Процессы разрушения и релаксации в полиметиметакрилате при импульсных воздействиях 02. 00. 06 высокомолекулярные воздействия

Вид материала

Автореферат

Содержание Официальные оппоненты Шетов Руслан Адибович Общая характеристика работы Целью работы Научная новизна. Практическая значимость работы. Основные положения Основное содержание работы В первой главе Во второй главе Третья глава Таблица 1. Прочностные и теплофизические характеристики материалов мишени и ударника. Таблица 2. Зависимость скорости контактной поверхности и напряжения от времени. В четвертой главе Во втором разделе этой главы Таблица 4. Активационные параметры процесса релаксации γ и γ в ПММА. В третьем разделе четвертой главы Публикации по теме диссертации

Подобный материал:

• Влияние концентраторов напряжений на кинетику разрушения листовой нержавеющей стали, 75.78kb.
• Реферат Построена кинетическая теория релаксации в мицеллярных растворах выше ккм, 59.78kb.
• К. Э. Циолковский о механизмах воздействия солнечной активности, 150.12kb.
• Конспект лекций Утверждено редакционно-издательским советом университета Омск 2002, 466.51kb.
• Вероятностный фактор при численном моделировании динамического разрушения, 73.07kb.
• Казаков Леонид Николаевич Правообладатель: Государственное образовательное учреждение, 13.22kb.
• Оценка физиологического состояния рыб объектов аквакультуры при различных стрессорных, 344.44kb.
• Убликация доклада(ов) Заказчика в сборнике докладов XV международной научной конференции, 48.75kb.
• Лекции 05. 09. 11. Технологии речевого воздействия в современном мире. Эффективность, 44.73kb.
• 2. Исследование и анализ внешней среды организации, 182.9kb.

На правах рукописи


Торшхоева Зейнап Султановна


ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ

В ПОЛИМЕТИМЕТАКРИЛАТЕ

ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ


02.00.06 – высокомолекулярные воздействия


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико – математических наук


НАЛЬЧИК - 2011


Работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова


Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Кунижев Борис Иналович


Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Никитин Лев Николаевич


кандидат физико-математических наук,

доцент Шетов Руслан Адибович


Ведущая организация: Технологический институт Южного

Федерального университета в г. Таганроге


Защита диссертации состоится 27 января 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.09 в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, ауд. № 322


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова


Автореферат разослан____декабря 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Борукаев Т.А.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность проблемы.

В настоящее время существует большое разнообразие полимерных материалов, которые широко используются в качестве конструкционных, тепло- и электроизоляционных материалов. Это связано с тем, что они обладают эластичностью, прочностью при ударе, специфическими электрическими свойствами, высокой стойкостью к воздействию различных активных сред.

При получении, переработке и исследовании полимерных материалов используются самые разнообразные методы и технологические приемы. Большинство методов основано на энергетических воздействиях. Такие методы позволяют определить теплофизические свойства, исследовать в полимерах переходные процессы при таких воздействиях, получать необходимые сведения для установления уравнений состояния и модифицировать полимерные материалы.

Существует обширная литература, посвященная общим вопросам взаимодействия лазерного излучения с металлами и керамическими материалами. При этом на данный момент недостаточно публикаций, посвященных специфике лазерного воздействия на полимерные материалы. Поэтому актуальной задачей данной работы является исследование лазерного воздействия на полимерные материалы. Известно, что лазерное воздействие и высокоскоростной удар вызывают не только изменение структуры, но и разрушение полимерных материалов с образованием кратеров. Причем, как показывают расчеты, разрушающее воздействие лазерного излучения превышает разрушающее действие высокоскоростного удара при одинаковых энергиях воздействия. Такие исследования имеют большое значение для создания условий, связанных с проектированием высокоэнергетических установок, работающих под воздействием интенсивных динамических нагрузок.

Объектом исследования в данной работе является полиметилметакрилат (ПММА). Получение экспериментальных данных по динамической прочности ПММА актуально для решения многих задач в самых различных областях народного хозяйства.

Полиметилметакрилат является одним из самых технологичных полимерных материалов и, как конструкционный материал, широко используется и при проведении взрывных исследований, служит идеальным материалом для создания оболочек слоистых сферических мишеней, при решении перспективных задач управляемого ядерного синтеза, в различных установках, связанных с космическими аппаратами и установками.

Самостоятельный научный интерес представляет проблема исследования влияния лазерного воздействия на релаксационные свойства ПММА – материала, широко используемого в различных конструкциях, работающих в условиях лазерного воздействия. В связи с этим актуальной задачей физики высокомолекулярных соединений также является исследование релаксационных свойств полиметилметакрилата, облученного лазерным воздействием.


Целью работы является комплексное исследование влияния различных видов динамического воздействия на полиметилметакрилат, как хрупкого прозрачного материала, широко используемого на практике и подвергающегося в процессе эксплуатации различным силовым и тепловым нагрузкам.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- моделирование процессов разрушения хрупких мишеней при ударном высокоскоростном и лазерном воздействиях;

- исследование и построение зависимости осевого напряжения в мишени из полиметилметакрилата от времени и глубины проникания лазерного импульса;

- исследование возможных механизмов разрушения ПММА при лазерном воздействии;

- сопоставление результатов лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара на мишень из ПММА;

- исследование влияния лазерного облучения на релаксационные процессы в ПММА в широком температурно-частотном интервале.


Научная новизна.

- моделирование процессов разрушения хрупких мишеней при ударном высокоскоростном и лазерном воздействиях;

- исследование и построение зависимости осевого напряжения в мишени из полиметилметакрилата от времени и глубины проникания лазерного импульса;

- исследование возможных механизмов разрушения ПММА при лазерном воздействии;

- сопоставление результатов лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара на мишень из ПММА;

- исследование влияния лазерного облучения на релаксационные процессы в ПММА в широком температурно-частотном интервале.

Практическая значимость работы.

Результаты работы заложены в банк данных института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН г.Москва, института проблем химической физики ИПХФ РАН г.Черноголовка, КБГУ, ИНГГУ, ГУ «ВГИ», и в других научных центрах, занимающихся физикой и химией высоких плотностей энергии и используются для построения широкодиапазонных уравнений состояния полимерных материалов в экстремальных условиях.

Результаты, полученные в работе, используются в Высокогорном геофизическом институте и Государственном учреждении «Северо-Кавказская служба по активному воздействию на метереологические и другие геофизические процессы» для исследования процессов разрушения градовых образований, горных пород и льда, содержащих примеси, лазерным воздействием.

Материалы диссертации используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Физика полимеров» и «Уравнения состояния вещества» для студентов старших курсов физического факультета КБГУ и физико-математического факультета ИнгГУ.


Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамика разрушения хрупких материалов, полученная теоретическим рассмотрением и экспериментальными исследованиями.

2. Обнаруженные изменения характера кратерообразования и процесса разрушения ПММА при импульсном лазерном воздействии по сравнению с высокоскоростным ударом при одних и тех же значениях энергии воздействия. Отсутствие лицевого откола и появление тыльного откола в случае лазерного динамического разрушения мишени. Предложенные физические механизмы, объясняющие эти явления.

3. Исследованные зависимости осевого напряжения в мишени из полиметилметакрилата от времени и глубины проникания лазерного импульса;

4. Построенные температурные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ПММА при различных частотах исходного образца ПММА, по истечении 30 часов после облучения и двух месяцев после лазерного облучения.

5. Предложенные механизмы, объясняющие возникновение необратимых изменений диэлектрических параметров ε^’ и tg δ изученных образцов ПММА под влиянием динамических воздействий, создаваемых наносекундными лазерными импульсами.


Апробация полученных результатов.

1. 
   На Малом полимерном конгрессе. Москва, 2005.
   
2. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2006.
   
3. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2007
   
4. На III Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2007.
   
5. На III Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах». Санкт-Петербург, 2007.
   
6. На IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2008.
   
7. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2008.
   
8. На V Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2009.
   
9. На 30-й Юбилейной международной коференции «Композиционные материалы в промышленности». Ялта, Крым, 2010.
   
10. На VI Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2010.
    
11. На Международной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2010.
    
12. На Международной конференция «Инновационные технологии в производстве». Грозный,2010.
    

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы включает 129 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков, 21 таблицу. Список литературы содержит 93 наименования.


Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе две статьи в рецензируемых журналах и изданиях.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, раскрываются научная новизна и практическая значимость исследований, определены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен литературный обзор работ, посвященных исследованию по исследованию поведения полимерных материалов при различных видах импульсного воздействия.

Показано, что процессы разрушения и кратерообразования в хрупких материалах характеризуются рядом существенных особенностей по сравнению с металлами. Большой интерес вызывает детальное рассмотрение процессов разрушения полимеров на примере полиметилметакрилата при высокоскоростном нагружении и лазерном облучении. Проведено сравнение с известными формулами для сверхглубокого проникания и получено выражение для предельной скорости, выше которой происходит полное разрушение ударника и образование кратера. Исследованы возможные механизмы разрушения ПММА при лазерном облучении и показано, что пространственное разрушение происходит по-разному, в зависимости от интенсивности лазерного воздействия. Проанализированы и исследованы релаксационные процессы в полимерах и показано, что практически все свойства полимеров определяются типом и степенью преобладания того или иного механизма теплового движения.

Во второй главе описаны современные методы импульсного воздействия на полимерные материалы. Для исследования молекулярной релаксации в полимерах использован метод диэлектрических потерь, который является наиболее чувствительным методом и позволяет измерить диэлектрические потери в широком диапазоне температур и частот и установить закономерности релаксационных процессов. В качестве модельного полимера использован полиметилметакрилат, который, обладая высокой прозрачностью, является самым прочным полимерным материалом по отношению к лазерному воздействию.

Третья глава посвящена исследованию процессов кратерообразования и разрушения полимерных материалов при высокоскоростном ударе и лазерном облучении.

При импульсном воздействии того или иного рода, общая схема развития гидродинамических процессов в каждом случае остается одинаковой: создание области сжатия материала мишени, генерация ударной волны, деструкция мишени волнами разгрузки от свободных поверхностей. Идентичность происходящих процессов при разных видах воздействий позволяет моделировать эти воздействия различными методами. Например, в целях детального рассмотрения процесса разрушения мишени из полиметилметакрилата при высокоскоростном нагружении мы провели серию расчетов с помощью методов численного моделирования. Расчеты осуществлялись в двухмерной постановке в координатах Лагранжа по схеме «крест». Используемый алгоритм позволяет учитывать следующие физические процессы: упругопластическое течение материала, его прочность, разрушение под действием разрушающих напряжений, теплофизические процессы. В расчеты вводились следующие параметры: модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона μ, предел текучести σ_Т, разрушающее напряжение при растягивании σ_р. Использованные значения этих параметров приведены в таблице 1. Ударник задавался в виде цилиндра диаметром 8мм и длиной 10мм.


Таблица 1. Прочностные и теплофизические характеристики

материалов мишени и ударника.

			Е, ГПа		ГПА	ГПа
ПММА	2,59	1,51	3,0	0,436	0,047	0,08
ПЭ	2,9	1,49	2,5	-	0,014	1,0

Окончание численного эксперимента определялось из следующих соображений:

- исследуемые явления к этому времени должны в основном завершиться и, в частности, должен закончиться процесс отделения центрального осколка, о чем свидетельствует выход изолиний удельного объема трещин на лицевую поверхность мишени;

- начинается сильное искажение расчетной области в силу возникновения больших деформаций, что приводит к очень сильному замедлению численного эксперимента, так что дальнейшее его продолжение становится нецелесообразным (второе условие достигается значительно позднее, чем первое).

В результате численного эксперимента были получены поля напряжений; графики зависимости скорости контактной поверхности от времени; поля разрушения, исходя из критерия .

Из полученных результатов сделаны следующие выводы:

- Скорость контактной поверхности почти сразу устанавливается около 1км/с, затем падает до нуля через 5мкс, далее принимает отрицательные значения (таблица 2).

- Напряжение на контактной поверхности скачком достигает 3,41 ГПа и начинает падать, далее устанавливается напряжение 1,0ГПа, что соответствует, по видимому, режиму гидродинамического течения, и через 8мкс падает до нуля (таблица 2).

Волна сжатия очень слабо распространяется в радиальном направлении, что связано с интерференцией волн сжатия и разгрузки от свободной лицевой поверхности мишени. Поэтому поле сжатия имеет почти цилиндрическую форму (рис.1).


Таблица 2. Зависимость скорости контактной поверхности

и напряжения от времени.

t, мкс	0,4	1	2	3	4	5	6	7	8
	1	0,9	0,75	0,5	0,24	0	-0,12	-0,25	-0,32
,ГПа	3,41	2,23	1,02	1,03	1,01	0,99	0,75	0,42	0

Скорость ударной волны, согласно полю напряжений сжатия равна (4,0±0,2)км/с, что согласуется с фотографиями скоростной фоторегистриру-ющей установки.

- Через 2мкс появляются растягивающие напряжения на глубине 8мм, достигая значения 0,05 ГПа. Эта зона растяжения движется вниз и увеличивается в объеме, достигая значения 0,12 ГПа, что выше . Формирование этой зоны связано с интерференцией волн разряжения от боковых поверхностей ударника вблизи оси симметрии системы (рис.2).

- Растягивающие напряжения появляются в мишени через 4 мкс и расположены вблизи поверхности на расстоянии 10 мм от оси, достигая к моменту 6 мкс значения 0,13 ГПа (рис.3), что превышает предел прочности ПММА на растяжение. Зона концентрации напряжений остается практически на одном месте, что способствует образованию трещин.

- Разрушение мишени начинается в момент достижения одной из компонент тензора напряжений предела прочности ПММА на растяжение. Из расчетов следует, что материал начинает разрушаться в области концентрации растягивающих осевых напряжений в момент времени, соответствующий 4мкс. При t=6мкс проявляется действие растягивающих радиальных напряжений , и контур центрального осколка замыкается (рис.4).

- Процесс разрушения завершается полным отделением центрального осколка, что соответствует выходу изолиний удельного объема несплошностей на лицевую поверхность мишени, и происходит не позже, чем через 30мкс после начала взаимодействия.

- Поле разрушения почти в точности соответствует профилю центрального осколка, но не описывает разрушения на периферии образца, что объясняется тем, что разрушение на периферии развивается по другому типу, не описываемому данным алгоритмом.




В целом теоретический расчет совпадает с экспериментальной картиной разрушения. Эту же методику мы использовали при моделировании высокоскоростного удара лазерным воздействием на мишень. Этот метод позволяет получить напряженное состояние в материале мишени, приводящее к ее разрушению. При этом можно определить положение и размеры зон разрушения, степень поврежденности материала, оценить размеры кратера.

Идея использования энергии лазерного импульса для моделирования высокоскоростного удара базируется на предположении, что действие лазерного импульса с энергией Е, длительностью и пятном облучения диаметром D аналогично действию ударника того же диаметра D толщиной L и скоростью v. Такой метод исследования высокоскоростного удара методом воздействия лазерного импульса позволяет получить картину напряженного состояния в материале мишени, положение и размеры зон разрушения, степень поврежденности материала, оценить глубину проникновения ударника в мишень и диаметр кратера в данных условиях воздействия. На основании данных, полученных из ранее проведенных исследований, были определены характерные значения параметров лазерного импульса по уравнению

, (1)

где m – масса ударника, V – его скорость, α – коэффициент поглощения лазерного излучения, I – плотность мощности на облучаемой поверхности, τ – длительность лазерного импульса, S – площадь пятна облучения.

Действие лазерного излучения моделировалось посредством задания на облучаемой поверхности импульса давления, действующего синхронно лазерному излучению. Параметры лазерного импульса были выбраны максимально приближенными к эксперименту по высокоскоростному удару снаряда из полиэтилена по мишени из полиметилметакрилата.

Диаметр пятна облучения равнялся диаметру ударника 10мм. Длительности импульсов, используемые при расчетах – 80нс и 100нс. Коэффициент поглощения был принят равным 0,8. При таких значениях параметров интенсивность воздействия на облучаемой поверхности изменялась в диапазоне (3∙10¹⁰÷10¹¹)Вт/см². Полученные значения абляционного давления на поверхности мишени изменялись в диапазоне 1÷11 ГПа. Приведенные значения давления и были заданы в качестве граничных условий на облучаемой поверхности мишени.

В результате проведенных исследований были изучены эволюция напряженного состояния и деструкционных процессов в мишени, геометрические параметры зон разрушения и местоположение этих областей.

Нарушение сплошности мишени происходит главным образом в приповерхностных областях – лицевой и тыльной, причем максимальные разрушения наблюдаются у тыльной поверхности мишени. Такая картина развития деструктивных процессов является характерной при данном способе импульсного воздействия.

Когда ударная волна еще не вышла на свободную поверхность, она имеет «классическую» для инициированных лазерным импульсом ударных волн структуру: собственно ударную волну с затянутым «хвостом» и волну разгрузки от лицевой поверхности мишени, ослабляющую ударную волну.

Волна разгрузки начинает формироваться в момент выхода ударной волны на свободную тыльную поверхность. Вследствие различия скоростей центральной части ударной волны и ее периферийных областей вначале выходит на свободную поверхность центральная часть ударной волны, в то время как периферийные ее зоны еще продолжают движение к поверхности. Для следующего момента времени характерны практически полное отражение ударной волны от тыльной поверхности и формирование зоны действия растягивающих напряжений, приводящих к разрушению мишени по откольному механизму. Поскольку в зоне нарушения сплошности материала мишени происходит релаксация напряжений на формирующихся трещинах, то для этого момента времени максимальные значения растягивающих напряжений располагаются уже не в центральной части мишени, а на периферии, где разрушение слабее. Только небольшие области у боковых поверхностей мишени остаются под воздействием не откольных, а сжимающих напряжений. Положение областей, где происходит разрушение, иллюстрируют рис.5. Очевидно, что максимум разрушений приходится на приосевые области, прилегающие к свободным поверхностям (лицевой и тыльной), хотя есть очаги вдоль оси практически по всей толщине мишени.




Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что для полиметилметакрилата существуют различия для разных видов воздействия. Основным отличием, качественно изменяющим картину воздействия лазерного импульса по сравнению с ударным нагружением, является отсутствие лицевого откола, что определяется отсутствием зоны растягивающих напряжений (осевых и радиальных) на некоторой глубине от лицевой поверхности. Присутствующие очаги разрушений в случае лазерного воздействия примыкают непосредственно к лицевой поверхности и расположены вдоль оси практически на всю глубину мишени.

Другим, не менее важным отличием полученных результатов по сравнению с ударным нагружения, является наличие тыльного откола, который отсутствовал в экспериментах по ударному воздействию. Это позволяет сделать вывод о том, что использование лазерных импульсов более эффективно для создания условий для откольного разрушения и проведения исследований в этой области.

В данной работе было показано, что безразмерная величина h/Д кратеров, образуемых в мишенях при ударах макрочастицами со скоростями 2-10 км/с, приводится для разных материалов к единой зависимости от параметра х=ρ_уV_о²/ρ_м, км²/с². Поэтому были построены зависимости h/Д для наших расчетов от этой переменной х (рис. 6).





Прямая 1 на рис.6 соответствует уравнению

=0,86х (2)

и получена методом наименьших квадратов при обобщении экспериментов, проведенных для ударника из ПЭ и мишени из ПММА.

Используя уравнение (1), мы рассчитали зависимость от энергии лазерного импульса (табл. 17). По данным табл. 17 получены прямые 2 и 3, представленные на рис.31 для случая импульсного лазерного воздействия.

Прямая 2 соответствует уравнению

=2,2х (3).

Прямая 3 описывается зависимостью

=0,45х (4).