Фуллерено-временные соответствия деформационных и прочностных свойств полимерного композита с различным содержанием фуллерена с 60 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

ФУЛЛЕРЕНО-ВРЕМЕННЫЕ СООТВЕТСТВИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ФУЛЛЕРЕНА С60

© Г.Д. Федоровский

Ключевые слова: нанокомпозит; полиметилметакрилат; фуллерен С60; прочность; модуль упругости; фуллерено-временное соответствие; обобщенное время; его масштаб.

Установлены степенные зависимости механо-временных характеристик от содержания фуллерена С60. Предложены аналитические модели фуллерено-временных соответствий.

Анализируются представленные в [1] механические деформативные и прочностные свойства при растяжении во времени образцов нанокомпозита-полиме тилметакрилата (ПММА), наполненного с различной концентрацией фуллереном С60. Применены методики обобщенной обработки характеристик материала, позволившие выполнить более обоснованную и расширенную, чем в [1] количественную их оценку и выявить структурно-временные определяющие зависимости [2].

В [1] экспериментально исследовано влияние добавок фуллерена С60 на временное сопротивление о( (1ешрогатуге8181апсе), модуль Юнга Е и разрывное удлинение ег при одноосном растяжении пленок

толщиной мкм из атактического ПММА с

М[п] = 8,5-104. Молекулы фуллерена С60 имели размер (диаметр) ~0,7 нм. Доля ф С60 в пленках варьировалась от 1 до 10 %. Испытывалось по 5-6 образцов с одинаковым наполнением С60, в форме двойной лопатки с рабочей длиной ¡0 = 22 мм и шириной Ь = 1,9-2,0 мм

при скорости перемещения А рабочего захвата разрывной машины V = 12 мм/мин. На рис. 1 приведены

Р

усредненные диаграммы а - 8 : а =--------- (Р - уси-

Ь ■ Ь

0

Оценка механических свойств в [1] имеет качественный характер. Обращает на себя внимание приближенный характер самих экспериментальных данных, поскольку, во-первых, не указан их разброс по проведенным 5-6 параллельным испытаниям каждой серии; во-вторых, из-за вызывающего сомнение вида зависимостей а(є) - прямых на рис. 1 (обычно это ломаные линии); в-третьих, то, что на рис. 1 наблюдается странная флуктуация значений деформации разрыва є(, в то время как для а^ подобной флуктуации нет.

Для получения более качественной и информативной оценки механо-временных свойств композитов была выполнена следующая обработка характеристик.

Получены графически оказавшиеся весьма нелинейными зависимости т()(фг), где к = 1,2, 3,4 ;

г = (Л3,5,10 ; т(Ц) = аг({) ; тг(2,г) = 8/(г); т/(3,г) = */(г);

т{ (4 г) = Ег-; фг- - процентное содержание С60. Затем

с целью «выравнивания», были применены математические зависимости в двойных логарифмических коор-

динатах: lg•

п1(к ,0

(

тк (*)

Фг +1 Ф*

Л

. Параметры зависимо-

стей были получены посредством перекрестного обобщенного сопоставления данных. Уравнения полученных прямых имеют вид:

1е ——=Ак + Ьк —, Ак = ^ ак ■

ти*

к (*)

Ф*

Таким образом, выполняются степенные зависимости с коэффициентами ак и Ьк механо-временных параметров от процентного содержания С60:

п1 (к)

С

тк (*)

Ф +1

Л

V Ф* У

(1)

Рис. 1. Диаграммы а - є одноосного растяжения пленок ПММА с различным содержанием ф фуллерена С60

= а

к

2006

Значения ak и bk представленої в табл. 1. а* = 1 МПа, є* = 1, t* = 1 с, E* = 1 МПа.

Таблица 1

aa Ь<г ьє ьє at bt aE E b

15,2 0,36 3,8910-2 0,29 4,28 0,29 398 0,07

На рис. 2 приведены зависимости т{(£)(ф), определяемые соотношением (2). Точки - экспериментальные данные рис. 1.

MPa

et. %

tt, s

30

25

20

15

10

5

E, MPa

s A

-15 /

д/ 7 □ U о

□ о

1 і j . і E о і і

2 4 6 8 ф %

Рис. 2. Зависимости at, tt, єt и E от ф (точки - эксперимент, линии - расчет)

Рис. 3. Связь а

В результате вышеописанной перекрестной обработки исчезла немонотонная зависимость параметров а(є) (и модуля упругости Е ), заметная на рис. 1, отмеченная в [1]. Уменьшилась и сгладилась разница в величинах механических характеристик композитов с разным содержанием С60. Имеет место увеличение прочности в 2,33 раза, разрывного удлинения - в 2, а модуля упругости - в 1,2 раза.

Рассмотрена временная характеристика времен-

ной длительности - тешрогагуйше (по аналогии с временным сопротивлением аг и временной деформацией єг) в опытах иллюстрированных рис. 1. Ц = Кєг ,

K ■■

22 -1

=-------= 110 • 10 с. Изменение Ц (ф) пред-

V 12/60

ставлено на рис. 2 и описывается формулой (1). При введении максимального количества фуллерена С60

(ф = 10 %) происходит увеличение в 2 раза, по сравнению с вариантом ф = 0 %. Зависимости аг(ґг), єг (ґг), а также а5~(ґг) и є5~(ґг), полученные по (1), табл. 1 и рис. 2, представлены на рис. 4. Первая и тре-

(

тья линии с точностью до

ф +1 ф*

0,07

линеины, а вто-

рая

at = 3,55

третья

полностью

ф +1

V ф* У

0,07

• at =

-3

єt = 9,1 -10 3 • tt

Здесь

as~ и ss - величины условной длительной прочности (strength) и деформации, определяемые делением площади диаграмм рис. 3 и подобных диаграмм зависимостей st (tf) на соответствующие величины ts~ = tt.

at

Поскольку диаграммы линейны, то a s~ = -L-,

st

ss~ = —. Зависимость времени tt (ф) можно представить в ином, унифицированном, виде [2]:

tt (Ф)

kt(ф) = &(ф>0 = tt(ф), g(ф) = ■

(2)

t0

где ^ - обобщенное время; g(ф) - зависящий от содержания ф фуллерена С60, его масштаб времени; /д -произвольно выбранное значение // , соответствующее некоторому значению фд .

g (ф) =

ф +1

,0.29

V ф* У

g(90)=1 ^ kt(ф0) = t0.

(3)

Например, фо удобно принять равным нулю (нулевому содержанию С60). Последние уравнения отражают нормировку соотношений (2).

Следует отметить, что первое уравнение (2) представляет собой формулировку (математическую модель) принципа фуллерено-временного соответствия.

Подобным же образом может быть введено обобщенное время E,s~(ф).

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург Б.М., Табаров С.Х., Туйчиев Ш., Шепелевский А.А. Влияние добавок фуллерена Сбо на структуру и механические свойства тонких пленок органического стекла // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 23. C. 43-50.

2. Федоровский Г.Д. Эндохронные модели длительной прочности, структурных переходов и повреждаемости сплошных сред. Механика деформируемого твердого тела // Вестник Нижегородского университета. 2011. № 4 (4). С. 1822-1824.

и

а

є* и є

с

t

с

с

2007

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Госбюджетной темы № 6.37.137.2011 и гранта № 13-01-00598.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Fedorovsky G.D. FULLERENES-TIME CONFORMITY OF DEFORMATION AND STRENGTHEN PROPERTIES OF PO-

LYMERIC COMPOSITE WITH VARIOUS FILLING OF FUL-LERENE C«,

Dependences of a degree kind of mechanical-time characteristics from of the content fullerene C6o are installed. Analytical models of fullerene-time conformity are offered.

Key words: nanocomposite; polymetilmetacrilate; fullere-neC60; durability; the module of elasticity; fullerene-time conformity; generalized time; its scale.

УДК 539

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ Al, Ni, Cu НА ВАКАНСИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОСЛЕДСТВИЯ

© Н.В. Камышанченко, О.А. Печерина, А.В. Гальцев, М.И. Дурыхин

Ключевые слова: электрон; оболочки; орбитали; ГЦК-структуры; закалка; нагружение; текучесть; вакансии; дислокации; энергия.

Рассмотрено влияние физико-механических свойств на структуры атомов, их электронных оболочек и орбиталей ГЦК-металлов в процессе термомеханического воздействия.

Различные дефекты решетки играют важную роль во всевозможных физических процессах, происходящих в металлах и сплавах. Поэтому изучение свойств металлов в зависимости от их структурного состояния может дать не только ценную информацию о характере влияния тех или иных дефектов решетки на свойства металлов, но также помочь в выяснении механизма различных процессов. Этот общий подход влияния дефектов решетки на кристаллические свойства металлов и сплавов часто не способен объяснить причины преимущественного влияния одного механизма в сравнении с другими в одинаковых кристаллических структурах.

Таблица 1

Металл Al Ni Cu

Атомная масса 26,98154 58,69 63,546

Электронная конфигурация внешней оболочки 3s23p‘ 3d84s2 3d104s1

Атомный радиус, нм 0,143 0,125 0,127

Размер решетки, нм 0,40491 0,35243 0,36147

Плотность, кг/дм3 2,6989 8,8970 8,9320

Температура плавления, К 933,2 1728 1356

Теплота плавления, КДж/моль 10,55 16,90 13,00

Теплоемкость, Дж/м-К 25,1 445 390

Теплоемкость, вт/м-К 225,299 92,0 385-402

Температурный коэффициент линейного расширения, К-1 24,56-Ю-6 13,110-6 16,8-10-8

аВ, МПа 78,45-98,07 400-500 220-240

Известно, что свойства металлов являются однозначной функцией расположения атомов в кристаллической решетке. В реальных твердых телах расположение атомов в решетке носит несовершенный характер. Наличие различного рода несовершенств влияет на характер физических процессов, происходящих в твердых телах, и может совершенно изменить их свойства.

В данной статье рассматриваются только дефекты, образованные в процессе температурного воздействия, и реакции, возникающие в процессе взаимодействия дислокаций с вакансиями и их объединениями.

Скачкообразное изменение температуры оказывает влияние на многие свойства металлов, присущие им в установленных условиях эксплуатации. В частности, температурное воздействие влияет на изменение равновесных размеров тела, что, в свою очередь, способствует развитию релаксационных и пластических процессов вследствие изменения концентрации вакансий, а также в результате конденсации вакансий на системе дислокаций и др.

Таблица 2

Результаты эксперимента

Металл Al Ni Cu

а02 в отожженном состоянии, МПа 3,6 40 20

Температура закалки, К 923 1573 1323

а02 после закалки, МПа 14 100 32

а02 после закалки, нагружения 0,5 а02, МПа 22 175 52

Величина упрочнения, в разы 6 4,4 2,7

2008