СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕСТКИХ ПЕНОПЛАСТОВ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ

Особенности разрушения жестких пенопладтов обусловлены спецификсй их ячеистого строения /4, 197/. В частности, сильное влияние на прочностные свойства оказывает неоднородность материала по различ­ным параметрам ячеистой структуры /197/. Однако, по этому вопросу в литературе имеется весьма ограниченное количество данных. Поэто­му в настоящем разделе на основе статистической модели ячеистой структуры выполнено исследование характера разрушения жестких лёг­ких пенопластов при одноосном растяжении.

Остановимся прежде всего на основных гипотежах предложенной

Нами модели. Жесткие пенопласты низкой кажущейся плотности ( 3

70 кг/м ) имеют полиэдрическую форму ячеек, причём основная масса полимера-основы сосредоточена в тяжах и лишь у замкнутопористых пенополимеров небольшая часть (5...15$) - в стенках ячеек. Тяжи не искривлены и входят своими концами в узлы. Длина тяжей существенно, превышает их толщину. Тяжи довольно равномерно распределены по раз­личным направлениям. Поэтому модель ячеистой структуры пенопласта представляем в виде наклонных тяжей, работающих в режиме продольно- -поперечного изгиба. Каждому тяжу соответствует определённый объём порового пространства, который можно принять одинаковым для различ­ных тяжей, а прочность элемента такой структуры (э определяется отношением разрушающей нагрузки при продольно-поперечном изгибе тя­жа к площади поперечного сечения соответствующего элемента структу­ры. Тогда начало разрушения материала будет определяться прочностью наиболее слабого элемента. Разрушение тяжей до разрыва образца про­исходит по объёму равномерно и это даёт возможность ограничиться

Рассмотрением произвольного сечения образца. Наконец, предполагаем мгновенное (по сравнению с длительностью разрушения образца) пере-

- 200 -

Распределение нагрузки от разрушенных тяжей на соседние. Считаем» что в сечении на тяжи действуют одинаковые нагрузки, а прочность тяжей в сечении распределена по нормальному закону. Как было по­казано нами ранее /154/» такое распределение часто характерно как для стенок ячеек, так и для тяжей.

Расчёт прочности пеноматериала при одноосном растяжении исходя из предложенной модели представлен нами в работе /153/ и поэтому под­робное изложение его здесь не приводится. Методика расчёта прочнос­ти аналогична изложенной в /227/ и основана на учёте повреждений, возникающих в образце перед окончательным разрушением.

В результате этих расчётов нами была получена /153/ формула дл? определения прочности при растяжении жестких пенопластов:

(5= Кв(1 -/^Е ).о?.(1 г ) + 0,5 J; (4.2б)

Где:0- среднее значение прочности ячеек;

ЪО - - коэффициент вариации;

Ф( 2" ) - функция Лапласа;

Г*

Кв = I/ (I - ji ^ "" попРавочный коэффициент к форму­

Ле Вейбулла для базового образщ пенопласта;

/р'азр - площадь образца в сечении, занимаемая тяжами, от­стоящими на глубину до от поверхности среза; / - общая площадь поперечного сечения образца; ^ - доля разрушенных тяжей в поверхностном слое на глубину до d от поверхности среза; причём показано /153/, что параметры, характеризующие распределение прочности пенополимеров, могут быть найдены из формулы, аналогичной полученной для эластичных пенополимеров (4.19).

Было выполнено сопоставление результатов расчёта с данными пря­мого эксперимента /153/. Для испытаний взяты жесткие пенопласты

Заливочного типа - пенополиуретан ППУ-319 и пенополикарбодиимид ГЩ-I, характеристики которых представлены в таблице 4,2.

Испытания проводили при температуре 293К, Образцы для испыта­ний в форме двойной лопаточки с размерами рабочей части 25 хЮ х50мм вырезали из середины блоков размерами ~I00Q xIOOQ хЮО мм. Проч­ность пенопластов определяли на испытательной машине типа БРП-5-3 при скорости деформации 0,0016 с. На одну экспериментальную точку при испытании на растяжение брали по 100 образцов. Коэффици­ент вариации при этом составил 14,9$ у ППУ-319 и 35,7$ у ПНД-1. Для оценки влияния масштабного фактора на прочность пенопласта вы­резали также образцы в форме двойной лопаточки с размерами рабо­чей части 25x3x50 мм и 25 х5 х50 им.

- 202 -

Оказалось, что экспериментальные данные для жестких пенопластов хорошо описываются распределением Вейбулла:

Fog fn J ----------- I = <? + 6 % (6"- (sminy, (4.27)

/ i - p (©)_/ '

Где: $ - показатель однородности;

Р(<Э) - вероятность разрушения при напряжении (э ; ^ » ®'min ~ параметры материала.

В качестве примера на рис. 4.17 представлено распределение прочности ППУ-319 при одноосном растяжении, полученное методом пос­ледовательных приближений. Из представленных экспериментальных дан­ных были расчитаны значения показателя однородности 5 , а также параметров (3'min и <Далее был найден аргумент % в функции Лапла­са при максимальном значении правой части в формуле (4.26), котороку соответствует критическая разрушенная площадь образца по отношению к первоначальной I - §(.?) + 0,5^ и эффективный коэффициент ис­пользования площади (I ) + 0,5^. Найденные значения пред­ставлены в таблице 4.2.

Из таблицы 4.2 видно, что гетерогенность жестких пенопластов близка к гетерогенности бетона и стеклопластика {3=3) ив 30 раз выше, чем у стали {6 ~ 60) /227/. Разрушенная площадь образца перед разрывом и эффективный коэффициент использования площади у ППУ-319 оказались близки к их значениям у стеклопластиков /227/, в то вре­мя как у ПКД-1 разрушенная площадь образца перед разрывом оказа­лась несколько выше.

Для определения влияния масштабного фактора на прочность пено- материала по результатам испытаний базовых образцов (с размерами в рабочей части 25 хЮ х50 мм) с помощью формулы Вейбулла была расчи - тана /153/ зависимость (о от толщины образца (рис. 4.18). Из рис. 4.18 видно, что прочность ПКД-I, расчитанная по формуле Вей­булла, с уменьшением толщины образца должна резко увеличиться, в

Рис. кЛ7. Зависимость ьероятности разрушения ППУ-319 от разру iijasjщс!:о lidupHiiictiiia при растяжении ь координатах Вейбулла.

Го время как прямой эксперимент даёт противоположный результат - - прочность резко снижается.

Определим влияние масштабного фактора на прочность жестких пе­нопластов с учётом разрушения части тяжей на поверхности образца. Очевидно, что тяжи, прилегающие к поверхности среза, будут разру­шены, в то время как отстоящие от среза на расстоянии более длины тяжа of при вырезке образца сохраняются. Тогда доля разрушенных тяжей в поверхностном слое на глубину до CL обозначим через Л.

Для определения параметра были использованы дополнительные результаты испытаний образцов ПКД-I с сечением ( ^ = 5 мм), отлич­ным от сечения базового образца ( А = 10мм) /153/- Оказалось, что при©^= 0,9 расчётное и опытное значения (э совпадают, то-есть степень повреждённости тяжей в поверхностном слое на глубину до d у жесткого пенопласта составляет X - 0,9. Подставляя полученное знаг чние ol, в (4.26), получаем расчётную зависимость прочности от тол­щины образца с размерами рабочей части 25 х/г х50 мм (рис.4.18). Из рис. 4.18 видно, что с уменьшением толщины образца до 3 мм рас­чётное значение прочности ПКД-I не только не увеличивается, но рез­ко снижается. Сравнение расчитанных по формуле (4.26) и опытных данных (рис.4.18) свидетельствует об удовлетворительном их соот­ветствии.

Таким образом, выполненные статистические исследования жестких пенопластов позволили определить степень повреждённости образцов перед их разрушением и найти эффективный коэффициент использования

Площади. Выявлен закон распределения прочности при одноосном растяь

*

Жении жестких пенопластов. Установлен обратный эффект влияния мас­штабного фактора на прочность пенопластов по сравнению с монолит­ными материалами.