Особенности механического поведения пенополиуретана при Длительном нагружении
Развитие кинетической концепции обязано в первую очередь фундаментальным работам школы С. Н. Журкова. Первоначально был установлен универсальный характер временной зависимости прочности [уравнения (2.5)], т. е. для разрушения материала необходимо время, в течение которого в нагруженном теле протекают процессы, приводящие к его разделению на части. Позже возникла концепция о механическом разрушении полимеров, как их термомеханической деструкции. Она явилась результатом трактовки физического смысла константы UQ В известной формуле Журкова для долговечности [3-5]:
(ЗЛ)
Где т - время до разрушения (долговечность); То - период колебания кинетических единиц; U - эффективная энергия активации; Uo - начальная энергия активации; ■/ ~~ структурно - чувствительная константа; R - универсальная газовая постоянная; а - напряжение; Т - температура.
Структура формулы говорит о том, что вклад нагрузки в разрушение связей отражается величиной у 'а (работа механического поля), а остальную часть работы производит тепловое движение, доля которого равна U, согласно формуле U=U о-У Фундаментальную трактовку получили две константы i/o и U о. Оказалось, что для различных тел то=10"12-г10*13 с. Это близко к периоду колебаний атомов. A Uo для металлов совпадает с энергией их испарения (или сублимации), т. е. энергией разрыва связей одного атома со всеми соседями. Следует отметить, что для полимерных тел такие простые соотношения не пригодны, так как их механическое разрушение есть термохимическая деструкция, лишь ускоренная механическим полем. Следовательно, величина
Uo равна энергии активации термодеструкции Еа и различается для разных карбоцепных полимеров из-за различия кинетики их деструкции [3-5].
Таким образом, при любых температурах механическое разрушение является происходящим во времени механотермическим процессом, реализуемым через элементарные акты разрыва межатомных (химических) связей. Время само по себе роли не играет, оно лишь увеличивает количество тепловых флуктуаций, необходимых для реализации тех процессов разрыва связей, которые препятствуют критическому событию. При этом время
Ожидания критического события равно ткр = т^ ехр-^. Однако это событие
Может не наступить, так как благодаря тепловому движению разорванные связи рекомбинируются.
В механическом поле процесс разрыва связей ускоряется. При этом роль нагрузки заключается в уменьшении энергии связей (и соответственно энергии активации, которая ей пропорциональна), изменении расстояния между кинетическими единицами, а также в фиксации их перемещений, в частности в затруднении рекомбинации радикалов. Итак, направленность приложенной силы обеспечивает необратимость процесса вследствие накопления этих разрывов. Во всем диапазоне приложенных нагрузок произведение уа оказалась значительно меньше U о. Следовательно, главный разрушающий фактор - это тепловые флуктуации, т. е. энергия разрушения тела в большей мере черпается из запаса тепловой энергии, чем из работы внешних сил [3,5].
Из формулы (3.1) вытекает неизменность состояния вещества и постоянство констант во всем диапазоне температур и нагрузок. Для каждого вещества существует предельная температура, достигнув которой происходит распад его на фрагменты. Этой предельной температуре отвечает положение полюса. Френкелем С. Я. в предисловии к монографии Бартенева Г. М. "Прочность и механизм разрушения полимеров" дано обоснование того, что l/T^O и т^Ю"13 с. Так как U не является истинной энергией активации, а у чувствительна к структуре, то из разложения в ряд функции U (Т, а) следует зависимость обеих констант от температуры. По мнению Френкеля С. Я. т! т соответствует колебаниям химически несвязанных атомов или молекул в реальных решётках. Структура полимера дискретна, т. е. в реальный процесс разрушения «завязаны» разные релаксационные процессы, определяемые перемещением или распадом элементов структуры разной величины. Поэтому т! т оказывается размещенным в большом диапазоне времен, а не равно 10"13 с. [5].
В формуле (3.1) должна быть четвёртая константа Т^ [5], что не отражается ни на трактовке роли и вклада теплового движения и работы внешних сил, ни на физическом смысле U 'о, у1, смотри уравнение (1.11).
При исследовании ряда строительных материалов
(цементностружечных, древесностружечных и древесноволокнистых плит, битумных мастик и кровельных битумно-полимерных материалов, стеклопластиков) на долговечность были получены зависимости линейного характера, в виде «обратного пучка», для описания, которых В. П. Ярцевым предложены уравнения (2.6-2.11) [14, 34, 57]. Коэффициенты, входящие в эти уравнения не имеют физического смысла, однако могут использоваться для прогнозирования долговечности, прочности (предела вынужденной эластичности) и термостойкости (теплостойкости) при разрушении (деформировании) вышеперечисленных материалов в широком диапазоне нагрузок, температур и времени эксплуатации.
