольшее уменьшение размеров образца
(рис. 35, 36) и температурная деформация при нагревании материала
компенсируется в значительной степени полимеризационной усадкой и
усадкой, вызванной остаточными напряжениями. В дальнейшем, когда
большая часть остаточных напряжений релаксирует и полимеризационные
процессы затухают, образец стабилизируется в размере, и кривые опытов
накладываются одна на другую.
71
Рис. 35.
Зависимость напряжения от температуры при
изометрическом нагреве для материала бутакриз: 1, 2, 3 и т. д. – номера
опытов
Рис. 36. Изменение размеров образца от опыта к опыту при
изометрическом нагреве-охлаждении
72
Если кривые, изображенные на рис. 35, аппроксимировать
уравнением а = АТ + ВТ2 +СТ3 , то мы получим, что А – величина, обратно
пропорциональная усадке, будет иметь отрицательное значение в
начальный период нагрева, затем она медленно растет от цикла к циклу и,
наконец, на 7-м опыте, как и параметры В и С, принимает постоянное
значение (рис. 37).
На рис. 48 представлены средние зависимости
 T  f (t ) для
материалов акронил, фторакс и АКР-15.
Экспериментальное определение температурных напряжений,
например, для бутакриза, хорошо коррелируют с экспериментальнотеоретическим методом (см. рис. 31, 32) и дает основание для
использования этого метода для анализа существующих и подбора новых
материалов
для
строительства,
медицины,
радиотехники
и
машиностроения.
Главным фактором, влияющим на разницу между зависимостями,
изображенными на рис. 31 и 32, являются релаксационные процессы,
которые особенно ярко проявляются при температурном воздействии. Для
определения релаксации были проведены испытания, описанные ниже.
Рис. 37. Изменение коэффициентов А, В и С от опыта к опыту
73
Рис. 38. Зависимости напряжений при изометрическом нагреве для
материалов: акронил; фторакс; АКР-15
Испытание осуществляется следующим образом: поворотом лимбагайки 22 (см. рис. 33) сжимается тарированная пружина 12 на такую
величину, которая соответствует начальному усилию, создающему
начальное напряжение на образце. После этого вводится образец 7 между
двумя кварцевыми стержнями и поворотом нижнего винта-пробки 10 с
лимбом поднимается до упора в шток грузовой площадки с упором и
серьгой 13. В момент передачи усилия на образец гаснет лампочка,
сигнализирующая размыкание контакта траверсы 4 и серьги 13 (усилие
передано на образец). Затем переданное на образец напряжение начинает
падать (релаксировать) и образец начинает сжиматься, серьга 13
опускается вниз и ее контакт с контактом траверсы 4 замыкается. В этот
момент поворачивается винт-гайка, разжимающая пружину до размыкания
контактов, и записываются показания по лимбу, соответствующие усилию
в пружине и образце в определенный момент времени. После окончания
эксперимента строится кривая, характеризующая релаксационные
процессы.
При необходимости изучения релаксации напряжений при
различных температурах измерения производятся аналогичным образом,
только образец предварительно нагревается до необходимой температуры,
а затем на него передается усилие, создающее начальное напряжение 0
(рис. 39).
74
Рис. 39. Релаксация напряжений в материале акронил, находящемся
при постоянной температуре 70 0С
8.1. Принцип создания нерасширяющихся композиционных
материалов
Исследование полимерных
композиционных материалов,
наполненных волокнами и тканями открывает широкие перспективы
создания особых композитов с ориентированными температурными
деформациями. Сущность этого направления заключается в том, что если
связующее-матрица расширяется при нагревании ,то армирующие волокна
из которых сделана ткань при высокой ориентации нитей сжимаются
(рис. 40), что может обеспечить компенсацию линейного теплового
расширения самого композита. На рис. 50, 51 представлены
термодеформационные процессы у полиэфирных нитей.
75
Рис. 40. Зависимость относительной деформации термической
усадки от температуры
Наиболее отчетливо влияние усадки, связанной с сильной
ориентацией волокон и нитей, проявляется при определении
температурных напряжений у сеток из полиэфирных нитей. Так, например,
усадка полиэфирной нити в полипропиленовой оболочке (Ø=0,5 мм)
составляет до 10 % при нагреве до 200 оС. Если мы ограничим свободную
усадку нити, то возникнут температурные напряжения, величина которых
для этой нити составит до 150 кгс/см2.Такое напряжение возникает при
скорости нагрева 2 оС в мин. Изучение усадки полиэфирных нитей и
напряжений при изометрическом нагреве (рис. 40, 41) позволило
определить величину корректировки сеток на бумагоделательных машинах
с учетом усадочных напряжений и разработать рекомендации для
оптимизации процессов термофиксации и термовытяжки на этапах
стабилизации размеров полотна и снятия усадочных напряжений.
Более тщательное изучение отрицательных напряжений у
ориентированных нитей и волокон, используемых как армирующие могут
привести к нулевому значению коэффициента линейного напряжения и
снять проблему температурных напряжений у композиционных
материалов.
Рис. 41. Изменение усилий в нитях ,подверженных изометрическому
нагреву
76
Наиболее опасной является усадка и температурные напряжения в
бетонных, полимербетонный и железобетонных элементах конструкций ,
особенно при охлаждении материалов. В этом случае остаточные
напряжения и напряжения от охлаждения складываются и их суммарная
величина может превысить предел прочности в отдельных частях
элемента, вызвав образование трещин, т.е. разрушение элемента
конструкции. Вот поэтому элементы больших размеров разрезают
усадочными швами, чтобы предотвратить трещинообразование. При
усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной в 30 м усадка составит около
10 мм. Массивный бетон затвердевает в первую очередь снаружи, образуя
неподатливый каркас, оставаясь внутри не затвердевшим и пластичным.
Это обстоятельство вызывает образование сжимающих напряжений на
поверхности элемента и растягивающих внутри, вплоть до образования
внутренних трещин и зазоров между наполнителем и связующим.
Для снижения усадочных напряжений и сохранения исходных
размеров образца варьируют количеством различных наполнителей, при
этом снижается расход связующего, уменьшается усадка, но одновременно
ухудшаются механические характеристики, такие как модуль упругости
при растяжении и сжатии и предел прочности.
8.2. Температурные и усадочные напряжения в технологии
использования рулонных и пленочных композиционных материалов
Существуют технологические процессы в которых усадка играет
положительную роль, обеспечивая фиксацию отделочных материалов:
пленок, обоев, натяжных потолков.
Установка для определения ползучести (рис. 9) может с большим
успехом использоваться для определения степени набухания (увлажнения),
усадки и стабилизации некоторых материалов и изделий (бумаги, обоев,
тканей, нетканых материалов). Этот показатель важен для текстильного,
швейного и отделочного производства. Для проведения исследования
берем полосу ткани или бумаги, закрепляем ее в захватах 2 машины,
предварительно одев на охватывающий ролик 3 захвата. Устанавливаем
незначительную нагрузку для выравнивания образца (например:
вырезанный вдоль куска обоев) и увлажняем (или наносим обойный клей)
его поверхность с помощью влагораспылителя или кисти. После этого
снимаем показания на шкале деформации в зависимости от времени.
77
Рис. 42. Поэтапное изменение размеров обоев в зависимости от
времени
После увлажнения осуществляем сушку нормальную, интенсивную,
замедленную. На протяжении всего процесса замеряем изменение общей
длины образца и строим диаграмму в координатах :относительное
изменение размеров в зависимости от времени при увлажнении и сушке
материала. Например, для обоев марки 676 тисненые (продольное
расположение вырезанного образца) диаграмма (рис. 42) выглядит
следующим образом: на 1-ом участке происходит интенсивное
увлажнение; на 2-ом активная сушка и на 3-ем окончательная
стабилизация размера. Из анализа диаграммы следует, что приклеивание
данного типа обоев необходимо осуществлять через 6 минут после их
увлажнения и на протяжении 18 мин. После чего
Происходит процесс самонатяжения за счет дополнительной усадки.
Такую диаграмму можно получить в течение 40 минут для каждой
модификации и определить параметры технологического процесса.
Аналогичная методика предварительной оценки поведения
материала может осуществляется при разработке технологического
процесса установки натяжных потолков из различных композиционных
материалов, проектирования процессов влажно-тепловой обработки
швейных изделий и т.п. Необходимым условием сохранения качества
будет следующее:
       ,
где
 относительная усадка рулонного или пленочного материала, а
Е – модуль упругости.
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое изометрический нагрев?
2. Какое испытание проводят на релаксометре?
3. Как обеспечить компенсацию температурной деформации
композита?
4. Что лежит в основе не расширяющего композиционного
материала?
5. Какую положительную роль выполняет усадка в использовании
рулонных и пленочных материалов?
78
9. Определение
методом
напряжений
поляризационно-оптическим
Для получения большей информации о характере и величине
термодеформационных характеристик нами был использован оптический
метод определения напряжений. Исследования проводились на моделях из
оптически активного материала. В силу принятой симметрии конструкции
испытания проводились на плоской модели. Внешний элемент
конструкции был изготовлен из полиэфирной смолы, а внутренний – из
стиракрила (бутакриза) и полиэфирной смолы.
Характеристики полиэфирной смолы:
Модуль продольной упругости Е = 25 000 кг / см2.
Коэффициент поперечной деформации µ= 0,37.
Предел пропорциональности пр= 150 кг / см2.
Оптическая постоянная С = 46·107.
а
б
в
Рис. 43. Фотографии моделей в поляризованном свете: а) картина
распределения напряжений в связующем от усадки наполнителя,
имеющего адгезию; б) картина распределения напряжений в связующем
при механическом воздействии на элемент наполнителя не имеющего
адгезию; в) картина распределения напряжений в связующем при
механическом воздействии на элемент наполнителя имеющего адгезию
На рис. 43 представлены фотографии моделей элементов
композиционных материалов в поляризованном свете.
Программа испытаний включала исследование плоских моделей
среза обоих элементов под действием полимеризационной усадки,
имитирующей действие температуры, а также влияние на работу
конструкции силового воздействия при наличии адгезии и без нее. В
последнем случае под действием механической нагрузки проводилось
79
фотографирование изохор.
Как видно из фотографий, при одном и том же механическом
воздействии силы, приложенной сверху в виде полусферы, напряжения в
модели распределяются в разных случаях по-разному. При испытании
модели, не имеющей адгезионной связи между элементами (рис. 43 б),
напряжения не распределяются на всю конструкцию равномерно, а
концентрируются в элементе-наполнителе и элементе связующего по
направлению действия силы, создавая тем самым тенденцию к
разрушению.
При наличии адгезионной связи возникают некоторые напряжения
вокруг элемента-наполнителя за счет усадки полимерного материала
(рис. 43 а). Однако при механическом воздействии напряжения более
равномерно распределяются по всей конструкции (рис. 43 в).
Этот факт доказывает, что даже при одинаковых физикомеханических характеристиках Е, ,μ наполнитель, не имеющий адгезии к
связующему, использовать нежелательно.
На основе экспериментальных данных были построены эпюры
касательных и нормальных напряжений, возникающих в модели
конструкции под действием полимеризационной усадки (рис. 44 и 45). По
методике, изложенной в работах, посвященных исследованию напряжений
поляризационно-оптическим методом, были определены значения
разности главных напряжений 12 граничной области модели
12 
где

,
cd
d – толщина модели;
с – постоянная фотоупругости;
 – разность хода волн.
Непосредственно из эксперимента определялась разность хода.
80
(9.1)
Рис. 44. Картина распределения нормальных напряжений на границе
элементов конструкций, возникающих вследствие усадки внутреннего
элемента
81
Рис. 45.
Картина распределения касательных напряжений на
границе элементов конструкции, возникающих вследствие усадки
пломбировочного материала
В настоящей работе разность хода определялась методом
компенсации. Касательное напряжение определялось следующим образом:
 xy 

sin 2 ,
2ct
(9.2)
t – толщина модели;
φ – угол наклона главных напряжений к оси. Нормальные
напряжения определялись по следующей зависимости:
где
n
 X   X0  
i
 XY
X ,
Y
(9.3)
где 0 – величина напряжения на крайне удаленной точке элемента
связующее, принятая равной нулю.
Сравнение результатов, полученных по двум разным методикам,
подтверждает правильность полученных результатов (см. рис. 31, 32, 45).
82
Вопросы для самоконтроля
1. Какую роль выполняет адгезия к наполнителю в случае действия
внешней нагрузки?
2. В каком из 3-х рассмотренных в поляризационном свете
образцов напряжение имеет минимальное значение и почему?
10. Определение адгезии материалов
В шестой главе при анализе экспериментально-теоретических
результатов исследований температурных напряжений были получены
зависимости величины возможного зазора между наполнителем и
связующим при отсутствии адгезии между ними (см. рис. 28, 29). Как
видно из графиков, он может достигать у некоторых материалов более 1 %,
что в конечном итоге приведет к дальнейшему разрушению сплошности, а
также значительно снижает его морозостойкость. Вместе с тем наличие
адгезии между наполнителем и связующим еще не гарантирует постоянной
сплошности материала. Если величина растягивающего (отрывающего)
напряжения превышает величину адгезии, которая также характеризуется
напряжением отрыва, то неминуемо произойдет нарушение сплошности и
материал будет разрушаться. Очень важен высокий показатель адгезии для
различных клеев, применяемых для соединения деталей, мастик, с
помощью которых крепятся плитки, мозаика используемые для отделки
зданий снаружи и внутри, и т. д. Для того, чтобы элементы конструкции
или наполнитель в связующем надежно удерживались, необходимо, чтобы
величина нормального напряжения отрыва связующего (мастики) или клея
была больше, чем величина напряжения отрыва от действия температуры
или усадки. Сравнивая величины напряжений, полученные на диаграмме,
можем сделать заключение о возможности использования того или иного
клея, если
 ОТРЫВА   Т   УСАДКИ .
(10.1)
Для изучения адгезии, прочности клеевого соединения нами
разработан прибор, позволяющий исследовать параметры клеевого
соединения, соединений с помощью растворов и мастик и изучать влияние
жидких сред и температуры на свойства клеевого соединения
(искусственное старение).
83
Рис. 46. Принципиальная схема прибора для определения силы
адгезии между материалами: а – узел для испытания на отрыв; б – для
испытаний на сдвиг
На рис. 46 изображен предлагаемый прибор (общий вид), на рис. 46,а
– узел для испытания клеевого соединения на отрыв, на рис. 46,б – при
испытании клеевого соединения на сдвиг.
Прибор для определения прочности клеевых соединений (рис. 54)
смонтирован на плоском основании 1 с регулируемыми опорами 2, на
котором расположена стойка, состоящая из колонн 3 и 4, в верхней части
связанная траверсой 5. На колоннах подвижно закреплен бачок 6 для
имитационной среды, который фиксируется винтами 7 в необходимом
84
положении. Траверса снабжена опорой 8 с осью 9 нагружающего
двуплечего рычага 10, на обоих концах которого имеются кольца 11 с
призмами. Кольцо удлиненного плеча рычага связано со штоком 12,
заканчивающимся опорной тарелкой 13, нагружаемой тарированной
пружиной 14 с помощью червячно-винтовой передачи 15. На верхнем
конце пружины размещена втулка 16 с рычагом 17 механического
индикатора 18 со стрелкой 19 и шкалой 20, градуированной по величинам
усилий.
На укороченном плече нагружающего рычага расположен
регулируемый противовес 21, а на его серьге подвешена фигурная
промежуточная подвеска 22, позволяющая производить передачу усилий в
двух взаимно перпендикулярных плоскостях на образец 23, закрепленный
в захвате 24. Захват имеет корпус с подвижно размещенным внутри него
набором плоских подпружиненных пластин 25, скошенные поверхности
которых расположены навстречу друг другу для наиболее полного обхвата
образцов со сложной конфигурацией. Фиксация пластин производится
винтами 26 и гайками 27. На корпусе захвата имеются также две пары
призм 28 и 29, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях
и взаимодействующих с кольцом укороченного плеча нагружающего
рычага. Опорой захвата при испытании клеевого соединения на разрыв или
сдвиг служат призматические выступы траверсы.
Устройство снабжено также конечным выключателем 31,
электрически связанным с приводом нагружающего устройства или с
сигнальным устройством, срабатывающим при разрыве и сдвиге образца.
Устройство работает следующим образом. Для испытания клеевых
соединений на отрыв испытываемый образец 23, состоящий из двух
элементов, связанных между собой клеевым, сварным или иным способом,
закрепляется в захвате 24. Образец различной геометрической формы
удерживается в держателе при помощи набора подвижных
подпружиненных пластин 25, застопоренных после соприкосновения с
образцом с четырех сторон винтами 26 и гайками 27. Держатель с
закрепленным образцом подвешивается при помощи фигурной
промежуточной подвески 22 и кольца 11 к короткому плечу нагружающего
двуплечего рычага 10, опираясь опорными призмами 28 и 29 на
призматический выступ 30 траверсы 5. Нагружение образца производится
путем вращения червяка червячно-винтовой передачи 15. При этом
тарированная пружина 14, опирающаяся на тарелку 13, передает через
шток 12 усилие кольцу 11 удлиненного плеча нагружающего рычага 10.
Показания величины разрывающего усилия отмечаются на шкале
механического индикатора 18 стрелкой 19, связанной рычагом 17 с
втулкой 16.
Для испытания соединения на сдвиг захват с образцом
85
подвешивается в положении, указанном на рис. 33. Нагружение образца и
дальнейшая работа аналогична описанной выше.
Прибор позволяет производить проверочные испытания как на
отрыв, так и на сдвиг, не вынимая образец из захватов. Съемный захват
вместе с образцом может находиться в любом месте и подвергаться
замораживанию - размораживанию, искусственному старению и т. д. и
затем снова устанавливаться в прибор и испытываться.
10.1. Определение технологических параметров мозаичных
работ (расход материала и величина адгезии)
Мозаика является одной из самых древних техник декоративноприкладного искусства. Художественные мозаичные изделия применяются
в области оформления интерьера и экстерьера. Мозаичная техника
представляет собой процесс наклеивания верхнего декоративного слоя к
основе, где склеиванию подлежат разнородные материалы.
Склеивание, метод соединения элементов конструкции с помощью
адгезива, один из наиболее эффективных способов получения
неразъемных соединений различной химической природы. Достоинством
клеевого соединения служит равномерное распределение механических
напряжений. Физико-химическое взаимодействие на границе раздела фаз
определяется
правильным
выбором
мастики
и
выполнением
технологических операций по подготовке поверхности, приготовлению и
нанесению мастики с возможностью осуществления контроля качества на
каждом из этапов формирования соединения.
Но для художественной мозаики существуют свои требования к процессу
изготовления и не все клеящие вещества могут быть подходящими по
своим свойствам. Для поиска наиболее оптимальной мастики необходимо
прежде обозначить предъявляемые ей требования:
1) прочность и простота в обращении,
2) долговременная устойчивость к деструкции,
3) высокие адгезионные свойства по отношению к мозаичным
пластинам и основе,
4) хорошая светостойкость,
5) обратимость,
6) химическая нейтральность и устойчивость к гниению,
7) светлая окраска клеевого раствора.
Практика работы с термореактивными и термопластичными клеями
показала, что в случае применения термореактивных клеев, например,
эпоксидной смолы холодного отверждения, избыточная прочность
клеевого соединения может оказаться нежелательной, так как нередко
86
возникающее при формировании клеевой пленки внутреннее напряжение
способно привести к ее отслаиванию.
Термопластичные
клеи
на
основе
поливинилацетата,
полибутилметакрилата и поливинилбутираля имеют невысокую по
отношению к камням–самоцветам адгезию, а органические растворители,
входящие в состав клеевых растворов (спирт и ацетон) могут частично
растворять некоторые минералы. В тех частных случаях, когда главным
условием склейки должна быть высокая прочность, нашли применения
цианакриловые клеи и их гели.
В результате подбора и поиска оптимального вида мастики, всем
перечисленным выше требованиям соответствует воско-канифольная
мастика, но рецепты, приводимые в различной литературе, в том числе и у
Ферсмана, противоречивы. Однако у данной мастики имеются свои
недостатки - это низкая прочность на излом и невысокая
термоустойчивость.
Также важными проблемами в технологии изготовления мозаичных
панно является не только определение оптимального вида мастики, но и
подбор компонентов, разработка рецептур и изучение надежности
полученных соединений в эксплуатационных условиях (экстерьер,
интерьер, ванная комната, гостиная и т. д.) и определение свойств
конструкций.
В настоящее время исследовательские работы по данной тематике
практически не ведутся, особенно в области испытаний прочности
мозаичных клеевых соединений.
В связи с этим, на кафедре технологии машиностроения и
художественной обработки материалов СПГУТД, была разработана
методика по определению ряда физических и механических свойств
клеевого узла и установлены методы испытаний по определению
напряжения при отрыве мозаики от различных поверхностей (бетон, метал,
дерево и т. п.).
Наряду с этим изготовлено приспособление для испытания
конструкции мозаика-керамика. Наличие устройства (рис. 47 и 48)
позволило определить оптимальный расход мастики на м2 панно (рис. 49) и
минимальную силу прижима мозаики в момент формирования
конструкции (рис. 50).
87
Определение напряжений отрыва мозаичных мастик
Рис. 47. Схема установки испытуемого образца
Рис. 48. Кинематическая модель приспособления
88
Рис. 49. Влияние
керамических пластин
количества
мастики
на
усилие
отрыва
Значение усилий отрыва от количества используемой мастики.
Усилие прижима составляло 0,85 кгс. Время приложения усилия 10 сек.
На представленном графике очевидным является значение силы равное
0,85 кгс при расходе мастики 5·10-3 кг/м2. Руководствуясь данной
методикой, можно провести исследование по определению рецептур
мастик с различными компонентами, которое в конечном итоге, позволит
обеспечить оптимальное соотношение компонентов и даст возможность
спрогнозировать
степень
надежности
мозаичного
панно
в
эксплуатационных условиях.
Стало возможным определить максимальную величину давления в
момент фиксации мозаичного слоя, с целью получения лучшего
склеивания (рис. 50).
Рис. 50. Влияние величины давления на силу отрыва мозаики после
выдержки в течение 30 мин
89
Для последующих этапов исследований также можно принимать
начальное значение расхода мастики на одну плитку 5·10-3 кг, а давление
прижима в момент формирования соединения должно составлять не менее
2,75 кгс/см2. Таким образом, разработанная методика позволяет
определить:
1. Рецептуру мастик с различными компонентами, что в конечном
итоге
обеспечит
оптимальное
соотношение
компонентов,
и
спрогнозировать
степень
надежности
мозаичного
панно
в
эксплуатационных условиях.
2. Оптимальные составы адгезива и формирование клеевого узла
при создании мозаичного изделия.
3. Оптимальное значение силы прижима при формировании
мастичного слоя (V=const).
4. Разрушительную зависимость клеевого соединения от
временного фактора, герметичность, непроницаемость для паров,
жидкостей, поглощение вибраций (снижают шум).
5. Оптимальное количество используемого объема адгезива
(мастики) для получения прочного клеевого соединения мозаики и основе.
(P=const).
Вопросы для самоконтроля.
1. Условие прочности клеевого соединения?
2. Каким образом на адгезиметре осуществляется испытание в
различных агрессивных средах?
3. Как обеспечивается на адгезиметре испытания на срез и на
отрыв?
11. Решение одной из задач по расчету прессовозамковых
соединений (ПЗС) из исходного (ПЭ) и радиационно-модифицированн
ого полиэтилена (РМПЭ)
11.1.1.
Прессово-замковые
композиционных материалов
соединения
деталей
из
Принцип прессово-замкового соединения широко используется в
настоящее время во многих областях промышленности. Это соединения с
предварительной посадкой труб, штифтов, пальцев, защитных оболочек,
колец, муфт и т.п. Наиболее широкое распространение такие соединения
осуществляются в конструкциях из полимерных композиционных
матералов, благодаря тому, что композиты имеют:
а) достаточно высокий коэффициент линейного теплового
90
расширения;
б) достаточно высокую пластическую деформацию;
в) обладать «геометрической памятью» или «эффектом памяти» (3),
т. е. возвращаться к тому размеру, который имело изделие до его
термодеформационной обработки (способность «замораживаться» и
«размораживаться»);
г) обладать невысокой степенью релаксационных процессов;
д) быть в меньшей степени подверженными старению.
Все эти качества композиционных полимерных материалов создают
возможности до минимума сократить затраты на сборочные операции и
обеспечить надежное и долговечное соединение.
Одна из важнейших сфер применения прессово-замковых
соединений – это монтаж, ремонт и реставрация различных изделий из
композиционных материалов, в том числе кабельных линий. Особенно
большое значение имеет использование пластмассовых изоляторов при
ремонте кабельных сетей.
Их установка на принципе прессово-замковых соединений проста и
удобна и не требует дополнительных устройств и крепежа, обладает
высокой надежностью и хорошими электроизоляционными свойствами. В
настоящее время осуществляются экспериментальные опыты по установке
и эксплуатации изоляторов в естественных условиях, представляющих
прессово-замковые конструкции. Однако, как известно, полимерные
материалы изменяют свои свойства под действием нагрузки и
температурным воздействием, поэтому потребовалось изучение физикомеханических свойств материалов, используемых для изготовления
прессово-замковых соединений с учетом температуры и времени, а также
на основе более распространенных типов конструкций ПЗС.
Данный раздел пособия посвящен изучению деформационных и
прочностных свойств полимерных материалов, а именно, радиационномодифицированного полиэтилена. Конечной задачей исследования
является прогнозирование изменчивости надежности конструкции ПЗС с
учетом старения.
Раздел
отражает
результаты
многолетнего
исследования
полиэтилена, используемого для изготовления изоляционной оболочки
кабеля из радиационно-модифицированного полиэтилена, используемого
для изготовления изоляторов.
91
11.1.2. Анализ конструкций ПЗС и решение одной из задач
Для теоретической оценки устойчивости изоляторов в прессовозамковых соединениях и разработки наиболее оптимальных форм и
размеров, а также совершенствования технологии формирования ,в работе
рассмотрен предварительный расчет прессово-замкового соединения по
определению контактных давлений на границе изолятора и оболочки
кабеля ,что в свою очередь, дает возможность определения устойчивости
изолятора на кабельной изоляции и прогнозировать на длительный период.
При расчете форма изолятора и форма оболочки были приняты в
виде тел вращения (изолятор в виде кольца, кабель в виде сплошного
цилиндра без учета проводника).
Выбранная нами схема отражает сечение изолятора вместе с
кабелем (рис. 51).
Рис. 51
Для определения контактных давлений и соответственно
нормальных напряжений были использованы условия Гадолина,
вытекающие из задачи Ламе (1). Для решения задачи были приняты
следующие обозначения:
Dи,R – внешний диаметр и радиус изолятора;
dКrК – внешний диаметр и радиус кабеля;
РК – контактное давление;
r – радиус границы контакта и радиус внутреннего отверстия
изолятора;
Ek – модуль упругости материала кабеля;
Eи – модуль упругости материала изолятора;
μk – коэффициент поперечной деформации материала кабеля;
μи – коэффициент поперечной деформации материала изолятора;
Т – температура;
t – время;
92
и – коэффициент линейного теплового расширения материала
изолятора;
k – коэффициент линейного теплового расширения материала
кабеля;
∆T – диапазон возможных изменений температуры в
эксплуатационных условиях;
δ – натяг или мнимая разница в размерах радиуса внутреннего
отверстия изолятора и внешнего радиуса кабеля.
Изолятор устанавливается на кабель (в изоляторе предварительно
«заморожены» деформации в отверстии) и в этом положении не возникает
контактных давлений между кабелем и изолятором (по линии nn, рис. 52).
Затем изолятор нагревается и его внутреннее отверстие уменьшается до
окружности, дуга которой занимала положение mm, если бы не было
сопротивления кабеля. Но так как кабель препятствует сужению
внутреннего отверстия под действием замораживающей информации, то
граница контакта пройдет по какой-то средней линии СС и тогда можно
констатировать, что общее уменьшение радиуса от размораживания будет
равно ∆r.
Рис. 52. Геометрическая сторона рассмотрения статическинеопределимой системы, состоящей из двух элементов, на примере
кабель-изолятор
93
В нашем случае, деформация элементов конструкции, согласно
условия Гадолина (1), будет равна общему изменению радиуса δ, так как
при посадке диаметр кабеля сократится и точки на контактной
поверхности получат отрицательное смещение ∆rk. Внутренний диаметр, а
соответственно и радиус изолятора увеличится на ∆rk. Это смещение
положительное, следовательно, величина ∆rи + (-∆rk) должна быть равна δ
∆rи -∆rk = δ ;
∆rk= 
∆rи=
(1   К ) РК
;
ЕК
(1   И )rИ3 РК (1   И ) R 2 rИ РК
.

Е И ( R 2  rИ2 )
Е И ( R 2  rИ2 )
(11.1)
(11.2)
(11.3)
Радиус границы контакта r может быть определен как rk-∆rk (11.4).
Подставив выражения (11,2) и (11.3) в уравнение (11.1) и решив его
относительно Рк получим
Е И Е К ( R 2  rИ2 )
Рк=
.
E K (1   И )rИ3  Е К (1   И ) R 2 rИ  Е И (1   К )rK ( R 2  rИ2 )
(11.5)
Следующим этапом расчета было рассмотрение
ПЗС при
воздействии температуры. Порядок расчета остается тем же и в результате
мы имеем
Е И Е К ( R 2  r 2 )r ( K   И )Т
Рк(Т)=
.
Е К (1   И )r 3  E K (1   И ) R 2 r  E И (1   К )r ( R 2  r 2 )
(11.6)
Необходимо отметить, что при нагревании величина контактных
давлений складывается ,а при охлаждении вычитается
Ркрезульт.=Рк±Рк(Т) .
(11.7)
Значения контактных напряжений дадут возможность определить
радиальные и тангенциальные напряжения.
Зная результирующее контактное давление можно определить
величину силы, препятствующей смещению изолятора относительно
кабеля.
Используя выражение
Р = ƒРк(результ)  Dkh = 2  rhƒРк(результ),
94
(11.8)
где
ƒ – коэффициент трения материала ПЗС;
h – толщина изолятора;
Dk – диаметр кабеля;
r – радиус границы контакта;
Р – сила смещения кабеля вдоль оси.
Одним из самых существенных аргументов ,влияющих на величину
силы смещения, а соответственно, и на величину контактного давления,
является модуль упругости, величина которого для ПЭ будет падать при
воздействии температуры в течение времени и контактные давления будут
уменьшаться.
Из формулы (11.8) видно, что максимальное значение Р должно
определяться сроком эксплуатации изолятора ,т.к. в конце этого срока Р не
должно быть меньше своего допустимого значения.
Таким образом, основными деформационными характеристиками,
необходимыми для расчета КПЗС являются: размеры элементов прессовозамкового соединения, модули упругости материалов оболочек кабеля и
изолятора, коэффициенты их поперечной деформации и их коэффициенты
теплового расширения.
11.2. Выбор оборудования (приборов, установок) для проведения
испытаний
Для проведения испытаний и получения деформационных,
прочностных и релаксационных характеристик исходного и радиационнообработанного полиэтилена использовались приборы, разработанные и
изготовленные на кафедре сопротивления материалов СанктПетербургского государственного университета технологии и дизайна:
измеритель деформаций ИД-10 и релаксометр усилий РУ-200, а также
универсальная измерительная установка “Instron-1122”.
Измеритель деформаций ИД-10 является установкой настольного
типа. С помощью прибора могут быть изучены:
 изменение
деформации
во
времени
при
постоянном
растягивающем усилии (ползучесть);
 изменение остаточной деформации во времени после снятия
нагрузки (эластическое восстановление);
 влияние температуры на деформацию (термодеформационные
свойства).
Исследование ползучести и эластического восстановления может
производится на воздухе и в жидких средах в широком температурном
интервале.
95
Релаксометр усилий РУ-200 позволяет производить испытания в
следующих режимах:
 релаксация усилия при постоянной заданной деформации на
воздухе и в жидких средах;
 изометрического нагрева (наименование напряжения при плавном
подъеме температуры с заданной скоростью нагрева).
Возможна также комбинация указанных режимов в широком
диапазоне нагрузок и температур.
Основные технические характеристики:
Рабочая длина образца, мм………….................................................50 или 100
Максимальная относительная деформация , %................................10
Максимальное измеряемое усилие в образце, Н…………………..50
Допускаемая температура в рабочей камере, оС…………………..+400
Испытательная установка Instron обеспечивает универсальность и
точность измерений на растяжение и сжатие. Она оснащена
силоизмерительным датчиком с тензометрами, позволяющими определять
величину нагрузки в широком диапазоне от 0,2 Н до 5 кН.
Прибор состоит из двух отдельных частей:
 нагружающей рамы:
 электронного пульта управления.
Для проведения испытаний в специальных условиях предусмотрен
набор дополнительного оборудования: специальные зажимы, датчики
температуры, термо - криокамера и т.д.
Нижний зажим монтируется на основании рамы
и является
неподвижным: верхний зажим крепится к силоизмерительному датчику,
закрепленному на траверсе. Движение траверсы вертикальное, диапазон
скоростей от 0,05 до 1000 мм/мин.
Установка укомплектована набором электронных модулей для
проведения следующих видов испытаний:
 циклических;
 ползучести:
 релаксации усилий.
Результаты испытаний регистрируются с помощью самописца,
вычерчивающего график зависимости нагрузки от деформации и времени.
Скорость диаграммной ленты может изменяться в широком диапазоне.
96
11.3. Проведение испытаний образцов исходного ПЭ РМПЭ с
целью получения физико-механических характеристик
11.3.1.
расширения
Определение
коэффициента
линейного
теплового
Коэффициент линейного теплового расширения рассчитывался
следующим образом. В результате эксперимента получали температурные
зависимости деформации полиэтилена трех видов: исходного и
радиационно-модифицированного дозами облучения 10 и 25 Мрад (РМПЭ).
Методика экспериментов заключалась в следующем. Образцы
полиэтилена цилиндрической формы (длина образца L=20 ММ, диаметр
8мм), помещенные в термокриокамеру дилатометра, подвергались
нагреванию до 80 оС и охлаждению до 20 оС в течение нескольких циклов
(до пяти). В результате нагревания первого цикла происходит
термостабилизация
материала, поэтому данные этого цикла не
рассчитываются. Температурные зависимости последующих циклов на
графике накладываются друг на друга, поэтому на рис. 3.1 представлены
два первых цикла испытания РМПЭ с дозой облучения 25 Мрад. Были
получены температурные зависимости
деформации для исходного
полиэтилена и РМПЭ, облученные дозой 40 Мрад. Все они имеют
аналогичный характер.
Теоретическое значение температурных деформаций определялось
следующей зависимостью
∆L(Т)= α(Т2- Т1)L0 = α∆Т L0,
(11.9)
на основании чего определяется коэффициент линейного теплового
расширения

 Т
Т   0
(11.10)
и строились соответствующие зависимости α=ƒ(Т).
На рис. 54 представлены зависимости коэффициента линейного
теплового расширения исходного ПЭ и РМПЭ от температуры.
Эксперименты показали, что изменение дозы облучения ПЭ с 10 Мрад
до 25 Мрад не оказывают влияния на величину коэффициента α.
Полученные значения коэффициента приводятся в табл. 6.
Температурная зависимость деформации РМПЭ, облученного дозой
25 Мрад (рис. 53): 1 – первый цикл нагревания, 2 – второй цикл нагревания.
97
Рис. 53. Зависимость деформации от температуры для РМПЭ (1) и
исходного ПЭ(2)
Рис. 54. Зависимость коэффициента линейного
расширения от температуры для РМПЗ (1) и исходного ПЗ (2)
98
теплового
Т а б л и ц а 6. Значение коэффициентов линейного теплового
расширения
Вид материала
Исходный ПЭ
(материал кабеля)
РМПЭ,25 МГр
(материал изолятора)
Коэффициент линейного теплового
расширения
α•10-4,град-1 при Т0С
20
30
40
50
60
2,95 3,35
3,78
4,15
4,45
2,65
2,95
3,25
3,80
4,05
11.3.2. Определение коэффициента поперечной деформации
полиэтилена
Испытание образцов исходного и радиационно-модифицированного
ПЭ проводилось на установке Instron, как на растяжение, так и на сжатие с
помощью специальных приспособлений.
В соответствии с ранее известной методикой (9) относительная
продольная деформация определялась
ε=


(11.1)
Относительная поперечная деформация
ε 1=
b
b
(11.12)
Абсолютная величина отношения относительной поперечной
деформации ε1
к относительной продольной ε дает значение
коэффициента поперечной деформации
μ = ε1/ε
(11.13)
По результатам опытов были получены средние значения
продольной и поперечной деформации образца в зависимости от времени.
Длительность испытаний составляла 8 мин. Далее по формуле (11.3) были
рассчитаны значения коэффициента поперечной деформации и получены
зависимости коэффициента от времени.
Очевидно, что величина коэффициента поперечной деформации не
зависит от времени.
Таким образом, за величину коэффициента поперечной деформации
полиэтилена принято значение 0,4.
99
11.3.3. Определение модуля упругости
Модуль
упругости
является
важнейшей
характеристикой
механических свойств полимерных материалов, в том числе и
полиэтилена. Эта величина не является постоянной, она изменяется для
каждого материала в зависимости от температуры окружающей среды и с
течением времени.
Первым этапом в выполнении работы было сравнительное
исследование начального модуля материалов кабеля и изолятора.
Материал кабеля – это исходный полиэтилен, материал изолятора
радиационно-модифицированный полиэтилен двух видов, облученный
дозой 10 и 25 рад.
Для всех образцов исследуемых материалов были сняты диаграммы
растяжения при температурах 20, 30, 40, 50, 60, и 80 оС на испытательной
установке «Instron».Растяжение проводилось с постоянной скоростью 20
мм/мин. Образец представлял из себя плоскую лопатку с размерами
поперечного сечения: для кабеля 2,8 х 6,3 мм, для изолятора – 1,5 х 6,4 мм.
Начальный модуль упругости рассчитывался по углу наклона касательной
к начальному участку кривой растяжения в координатах абсолютной
деформации-величины растягивающего усилия. Модуль вычислялся из
соотношения
Еи =
где

Р

,
 S 
(11.14)
Р – растягивающее усилие;
s – площадь поперечного сечения;
ε – относительная деформация.
Таким образом, были определены значения начального модуля для
исследуемых материалов кабеля и изолятора при различных температурах
и получена его температурная зависимость, представленная на рис. 3.4.
Из графика видно, что с увеличением температуры значения
начального модуля упругости довольно резко уменьшаются.
Отдельно была проведена серия испытаний на растяжение на
образцах РМПЭ, облученного дозами 10 и 25 Мрад. Образцы в исследуемой
партии отличались друг от друга составом наполнителя и, соответственно,
окраской и индексацией (№ 16-25). При каждой температуре испытывалась
группа индексов. На рис. 56 представлены результаты испытаний. Видно,
что для РМПЭ, облученного дозой 25 Мрад значения начального модуля
несколько выше, причем наиболее существенная разница в значениях
100
отмечается при температуре 20 оС. С увеличением температуры до 100 оС
эта разница стремится к нулю.
Температурные зависимости начального модуля исходного ПЭ(1) и
РМПЭ (2).
Рис. 55. Температурные зависимости начального модуля РМПЭ,
облученного дозами 10 Мрад (1) и 25 Мрад (2)
Рис. 56. Температурные зависимости начального модуля упругости
РМПЭ, облученного дозами 10 Мрад (1) и 25 Мрад (2)
101
Из литературы по радиационной обработке полиэтилена известно,
что модуль упругости находится в зависимости от дозы радиационного
облучения материала и доза Мрад. является оптимальной улучшающей
механические, диэлектрические свойства изделий, изготавливаемых из
полиэтилена.
Можно отметить (степень точности невелика из-за недостаточного
количества образцов), что добавки, соответствующие индексам 24 и 25
ведут к уменьшению значения начального модуля.
У небольшой партии образцов из РМПЭ, облученного дозой
25 Мрад были сняты диаграммы растяжения и рассчитан начальный модуль
через 1 год, т. е. образцы подверглись естественному старению.
Рис. 57. Температурная зависимость начального модуля для РМПЭ,
облученного дозой 25 Мрад до(1) и после (2) естественного
старения в течение года
Графически результаты представлены
на рис. 57 Лишь при
о
температуре 20 С наблюдается уменьшение модуля в результате
естественного старения
с 30,4 МПа до 27,3 МПа. При других
температурах изменение незначительно и может не приниматься во
внимание.
Из вышесказанного следует, что начальный модуль упругости как
характеристика материала используется нами для сравнительных целей.
Начальный модуль не дает, однако, точной качественной
характеристики исследуемых объектов. Для расчета прессово-замковых
соединения, зная его технологию изготовления, релаксационный характер
поведения материалов, из которых это устройство изготовлено, логично
102
использовать релаксационный модуль упругости. Релаксационный модуль
– параметр, изменяющийся во времени и в зависимости от температурных
условий. Поэтому было проведено экспериментальное изучение
релаксационного модуля на образцах РМПЭ, облученного дозой 25 Мрад.
Исследования проводились на установке РУ-200, разработанной на
кафедре сопротивления материалов СПГУТД. Установка позволяет
измерять внутренние усилия возникающие в образце в результате его
деформирования, изменяющиеся во времени в широком диапазоне
температур и деформаций. Зажимная длина образца равнялась 50 мм.
Образцы в виде лопаток с поперечным сечением 1,5 х 6,4 мм были
вырублены из листового полиэтилена. Нами была проведена серия
измерений внутренних усилий в образцах РМПЭ при температуре 20 оС в
диапазоне деформаций от 1 до 9 %.Длительность испытаний составила 32
мин. При значениях деформации 2, 4, 6 % длительность эксперимента
составила 1000 мин, а при деформации 8% – 7200 мин. Фиксирование
усилий производилось в определенные моменты времени (точки). По
точкам строились кривые релаксации внутренних усилий во времени.
Таким образом, получили семейство кривых релаксации. Интересующие
нас значения релаксационного модуля находились из соотношения
Е=
где

,

(11.15)
σ – величина внутренних напряжений;
ε – относительная деформация образца.
Рис. 58. Временные зависимости релаксационного модуля упругости
РМПЭ при температуре 20 оС. 1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5, 6-6, 7-7, 8-8, 9-9 %
деформации
103
Семейство зависимостей изменения модуля во времени,
представленных на рис. 58 получили пересчетом семейства кривых
релаксаций усилий. Полученная картина дает четкое представление о
характере поведения релаксационного модуля во времени в зависимости от
уровня деформации при постоянной температуре.
Зная это обстоятельство, что при сборке ПЗС необходимо надеть
изолятор на кабель, причем, наружный диаметр кабеля больше диаметра
внутреннего отверстия на величину δ изолятора, была рассчитана
относительная деформация изолятора по формуле
ε =(
где

)100 %,

(11.16)
∆ℓ – разница между значениями радиусов кабеля и изолятора;
ℓ – радиус кабеля.
Относительная деформация составила 8 %. Следовательно,
необходимо анализировать график изменения модуля упругости при
деформации 8 %.
Для решения задачи конструирования ПЗС условно принимали
значения модуля для времени 1 год (моделируя применение изолятора
через год после изготовления). Экспериментально определить это значение
трудно. Поэтому мы предприняли попытку описать зависимость
изменения значения модуля во времени степенной функцией вида
где
Е = А + С,
А, В и С – константы;
 - время.
(11.7)
В результате было получено хорошее совпадение расчетных и
экспериментальных данных в интервале до 1000 мин. Далее было
рассчитано с помощью функции (3.9) значение релаксационного модуля
для времени 1 год. Расчеты по описанию и аппроксимации зависимости
изменения модуля велись по стандартной программе расчета степенной
функции. Таким образом, были рассчитаны значения релаксационного
модуля для времени 1 год при деформировании на 2, 4, 6, 8 %.
ε%
Е МПа
2
105,5
4
97
6
80,5
8
68
Эти данные могут быть заложены в расчет контактных давлений в
зависимости от величины зазора δ (разд. 1.4). Но сначала подсчитывается
величина деформации элементов изолятора, а затем выбирается
104
соответствующая зависимость изменения модуля во времени и по ней
находится значение модуля.
Аналогично были проведены эксперименты и расчеты по
определению релаксационного модуля исходного ПЭ-материала кабеля.
Значения модулей упругости исходного ПЭ и РМПЭ для решения задачи
ПЗС следующие:
Наименование
материала
Релаксационный модуль
упругости Е, МПа
Исходный ПЭ
53
РМПЭ, 25 Мрад
68
Для определения значений релаксационного модуля при различных
температурах были проведены серии экспериментов по релаксации
внутренних усилий исходного ПЭ и РМПЭ, облученного дозой 25 Мрад.
При растягивающей деформации 8 %. Температура испытаний была
20, 30, 40, 50, 60 оС, время испытаний 100 мин. Обоснованием выбора
времени экспериментов 100 мин является то, что после этого периода
изменение модуля незначительно. По формуле (3.7) был произведен расчет
релаксационного модуля упругости и построены временные зависимости
релаксационного модуля при различных температурах.
Рис. 59. Временные
зависимости
релаксационного
модуля
упругости РМПЭ при деформировании на 8 % в диапазоне температур 120, 2-30, 3-40, 4-50, 5-60 оС
105
На рис. 59, в качестве иллюстрации, приведена такая зависимость
для РМПЭ, облученного 25 Мрад. Полученные значения релаксационного
модуля при различных температурах эксплуатации представлены
в табл. 7.
Т а б л и ц а 7. Изменение модуля упругости материалов ПЗС
при воздействии температуры
Температура
Материал
20 оС
30 оС
40 оС
50 оС
60 оС
Исходный ПЭ
(кабель)
59
44
33,5
26
20
РМПЭ.25 Мрад
(изолятор)
76
56,5
43
33
26
11.3.4. Определение коэффициента трения
Определение коэффициента трения исходного ПЭ по РМПЭ
определяли следующим образом. Коэффициент трения теоретически
определяли по формуле
ƒ=
где
F
,
N
(11.18)
F – внешняя приложенная сила;
N – сила нормального давления.
Проведенный эксперимент по определению коэффициента трения
соответствовал схеме, изображенной на рис. 3.9.
Схема эксперимента по определению
коэффициента трения
Рис. 60. Схема установки по определению коэффициента трения
106
На пластину из РМПЭ помещали брусок, вырезанный из материала
кабеля – исходного ПЭ. Размеры бруска 28 х 66 х 4 мм. К бруску с
помощью канатика, перекинутого через блок, закреплялась подвеска на
которую устанавливались грузы, позволяющие сдвинуть брусок с места.
Сначала определялась сила, смещающая брусок без пригрузки. Затем
величина пригрузок менялась и соответственно изменялась сила F. При
определении значения нормального давления N и силы трения F
учитывался вес бруска, равный 0,09 Н и подвески для грузов, равной 0,285
Н.Трение между канатиком и блоком-подшипником практически
отсутствует. В соответствии с пятью значениями нормального давления N
и силы трения F были получены пять значений коэффициента трения ƒ,
представленных в табл. 8. Значение коэффициентов усреднялись. В итоге
был получен коэффициент трения ƒ равный 0,42.
Таблица 8
N,(Н)
0,090
0,790
1,090
1,390
1,790
F(Н)
0,050
0,335
0,445
0,485
0,850
ƒ
0,56
0,42
0,41
0,35
0,38
ƒср
0,42
11.4. Приближенное решение одной из задач конструирования
ПЗС с учетом поученных характеристик
Решением задачи является определение контактных давлений на
границе изолятора и оболочки кабеля, а также величины силы,
препятствующей смещению изолятора с кабеля, что дает возможность
определить устойчивость изолятора на кабельной изоляции.
Конструкция ПЗС представляет собой соединение двух элементов.
Первый элемент – это кабель круглого сечения, оболочка которого
выполнена из исходного ПЭ, второй элемент – изолятор, выполненный из
РМПЭ. Схема конструкции ПЗС представлена на рис. 51. Внутреннее
отверстие изолятора имеет форму цилиндра. До сборки внутренний размер
изолятора был меньше размера кабеля. Сборка конструкции
осуществляется следующим образом. Изолятор разогревают до 130 0С и
надевают на металлическую трубку, диаметр которой равен диаметру
107
кабеля и охлаждают в таком положении. Затем трубка высвобождается.
После чего изолятор свободно надевают на кабель и вновь нагревают.
Срабатывает эффект памяти материала и изолятор оказывается
закрепленным на кабеле. Внешний размер кабеля известен и постоянен в
расчетах. Размеры изолятора также постоянны. Расчет контактных
давлений производится в пяти характерных сечениях, поэтому в расчеты
закладывались пять значений внешнего радиуса изолятора R. В расчете
берутся три предположительных значения размеров внутреннего отверстия
изолятора rи, так как этот параметр существенно влияет на величину
контактных давлений на границе кабель-изолятор.
Все геометрические параметры конструкции, используемые в
расчетах будут приведены ниже. В расчетах мы сделали попытку перейти
от цилиндрической формы внутреннего отверстия (рис. 61, 62) изолятора к
более сложной форме, которая представлена на осевом сечении
конструкции (рис. 62) и имеет форму клина. Сечение III определяет эту
форму внутреннего отверстия.
Порядок расчета конструкции ПЗС следующий. Сначала определяем
значения контактных давлений Рк, соответствующих характерным
сечениям I, II, III, IV при температуре 20 оС по формуле (1.4). Для этого
используем данные, определенные ранее в разд. 3.
Ек= 53 МПа
μк=0,4
Еи= 63 МПа
μи=0,4
В левой части табл. 4.1 представлены исходные геометрические
параметры конструкции ПЗС, где R – внешний радиус изолятора, rи –
внутренний радиус изолятора, δ – изменение радиусов (раздел 1) или
разница между значениями радиусов кабеля и изолятора (rк- rи). Затем
следуют расчетные значения контактных давлений Рк. Для пяти значений
получено 15 значений Рк, т. к. мы заложили в расчет три варианта радиуса
внутреннего отверстия изолятора 6; 6,2; 6,4 мм при радиусе кабеля 6,5
мм. Сечение III соответствует клинообразной форме внутреннего
отверстия изолятора и это сечение имеет свои, отличные от
цилиндрической формы, геометрические размеры. Для сечения 111 радиус
внутреннего отверстия изолятора брался 5,0; 5,5; 6,0 мм.
По расчетным значениям Рк построены эпюры, отражающие
распределение величин контактных давлений на границе изолятор-кабель
по длине изолятора (рис. 61, 62). Анализ эпюр позволяет отчетливо
проследить влияние конфигурации внутреннего отверстия изолятора на
величину контактных давлений. Далее, согласно изложению в разделе 1,
по формулам (11.2) и (11.3) рассчитываем изменение радиуса кабеля ∆rк и
значение радиуса границы контакта r. Эти расчетные данные находятся в
правой части табл. 9.
108
Т а б л и ц а 9. Расчетные значения контактных давлений Рк
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
R
мм
rи
9
I
17,7
II
21,7
III
26
IV
8,5
V
6,0
6,2
6,4
6,0
6,2
6,4
5,0
5,5
6,0
6,0
6,2
6,4
6,0
6,2
6,4

мм
0,5
0,3
0,1
0,5
0,3
0,1
1,5
1,0
0,5
0,5
0,3
0,1
0,5
0,3
0,1
Рк
МПа
1,47802
0,81982
0,25131
2,27247
1,32313
0,42797
8,11814
5,05241
2,36158
2,41498
1,41558
0,45979
1,34276
0,73429
0,22135
∆rк
мм
r
мм
0,108760
0,060326
0,018492
0,167219
0,097362
0,031493
0,597373
0,371781
0,173777
0,177706
0,104018
0,033833
0,098806
0,054032
-,016288
Следующим этапом расчета было рассмотрение конструкции ПЗС,
имеющей цилиндрическую форму внутреннего отверстия изолятора при
воздействии температуры. Значения контактных давлений Рк(т) в этом
случае определяли по формуле (11.6) (см. разд. 1). Контактные давления
Рк(т) на границе двух материалов возникают в силу изменения физикомеханических характеристик материалов при воздействии температур. Для
расчета использовались данные, определенные выше (r, R)и в разделе 3 и
приведенные в табл. 10.
Т а б л и ц а 10
Т0С
Ек
αкх 104
μк
М Р П Э 25 Мрад Еи
αих 104
μи
Материал
Исходный ПЭ
30
44,0
3,35
0,4
56,5
2,95
0,4
40
33,5
3,78
0,4
43,0
3,25
0,4
50
26,0
4,15
0,4
33,0
3,80
0,4
60
20,0
4,45
0,4
26,0
4,05
0,4
Примечание: ЕК и ЕИ – релаксационные модули упругости; αК и αИ
– коэффициенты линейного теплового расширения;
μК
и
μИ=
коэффициенты поперечной деформации.
109
Рис. 61.
Схема реальной
конструкции ПЗС(а) и эпюры
контактных давлений
Рис. 62. Схема видоизмененной
конструкции ПЗС(б) и эпюры
давлений
Примечание. 1 МПа =10 кгс/см2 =0,1 кгс/мм2.
Для рассчитываемых сечений в трех вариантах значений радиусов
внутреннего отверстия изолятора и соответственных значений
температуры 30, 40, 50, 60 0С получаем по 15 значений РК(Т). Эти значения
представлены в табл. 11. Величины контактных давлений, возникающих
при воздействии температур РК(Т) очень незначительны и составляют 0,08
=0,20 % о значений контактных давлений РК.
110
Т а б л и ц а 11. Расчетные значения контактных давлений
РК(Т), возникающих при воздействии температуры
Rmm Номер
сечения
9,0
9,0
9,0
17,7
17,7
17,7
26,0
26,0
26,0
8,5
8,5
8,5
I
I
I
II
II
II
IV
IV
IV
V
V
V
r,mm
Рк
при 300С
Рк
при 400С
Рк
при 500С
Pк
при 600С
6,39124
6,43967
6,48151
6,33278
6,40264
6,46851
6,32229
6,39598
6,46617
6,40119
6,44597
6,48371
0,00537440
0,00529454
0,00522500
0,00917186
0,00914405
0,00911754
0,00984258
0,00982916
0,00981622
0,00471738
0,00463364
0,00456252
0,0108400
0,0106789
0,0105386
0,0185002
0,0184441
0,0183907
0,0198533
0,0198262
0,0198001
0,00951468
0,00934578
0,00920232
0,00825747
0,00813451
0,00802744
0,01411320
0,01407030
0,01402930
0,01514930
0,01512860
0,01510860
0,0072461
0,00711725
0,0070078
0,00987030
0,00972396
0,00959652
0,01681760
0,01676680
0,01671830
0,01804230
0,01801780
0,01799420
0,00866604
0,00851253
0,00838211
При нагревании конструкции результирующие контактные давления
определяются сложением контактных давлений РК и РК(Т) по формуле
11.7. Эти значения представлены в табл. 12.
Далее определяется величина силы препятствующей смещению
изолятора относительно кабеля при этом используется выражение (11.8)
значение силы Р представлены в табл. 13 и зависимость силы р от
величины внутреннего радиуса изолятора представлена на рис. 63.
Все вышеназванные расчеты проводились по специально
разработанной программе. Данная программа позволяет варьировать
физико-механическими характеристиками материала, а также изменять
геометрические параметры конструкции ПЗС.
111
Рис. 63. Зависимость силы Р от величины внутреннего радиуса
изолятора rи
Т а б л и ц а 12.
давлений (РК рез и РК РЕЗ.УСР)
№№
точек
1
2
3
4
5
6
10
11
12
13
14
15
rи =6,0
rи =6,2
rи =6,4
Значение результирующих контактных
РКрез.при РКрез.при РКрез.при
200С
300С
400С
1,47802
1,48339
1,48886
0,819824
0,825118
0,830503
0,251313
0,256538
0,261852
2,27247
2,28164
2,29097
1,32313
1,33227
1,34157
0,42797
0,437087
0,446361
2,41498
2,42483
2,434840
1,41358
1,42341
1,433410
0,45979
0,469606
0,479590
1,34276
1,34748
1,352270
0,734272
0,738926
0,734638
0,221357
0,22592
0,23056
=усредненные значения=
2,03261
2,04063
2,04879
1,17126
1,17924
1,18735
0,374698
0,382641
0,390719
РКрез.при
500С
1,48628
0,827958
0,259341
2,28658
1,3372
0,441999
2,43013
1,42871
0,474898
1,350000
0,74141
0,228365
РКрез.при
600С
1,48789
0,829540
0,26091
2,28929
1,33989
0,444688
2,43303
1,4316
0,477784
1,351420
0,742805
0,22974
2,04495
1,18353
0,386917
2,04732
1,18589
).389266
Примечание: 1 МПа = 10 кгс/см2 =0,1 кгс/мм2
112
Т а б л и ц а 13.
изолятора
rи,мм
Р
при
0
20 С,Н
6,0
1812,090
Значение силы (Р), препятствующей смещению
Р
при Р
при Р
при Р
при
0
0
0
0
30 С,Н
40 С,Н
50 С,Н
60 С,Н
1819,24
1826,51
1823,09
1825,21
6,2
1044,190
1051,3
1058,53
1055,13
1057,23
6,4
334,047
341,128
349,329
344,94
347,034
11.5. Проведение экспериментальных
исследований на реальных ПЗС
и
сравнительных
В целях анализа полученных расчетных данных реальные ПЗС были
подвергнуты механическим испытаниям двух видов: срыв изолятора с
кабеля при приложении силы вдоль оси кабеля и скручивание изолятора с
кабеля в направлении перпендикулярном оси кабеля.
Р
(1)
(2)
Q
Рис. 64. Срыв изолятора с кабеля вдоль оси кабеля (1) и скручивание
изолятора с кабеля в направлении, перпендикулярном оси кабеля (2)
Полученные результаты,
превышающий 4-х процентов.
имели
разброс
в
значениях,
не
113
Срыв изолятора с кабеля производился на универсальной установке
«Инстрон» с помощью специального приспособления, разработанного и
изготовленного специально для этих целей. Главным достоинством этого
приспособления – захват изолятора чашеобразной формы, явилось то, что
оно не влияет на величину контактного давления, возникающего при
запрессовке.
Диаграмма испытания представлена на рис. 65. Величина усилия по
двум испытаниям составила 580 и 680 Н. Расчетные значения силы,
препятствующей смещению изолятора с кабеля (см. формулу 11.4) при
различных значениях внутреннего радиуса изолятора следующие:
Т а б л и ц а 14. Значение силы, препятствующей смещению
изолятора
rи, мм
6,0
6,2
Р, Н
1812
1044
6,4
334
Испытание на скручивание проводились следующим образом
Рис. 65. Диаграмма растяжения КПЗС
Свободные концы кабеля жестко фиксировали. К изолятору
крепился металлический стержень-плечо с поддоном для грузов.
Определялась величина груза Q, необходимого для скручивания изолятора
с кабеля. Длина плеча ℓ равнялась 270 мм. Установившийся радиус кабеля
после запрессовки изолятора r равнялся 6,4 мм. (см. табл. 9). Нагрузка Q,
вызывающая скручивание по двум испытаниям равнялась 17 и 20 Н. Зная
114
соотношение плеч по схеме пункта 2 (см. выше), были определены
значения силы Р, препятствующей смещению изолятора с кабеля при
скручивании. Они равны 720 и 840 Н. Логично считать, что для данной
конструкции значения силы Р, полученные по двум видам испытаний
,должны быть равны. Но при испытании на срыв, а практически на
растяжение мы сталкиваемся с обычным для полимерных материалов
уменьшением поперечных размеров и, как следствие, меньшим значением
силы смещения.
В целом можно заключить, что результаты, полученные в ходе
испытаний реальных ПЗС, хорошо сочетаются с расчетными. Разница
может объясняться тем, что материалы, при испытании которых
экспериментально были получены физико-механические характеристики,
несколько отличаются от материалов, из которых выполнены реальные
ПЗС, и геометрические характеристики, закладываемые нами в расчет при
решении задачи, были частично предположительны.
Следовательно, предложенный математико-экспериментальный
метод может быть применен для расчета конструкций ПЗС данного типа,
а также конструкций иного вида – после внесения конструкторских
изменений, благодаря чему повышается надежность закрепления
изолятора на кабеле.
11.6. Определение
различных состояниях
диапазона
обратимых
деформаций
в
Для определения возможного диапазона обратимых деформаций
была проведена серия экспериментов на ползучесть и эластическое
восстановление под ползучестью понимаем изменение во времени
относительной деформации образца под действием приложенной
постоянно нагрузки. Эластическое восстановление наблюдается после
снятия с образца этой нагрузки. Этот процесс может длиться очень долго и
не всегда приводит к полному восстановлению геометрии испытуемого
образца, т. е. к его базовым размерам. В этом случае говорят о наличии
остаточного компонента деформации. Как известно, одним из свойств
обычного полиэтилена, ограничивающим. Области его применения,
является сильная ползучесть. Наличие поперечных связей в облученном
полиэтилене несущественно повышает его стойкость к ползучести.
Облученный полиэтилен обладает большим упругим восстановлением, чем
не облученный. Воздействие даже сравнительно небольших доз (10 Мрад)
оказывается достаточно эффективным средством для резкого снижения
ползучести полиэтилена под нагрузкой [13].
Объектом испытания был РМПЭ, облученный дозой радиации 25
Мрад. Эксперименты проводились на установке ИД-10 (Измеритель
115
деформаций), конструкции кафедры сопротивления материалов СПГУТД.
Установка позволила автоматически нагрузить образец заданной
нагрузкой и фиксировать изменяющуюся во времени деформацию. База
измерений была равна 50 мм. Образцы для испытаний вырубались в форме
лопаток (размеры поперечного сечения 1,5 х 6,4 мм). Испытания
проводились при комнатной температуре. Время под нагрузкой 10 мин,
время восстановления также 10 мин. Диапазон нагрузок от 2,5 до 40 Н, что
в пересчете в напряжение составляет соответственно 0,26 и 4,16 МПа. На
ряде нагрузок (25,10 и 40 Н) процесс восстановления наблюдался
длительное время – 1000 мин. Результаты испытаний на ползучесть и
эластическое восстановление представлены на рис. 66 в виде временных
зависимостей относительной деформации.
Исходя из данных измерений эластического восстановления, была
построена зависимость остаточной деформации после восстановления в
течение 10 и 1000 мин от нагрузки (рис. 67). Из анализа этих зависимостей
следует, что остаточные деформации имеют место во всем диапазоне
нагружения для времени измерения 10 мин и их величина
пропорциональна приложенной нагрузке. Скорость восстановительного
процесса, определяемая углом наклона кривых восстановления, небольшая
и недостаточная для полного восстановления образца. Длительные
измерения эластического восстановления показывают на исчезновения
остаточных деформаций т.е. можно говорить о полной обратимости
деформаций, но при условии нагружения малыми нагрузками,
приблизительно до 7,5 Н. Остаточные деформации после снятия
растягивающей нагрузки в 10 Н были равны лишь 0,02 %. Таким образом,
можно говорить о небольшом диапазоне обратимых деформаций по
соответствующей растягивающей нагрузке. На рис. 67 ему соответствует
величина Р0.
Рис. 66.
Ползучесть и эластическое восстановление РМПЭ,
облученного дозой 25 Мрад при значениях нагрузок: 1-2,5; 2- 5; 3-7; 4-10;
5-20; 6-30; 7-40 Н
116
Рис. 67. Зависимость остаточной деформации от нагрузки
11.7. Определение влияния
опрессовки и деформации
дозы
облучения
на
усилия
В разд. 11.4 приведен пример расчета контактных давлений на
границе кабель-изолятор конструкции ПЗС (РК), определяющих усилие
прессовки (Р). При этом считали, что кабель выполнен из исходного ПЭ, а
изолятор из РМПЭ, облученного дозой радиации 25 Мрад. В данном
разделе была сделана попытка выявить влияние дозы облучения на
возникающие контактные давления и усилие прессовки. Их значения в
свою очередь находятся в пропорциональной зависимости от физикомеханического показателя материалов – релаксационного модуля
упругости. Поэтому сначала было определено влияние дозы радиации на
модуль упругости.
В разд. 11.3 говорилось о полученных температурных зависимостях
значений модуля упругости от степени радиации. Нам удалось определить
влияние дозы радиации на модуль упругости. Так при сравнении модулей
материалов, облученных дозами 10 и 25 Мрад. Было отмечено, что боле
высокий модуль соответствует дозе облучения 25 Мрад. Разница составляет
8 % при комнатной температуре и 5 % при повышенных
эксплуатационных температурах. Различия очень незначительные. Если в
разделе 11.4 в расчет задачи вводили значение модуля РМПЭ, облученного
117
дозой 25 Мрад, равное 68 МПа, то для изолятора из РМПЭ, облученного
дозой 10 Мрад, соответствующий по времени и деформации модуль
упругости равен 62 МПа.
Оценивая влияние доз радиационной обработки на конструкционные
характеристики, мы ограничились сравнением контактных давлений РК и
усилий прессовки Р при температуре 200 0С для трех значений
внутреннего радиуса изолятора rи.
Значение этих величин приводятся в табл. 15.
Следующим
этапом
был
рассмотрен
и
рассчитан
предположительный вариант конструкции ПЗС, в которой при
изготовлении изолятора использовался исходный необлученный ПЭ.
После определения величины контактного давления на границе кабельизолятор РК и силы Р в этом варианте, значения которых также
представлены в таблице 7.1, были построены зависимости этих сил от дозы
облучения материала (рис.7.1) РК Мп
Рис. 69. Зависимости значений контактных давлений и усилий
опрессовки от дозы радиации
118
Т а б л и ц а 15. Расчетные значения контактных давлений и
усилий прессовки
РК,
МПа
Р, Н
rИ, мм
Необлученный
материал
изолятора
6,0
6,2
6,4
1,702
0,979
0,312
Облученный
материал
Изолятора
(25 Мрад)
1,906
1,097
0,351
6,0
6,2
6,4
1518
873
278
1699
978
313
11.8. Определение условий «устойчивости»
образцов
замороженных
Известно,
что
недостаточная
формоустойчивость
и
размероустойчивость сложных деталей из обычного полиэтилена может
приводить к существенному изменению посадочных размеров во времени.
Радиационно-химические процессы в полиэтилене, происходящие на
молекулярном и надмолекулярном уровнях, способствуют снижению
внутренних напряжений в изделиях при их технологической обработке. В
работе [13] указывается, что резкое уменьшение деформации и повышение
формоустойчивости деталей достигается облучением их до доз в 50-60
Мрад д при комнатной температуре.
Интересным свойством
облученного полиэтилена является
открытый Чарлзби, так называемый эффект памяти [14]. Он заключается в
способности облученного и деформированного полиэтилена возвращаться
к исходному состоянию после прогрева до определенной температуры.
При нагревании полиэтилена выше точки плавления кристаллитов
материал становится весьма эластичным, приобретая способность к
значительным деформациям без нарушения целостности. При охлаждении
вновь полученной формы с одновременным приложением внешних
усилий, препятствующим возврату упругодеформированного полиэтилена
в исходное состояние, происходит кристаллизация полиэтилена, в
результате которой молекулы оказываются локализованными в новых
положениях. При повторном нагревании материала выше точки плавления
кристаллитов, наличие упругодеформированной пространственной сетки
119
приводит к тому, что материал стремится приобрести первоначальную
форму. Этот процесс может повториться неограниченное число раз. Время
хранения материала в деформированном состоянии не оказывает
заметного влияния.
Способность материала к восстановлению исходной формы зависит
от приложенных усилий и возрастает пропорционально их увеличению. С
повышением плотности полиэтилена, дозы излучения и температуры при
деформировании, способность полиэтилена к восстановлению деформации
также возрастает. «Эффект памяти» проявляется при приложении
различных напряжений, растягивающих, сжимающих и т. д. В зависимости
от характера зафиксированной охлаждением деформации наблюдается и
соответствующая реакция облученного полиэтилена после его нагревания.
Выше сказанное точно соответствует этапам изготовления ПЗС и
объясняет характер поведения материалов конструкции. Мы в своей
работе попытались экспериментально смоделировать отдельные этапы
технологического процесса изготовления конструкции ПЗС.
Первый этап – это нагревание изолятора до температуры 1300 0С в
свободном состоянии. Второй этап – деформирование в разогретом
состоянии внутреннего отверстия изолятора при надевании на
металлическую трубку, радиус которой равен радиусу кабеля, и
последующее охлаждение изолятора. Третий этап – повторное нагревание
и охлаждение для закрепления изолятора на кабеле в результате
срабатывания механизма «памяти» материала РМПЭ.
Исследования выполнялись на установке ИД=10, используемой для
экспериментов в разд. 11.6. Эта установка снабжена термокамерой и
помещенный в нее образец нагревают до необходимой температуры.
Объектами исследования били образцы РМПЭ, облученные дозой 25 Мрад.
Эксперимент соответствующий первому технологическому этапу
заключался в нагревании образцов с постоянной скоростью 10 град./мин.
При этом фиксировалась деформация удлинения, соответствующая
определенным значениям температуры. Таким образом, мы получили
термомеханические кривые при нагрузке равной нулю, они представлены
на рис. 70 (кривые 1,2). Исследованные образцы были вырезаны из пластин
параллельно и перпендикулярно направлению ориентации и до
температуры соответствующей плавлению РМПЭ, оба вида образцов вели
себя одинаково. Анализируя полученные зависимости (кривая 1,2), можно
отметить пропорциональный характер зависимости деформации от
температуры, а также оценить количественно тепловое расширение
материала.
В соответствии со вторым технологическим этапом, мы
осуществляли разогрев образцов до 130 0С с последующим растяжением
на 8 %. Выбор значения деформации оговаривался ранее в разд. 3. При
120
базовой длине 50 мм образцы растягивались на 4 мм. И затем охлаждались
в течение длительного времени. При этом прибор фиксировал
возникающее внутреннее напряжение, в среднем равное 0,13 МПа. Таким
образом, образцы принимали новые зафиксированные размеры.
Следующим шагом в соответствии с третьим технологическим
этапом было повторное нагревание деформированных образцов.
Результаты экспериментов представлены графически на рис. 8.1. Целью
эксперимента было наблюдение за восстановлением размеров образцов в
результате охлаждения после нагревания до различных значений
температур. Было проведено несколько циклы нагревание-охлаждение
измерением остаточных деформаций после охлаждения. Опыты каждого
цикла проводились на разных образцах. Образцы нагревались до 60, 80,
100, 130 0С. Кривые на графике 70, отражающие циклы нагревания до
соответствующих температур имеют номера 3-6. До температуры 1000 0С
наблюдалась усадка материала РМПЭ, затем образцы начинали резко
удлиняться. В пределах 100 0С способность материала восстанавливаться
после охлаждения увеличивается с увеличением температуры (кривые 3-5).
При температуре 130 0С в материале возникают значительные
положительные деформации 3 %, но эффект «памяти» не срабатывает.
Максимальное восстановление наблюдается после цикла с нагреванием до
температуры 100 0С. Можно отметить, что образцы, вырубленные
различно к оси формования, в данных опытах вели себя одинаково.
В целом можно обратить внимание на то, что после примененных
режимов термомеханической обработки исходные размеры образцов
восстанавливались наполовину (при температуре нагревания 1000 0С).
Под исходными данными мы понимали длину образца 50 мм, задаваемая
деформация 8 %. Для данного исследуемого материала РМПЭ,
облученного дозой 25 Мрад. Эффект «памяти» работает на 50 %.
121
Рис. 70. Термодеформационные зависимости для РМПЭ. Без
термообработки: 1 – вырезанный параллельно и 2 – перпендикулярно оси
вытяжки: термообработанного РМПЭ; 3 – нагревание до 60 0С;
4 – до 80 0С; 5 – до 100 0С; 6 – 130 0С
Так, например, для двух кривых при деформациях 2 и 8 % мы
наблюдали уменьшение модуля во времени с шагом один
логарифмический порядок:
Необходимо отметить, что изменение модуля упругости на отрезке
времени от 1000 мин (17 ч.) до 100 000 мин (70 дней) и далее – очень
незначительно. Модули, соответствующие именно этим временам,
закладываются в конструкционные расчеты. Т. е. благодаря постоянству
значений модуля во времени оказываются постоянными величины
контактных давлений и сил прессовки в конструкции ПЗС.
Т а б л и ц а 16.
17 часов до 70 дней
ℓgt
(t,
мин)
Е 2 %,
МПа
Е 8 %,
МПа
122
Изменения модуля на отрезке времени от
-1
0
1
2
3
4
5
169
140
123
114
108
106
105
105
91
81
76
71
69
68
Значения модулей, о которых говорилось выше, рассчитывались без
учета влияния окружающей среды на материал конструкции, т. е. без учета
старения материала. Проведенные нами исследования показали, что
модуль является наиболее важной и чувствительной к старению
характеристикой полиэтилена. В разделе 3 были приведены результаты
сравнительного исследования старения РМПЭ, облученного дозой 25 Мрад,
в результате естественного старения в комнатных условиях при
температуре 13-250 0С в течение 1 года по показателю – начальный
модуль упругости. Изменения наблюдались лишь при температуре 200 0С
– приблизительно 10 %; при повышенных температурах это время
старения практически не отразилось в начальном модуле (изменение –
1-2 %).
Нами был поставлен эксперимент на искусственное старение того же
материала. Время старения – 1 месяц. Режим старения – жесткий. Через
сутки температура в камере с образцами менялась с -15 0С на +50 0С.
Состаренный таким образом материал испытывался в режиме релаксации
напряжений при температуре +20 0С. Задаваемая деформация была равна
8 % (аналогично испытаниям в разд. 11.3.3). В этом же режиме проводили
испытания на контрольном образце, находившемся месяц в естественных
условиях. Результаты экспериментов представлены на рис. 71. Таким
образом, можно говорить об уменьшении по абсолютной величине
значений релаксационного модуля упругости в результате старения.
Скорость изменения модуля во времени состарившегося образца заметно
меньше.
Нам не удалось провести аналогичный эксперимент с исходным ПЭ
(из-за отсутствия образцов), но очевидно, это старение сказывается на
изменении модуля исходного ПЭ аналогично РМПЭ, т. е. приводит к
уменьшению модуля. Вероятно, что изменения более сильное, т. к.
исходный ПЭ имеет менее жесткую структуру по сравнению с РМПЭ
имеющего поперечные сшивки. В расчеты по определению контактных
давлений и сил прессовки с учетом старения следует закладывать
значения модулей материалов кабеля и изолятора, полученных из
экспериментов на старение. Определенные значения контактного давления
(РК) и силы прессовки (Р) с учетом старения материалов при температуре
20 0С (аналогично расчетам в разделе 4 даются в сравнении со значениями
соответствующих величин, определенных без учета старения).
В результате старения значения РК и Р уменьшаются и соединение
элементов конструкции становится менее надежным. Гарантией
надежности конструкции может быть изменение формы внутреннего
отверстия изолятора, придание ей клинообразной формы осевого
поперечного сечения.
123
Т а б л и ц а 17
Контактное
давление и
сила прессовки
РК,МПа
РК,МПа
РК,МПа
Р,Н
Р,Н
Р,Н
rи, мм
6,0
6,2
6,4
6,0
6,2
6,4
Без учета
старения
1,88
1,08
0,35
1678
967
309
С учетом
старения
1,80
1,04
0,33
1601
933
295
Рис. 71. Временная зависимость релаксационного модуля упругости
при деформировании для РМПЭ1 – контрольный образец, 2 – состаренный
11.9. Определение формы внутреннего отверстия изолятора
Реальная конструкция ПЗС имеет цилиндрическую форму
внутреннего отверстия изолятора. При такой форме отверстия изолятор
достаточно легко скручивается приложенным моментом силы. Чтобы
этого избежать, целесообразно придать внутреннему отверстию изолятора
форму многоугольника. Нашей задачей было определение количества
сторон предполагаемого многоугольника, требуемое условие чтобы при
сборке ПЗС между элементом конструкции, имеющем в поперечнике
форму круга и элементом, имеющем в поперечнике многоугольник, не
было зазора, заполненного воздухом. На рис. 72 зазор вв1 должен
отсутствовать.
124
Рис. 72. Схема сборки элементов конструкции
Исходя из физико-механических особенностей материалов ПЗС,
характера поведения элементов конструкций при контакте двух ее
элементов (см. разд. 11.1.2) и производимых ранее в разделе 4 расчетов,
мы смогли рассчитать количество сторон многоугольного сечения
изолятора. Наши рассуждения соответствуют выкладкам в разделе 11.1.2 с
соответствующей иллюстрацией на рис. 52.
На рис. 72 точки а и в принадлежат изолятору, а точки а1 и
в1=кабелю. При выполнении условия задачи точки а и а1,в и в1 должны
совпадать.
После размораживания деформации изолятора (при закреплении его
на кабеле нагреванием ) с учетом сопротивления кабеля, радиус равен оа
=r1=rк-∆rк. В этих условиях сам изолятор в точке в имеет возможность
переместиться на величину ∆rи ,таким образом радиус ов = r2=rк-∆rк+∆rи.
Рассматривая треугольник аов, зная его две стороны, определяли угол
между ними φ и долее число сторон многоугольника
n=
360 0
.
2
Расчет количества сторон внутреннего отверстия изолятора по
сечениям при различных значениях δ в соответствии с расчетом в
разд. 11.4. Рассчитываемый многоугольник мы вписывали в окружность с
радиусом rи, равным 6; 6,2; 6,4 мм для I, II, IV и V сечений и радиусом rи,
равным 5; 5,5; 6 мм для III сечения. В последнем случае рассматривались
одновременно две ситуации. Первая подразумевает многоугольное сечение
при конусообразной форме внутреннего отверстия изолятора. Вторая –
когда разница между внутренним отверстием кабеля и внутренним
отверстием изолятора больше чем для сечения I, II, IV, V. Все расчеты
125
изложены в табл. 17. По результатам расчетов можно отметить, что
количество сторон многоугольника находится в зависимости от величины
зазора δ, чем оно больше, тем меньше сторон у многоугольника.
Экспериментальные исследования коррелируют с расчетными значениями
количества сторон n = 12. Но в соответствии с истинными размерами
элементов ПЗС (в том числе с величинами rи и δ), значение n может быть
выбрано по табл. 18.
Т а б л и ц а 18. Расчет количества сторон многоугольника
rи,
мм
δ,
мм
R,
мм
∆rК,
мм
6,0
6,0
6,0
6,0
6,2
6,2
6,2
6,2
6,4
6,4
6,4
6,4
5,0
5,5
6,0
0,5
0,5
0,5
0,5
0,3
0,3
0,3
0,3
0,1
0,1
0,1
0,1
1,5
1,0
0,5
9,0
17,7
26,0
8,5
9,0
17,7
26,0
8,5
9,0
17,7
26,0
8,5
21,7
21,7
21,7
0,109
0,167
0,173
0,099
0,060
0,097
0,104
0,054
0,019
0,032
0,034
0,016
0,597
0,372
0,174
∆rИ=δ∆rК,
мм
0,391
0,333
0,322
0,401
0,240
0,203
0,196
0,246
0,081
0,068
0,066
0,084
0,903
0,628
0,326
r1,
мм
r2,
мм
cosφ.
φ.
n
6,391
6,333
6,322
6,401
6,440
6,403
6,396
6,446
6,481
6,468
6,466
6,484
5,903
6,128
6,326
6,782
6,666
6,644
6,802
6,680
6,605
6,592
6,692
6,562
6,536
6,532
6,568
6,806
6,756
6,652
0,9423
0,9500
0,9515
0,9410
0,9641
0,9694
0,9703
0,9632
0,9876
0,9896
0,9899
0,9872
0,8673
0,9070
0,9510
19,6
18,2
17,9
19,8
15,4
14,2
14,0
15,6
9,0
8,3
8,2
9,2
29,8
24,9
18,0
9,0
10,0
10,0
9,0
12,0
13,0
13,0
10,0
20,0
22,0
22,0
20,0
6,0
7,0
10,0
Примечание: Значение ∆rК из табл. 8 округлены.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое «Эффект памяти» у композиционных материалов?
2. В чем основная сущность прессово-замковых соединейний?
3. Что собой представляет процесс «замораживания» образцов?
4. Как меняется модуль упругости в зависимости от степени
радиации?
5. Как влияет температура на величину модуля упругости исходного
ПЭ и радиационно-обработанного ПЭ?
6. Как меняется давление в зависимости от конфигурации отверстия
изолятора?
126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрение конструкции прессово-замковых соединений явилось
большой научно-исследовательской работой, включающей: анализ
конструкций с позиции сопротивления материалов; выбор и адаптация
теории Ламе к расчету взаимодействия двух толстостенных цилиндров,
собранных с предварительной посадкой; решение этой задачи с учетом
особенностей полимерных материалов. Даже в первом приближении
решение является значительным вкладом в практику внедрения полимеров
в различные сферы промышленности.
Получение
конкретного
результата,
а
именно,
усилия
удерживающего изолятор на кабеле, потребовало полного исследования
физико-механических свойств полимерных материалов, используемых в
конструкции. К ним относятся модуль упругости, коэффициент линейного
теплового
расширения,
коэффициент
поперечной
деформации,
коэффициент трения. Отдельные характеристики были определены с
учетом температуры и времени с учетом старения.
Все эти исследования были проведены как с материалов кабеля, так
и изолятора, обработанного радиационным излучением. Полученные
характеристики были использованы для решения конкретной задачи КПЗС
на основе размеров представленного образца. По разработанной
компьютерной программе были получены численные значения давления
между элементами конструкции ПЗС и трансформированы в величины
усилий, вызывающих смещение кабеля относительно изолятора при
вытаскивании кабеля и повороте кабеля относительно изолятора. Для
проверки или сравнения результатов экспериментально-теоретических
исследований были созданы приспособления для реального разрушения
системы изолятор-кабель. Полученные результаты хорошо сочетаются с
расчетными. Незначительная разница может быть обусловлена некоторым
различием материалов, из которых изготавливались образцы и материалов
реальных ПЗС. Расчетным путем была определена оптимальная форма
многоугольного сечения изолятора, которая рекомендуется для создания
модернизированной конструкции ПЗС.
Разработанный и проверенный экспериментально, теоретический
метод может быть использован для расчета конструкций ПЗС и подобных
им с использованием для их изготовления различных материалов.
Модернизированная
конструкция
ПЗС,
лишенная
недостатков
существующей конструкции КПЗС, значительно увеличила качество и
надежность кабельных соединений во время аварийных и монтажных
работ.
Настоящее учебное пособие является попыткой автора, основываясь
на законах системных исследований, автодидактики и гармонии познания,
127
разработать учебный модуль, который объединил воедино изучение
физико-механических характеристик с одновременным их использованием
в решении инженерных задач. Одна из рассмотренных задач может быть
типичной как для инженеров - конструкторов, строителей,
электротехников, так и для инженеров - технологов, химиков-технологов,
создающих новые композиционные материалы. Особую пользу данное
пособие может оказать будущим специалистам по интерьеру, так как оно
раскрывает главные причины образования трещин, нарушения
сплошности, возникновения температурных и усадочных напряжений.
Одновременно необходимо отметить, что самые современные учебники по
материаловедению строительных материалов не содержат сведений о роли
адгезии при формировании конструкции "наполнитель-связующее";
практически отсутствуют сведения о коэффициенте линейного теплового
расширения. Настоящее пособие компенсирует этот недостаток.
Описанные аппаратура и методика дают студентам возможность провести
самостоятельные исследования и получить необходимые механические
характеристики.
План-проект пособия как научный модуль был рассмотрен на секции
"Дизайн пространственной среды и архитектурный дизайн" на Первой
всероссийской научно-практической конференции "Дизайн в России.
Проблемы теории и практики".
128
Библиографический список
1. А. с. 349396 СССР, МПК6 . Пломбировочный материал для
корневых каналов зуба / А. И. Рыбаков [и др.]. – № 1600710/31-16; заявл.
17.09.70; опубл. 04.09.72, Бюл. № 26.
2. А. с. 340415 СССР, МПК6 A 61 C 19/04. Релаксометр для
стоматологических материалов/ В. А. Дунаевский [и др.]. - № 1608059/31-16;
заявл. 25.12.70; опубл. 05.06.72, Бюл. № 18.
3. А. с. 300182 СССР, МПК6 A 61 C 13/02. Способ определения
усадки материалов / А. И. Рыбаков [и др.].- № 1399757/31-16; заявл. 23.01.70;
опубл. 07.04.71, Бюл. № 13.
4. А. с. 607570 СССР, МПК 5 A 61 K 5/01. Стоматологический
пломбировочный материал/ М. З. Штейнгарт [и др.]. - № 2401672/28-13;
заявл. 15.09.76; опубл. 25.05.78, Бюл. № 19.
5. А. с. 745114 СССР. Устройство для изготовления слоистого
длинномерного материала / Е. Н. Петров [и др.]; заявл. 02.06.78.
6. А. с. 922575 СССР, МПК5 G 01 N 3/00. Устройство для испытания
образцов материалов/ Е. Н. Петров [и др.]. - № 2564664/25-28; Заявл.
03.01.78; опубл. 23.04.82, Бюл. № 15.
7. А. с. 313088 СССР, МПК6 G 01 D 21/00. Устройство для испытания
стоматологических материалов на твердость и сжатие / Е. Н. Петров [и др.]. № 1432856(31-16); заявл. 07.05.1970; опубл. 31.08.71, Бюл. № 26.
8. А. с. 378757 СССР, МПК6 G 01 N 19/04, A 61 C 19/00. Устройство
для определения адгезионных свойств стоматологических материалов/
М. 3. Штейнгарт [и др.]. - № 1674873/31-16; заявл. 29.06.71; опубл. 18.04.73,
Бюл. № 19.
9. Асмол и новые изоляционные материалы для подземных
трубопроводов /Н. М. Черкасов [и др.]. – М.: Недра, 2005. – 204 с.
10. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. – 607 с.
11. Влияние температурного режима литья под давлением на
технологические и физико-механические свойства наполненного полиэтилена
низкой плотности / В. М. Листков [и др.] // Переработка пластических
материалов: матер. семинара общества "Знание" ЛДНТИ.- Л., 1969. - С. 22 30.
12. Горовой Б.Я. Методика и аппаратура для системного исследования
пломбировочных материалов / Б. Я. Горовой, Е. Н. Петров, М. З. Штейнгарт
// Медицинская техника.- 1969.- № 2.- С. 36 - 40.
13. Киреева Ю. И. Строительные материалы и изделия: лабораторный
практикум / Ю. И. Киреева, О. В. Лазаренко. - Минск: Дизайн ПРО, 1998. 78 с.
14. Князев В.К. Облученный полиэтилен в технике/ В. К. Князев,
Н. А. Сидоров.- М.: Химия,1974. – 373 с.
129
15. Материаловедение. Технология конструкционных материалов :
учебное пособие / под ред. В.С. Чередниченко. - М.: Омега-Л, 2008. - 751 с.
16. Мэттьюз Ф. Композитные материалы. Механика и технология:
учебник / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс. - М.: Техносфера, 2004. - 406 с.
17. Определение усадки полимерных материалов медицинского
назначения / П.В. Мелентьев // Повышение эффективности производства в
отраслях текстильной и легкой промышленности: межвуз. сб. науч. тр.
ЛИТЛП им. СМ. Кирова. - Л., 1979. – С. 7 – 10.
18. Основы технологии переработки пластмасс: учеб. для студентов
вузов/ С. В. Власов [и др.]. - М.: Химия, 2004. – 596 с.
19. Петров Е. Н. Определение температурных напряжений в
полимерных материалах холодного отверждения/ Е. Н. Петров, В. Г. Роот //
Сб. науч. тр. ЛМИ. - Л., 1981. - Вып. 5. - С. 63 - 68.
20. Петров Е. Н. Оптимизация процессов познания // Молодежь России:
потерянное поколение или надежда XXI века?: материалы Российской
ювенологической научно-практической конференции, Санкт-Петербург,
27-28 марта 1998 г.: в 2-х ч. - СПб.: СПГУТД, 1998. – Ч. 1. – С. 319 - 321.
21. Повышение качества деталей из модифицированных полимеров,
получаемых холодным отверждением /
Е. Н. Петров [и др.]
//Модифицирование термо пластичных и термореактивных полимеров и
влияние его на ассортимент и качество изделий: матер, семинара.Л.: ЛДНТП, 1981. - С. 20 - 24.
22. Производство изделий из полимерных материалов : учеб. пособие /
В.К. Крыжановский [и др.]. - СПб.: Профессия, 2004. - 460 с.
23. Процессы старения некоторых полимеров и пути повышения их
деформационной устойчивости/ П.В. Мелентьев [и др.] // Медицинская
техника. - 1971.- № 5.-С. 33-36.
24. Строительные материалы: учебник / В.Г. Микульский [и др.]. - М. :
Изд-во Ассоц. строит. вузов, 1996. - 488 с.
25. Устройство для измерения усадки изделий из армированных
полимеров/ Е. Н. Петров [и др.] // Сб. матер. ЛДНТП. - Л., 1978. - С. 98 - 101.
26. Худяков В. А.
Современные композиционные строительные
материалы : учебное пособие / В. А. Худяков, А. П. Прошин, С. Н.
Кислицына. – М.: Изд-во Ассоц. строит. вузов, 2006. - 141 с.
27. Чарлэби А. Ядерные излучения и полимеры. – М.:Издатинлит,1962.
– 522 с.
130
Оглавление
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
3.
4.
4.1.
4.2.
4.3.
5.
6
6.1.
Введение
Современные композиционные материалы……….................
Полимерные
композиционные
материалы
и
их
классификация…………………………………………………
Основы производства полимерных материалов……………..
Характеристика композиционных
материалов на
полимерной основе……………………………………………
Комплексный подход к изучению термодеформационных
характеристик композиционных материалов ……………. ..
Определение усадки материалов в процессе их
отверждения и способы ее уменьшения……………………..
Существующая методика и аппаратура для исследования
усадки полимерных материалов………………………………
Установка
и
методика
исследования
усадки
самотвердеющих строительных растворов и полимерных
материалов холодного отверждения …………………………
Влияние давления при формовании изделия(образца) на
величину эксплуатационной усадки………………………….
Определение усадки лакокрасочных материалов…………...
Изготовление образцов для испытаний. Технологическая
ориентация структуры материала…………………………….
Определение
коэффициента
линейного
теплового
расширения и остаточных температурных деформаций……
Обзор и анализ существующей методики по исследованию
коэффициента линейного теплового расширения …………..
Исследование
влияния
давления
со
стороны
измерительного
устройства
на
температурную
деформацию и коэффициент линейного теплового
расширения……………………………………………………..
Влияние технологических особенностей при изготовлении
изделий (образцов) на величину и характер температурных
деформаций…………………………………………………….
Экспериментальное исследование температурных режимов
в композиционных материалах……………………………….
Определение модуля
упругости и коэффициента
поперечной деформации………………………………………
Определение модуля упругости лакокрасочных покрытий ..
4
7
7
8
11
14
15
15
17
22
24
27
29
29
37
41
48
51
57
131
7.
8
8.1.
8.2.
9.
10.
10.1.
11.
11.1.1.
11.1.2.
11.2.
11.3.
11.3.1.
11.3.2.
11.3.3.
11.3.4.
11.4.
11.5.
11.6.
132
Определение напряжений на границе между элементами в
конструкции……………………………………………………
Определение
напряжений
при
изометрическом
нагреве………………………………………………………….
Принцип создания не расширяющихся композиционных
материалов……………………………………………………..
Температурные и усадочные напряжения в технологии
использования рулонных и пленочных композиционных
материалов……………………………………………………...
Определение напряжений поляризационно-оптическим
методом…………………………………………………………
Определение адгезии материалов…………………………….
Определение технологических параметров мозаичных
работ (расход материалов и величина адгезии)……………...
Решение одной из задач по расчету прессово-замковых
соединений(ПЗС)из
исходного
и
радиационномодифицированного полиэтилена(РМПЭ)…………………..
Прессово-замковые соединения из композиционных
материалов……………………………………………………..
Анализ конструкций прессово-замковых соединений(ПЗС)
с
использованием
термопластических
материалов
(ТПМ).Общее решение одной из задач ПЗС и определение
перечня физико-механических характеристик исходного и
радиационно-модифицированного полиэтилена(РЭМП)…...
Выбор
оборудования
(приборов,
установок)
для
проведения испытаний………………………………………...
Проведение испытаний образцов исходного ПЭ и РМПЭ с
целью получения физико-механических характеристик……
Определение
коэффициента
линейного
теплового
расширения……………………………………………………..
Определение коэффициента поперечной деформации……...
Определение модуля упругости………………………………
Определение коэффициента трения………………………….
Приближенное решение одной из задач КПЗС с учетом
полученных характеристик……………………………………
Проведение
экспериментальных
и
сравнительных
исследований на реальных ПЗС………………………………
Определение диапазона обратимых деформаций ПЭ в
различных состояниях…………………………………………
62
69
75
77
79
83
86
90
90
92
95
97
97
99
100
106
107
113
115
11.7.
11.8.
11.9.
Определение влияния дозы облучения на усилие прессовки
и деформации…………………………………………………..
Определение условий «устойчивости» замороженных
образцов………………………………………………………...
Определение формы внутреннего отверстия изолятора ……
Заключение……………………………………………………..
Библиографический список…………………………………...
117
119
124
127
129
133
Учебное издание
Петров Евгений Николаевич
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Оригинал-макет изготовлен автором и издан а авторской редакции
Подписано в печать 01.10.13
Формат 60х84 1/10. Усл. печ. л. 7,8.
Тираж 100 экз. Заказ 216/13.
Электронный адрес: http://publish.sutd.ru
Отпечатано в типографии ФГБОУВПО «СПГУТД»
191028, С.-Петербург, ул. Моховая, 26
134
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
61
Размер файла
4 997 Кб
Теги
termodefhar, 2013
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа