Введение к работе
Актуальность работы. Диаграммы состояния высокомолекулярных веществ в условиях интенсивного импульсного нагружения представляют существенный интерес для физики и техники высоких плотностей энергии. Результаты экспериментального и теоретического исследования термодинамических свойств материалов при динамическом нагружении сплошных образцов определяют уравнение состояния вблизи ударной адиабаты. К настоящему времени на основе динамических данных по высокоскоростному нагружению сплошных и пористых образцов для широкой фазовой диаграммы построены полуэмпирические уравнения состояния большого количества металлов и некоторых полимеров.
Другая ситуация наблюдается при исследовании полимеров композитных полимерных материалов, характеризующихся низкой плотностью, малыми значениями электро- и теплопроводности, высокой радиационной стойкостью, пластичностью и износоустойчивостью. Они представляют собой новые перспективные материалы, которые находят широкое применение в конструкциях, несущих высокие силовые и тепловые нагрузки.
Количество расчетных и экспериментальных работ по исследованию динамического нагружения сплошных и пористых образцов полимерных композитов крайне мало, а их диаграммы состояния при высоких плотностях и давлениях до настоящего времени отсутствуют.
Это стимулировало провести в данной диссертации исследование функции Грюнайзена и диаграмм состояния полимерных материалов в широком диапазоне плотностей и давлений. В качестве модельных композитов выбраны полимерные смеси, находящие широкое применение в самых различных областях науки и техники.
Цели и задачи диссертации. Целью настоящей работы является построение диаграмм состояния и ударных адиабат полимерных материалов в экстремальных условиях с учетом зависимости их функции Грюнайзена от температуры, плотности и коэффициента эффективной пористости и исследование процесса их разрушения при интенсивном импульсном нагружении.
В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие задачи:
- исследовать зависимость функции Грюнайзена полиэтилена и синтетического бутадиенового каучука и их композиций от температуры, плотности и коэффициента эффективной пористости;
- рассчитать по современным теоретическим моделям зависимость упругого давления исследуемых полимерных материалов от степени динамического сжатия;
- построить диаграммы состояния исследуемых полимеров в экстремальных условиях с учетом полученных зависимостей функции Грюнайзена от температуры и коэффициента эффективной пористости;
- исследовать процессы разрушения и кратерообразования в полиэтилене и композитном материале на основе полиимида при высокоскоростном ударном нагружении;
- исследовать зависимость картины разрушения, геометрических размеров и некоторых физических параметров от скорости и времени воздействия ударника на мишени из полиэтилена и композитного материала на основе полиимида.
Научная новизна.
1.Установлено, что функция Грюнайзена полимерных композитов зависит от температуры и коэффициента эффективной пористости. Показано, что температурная зависимость функции Грюнайзена достаточно слабая, причем чем большая плотность достигнута в ударных экспериментах, тем меньше зависимость Г(Т).
2.Впервые рассчитаны функции Грюнайзена Г(х) полиэтилена и синтетического бутадиенового каучука и их полимерных композитов с различным содержанием исходных компонентов по современным теоретическим моделям. Установлено, что во всем исследованном диапазоне сжатия наилучшее согласие с экспериментальными значениями функции Грюнайзена дает уравнение А.М. Молодца, которое содержит общие фундаментальные свойства вещества, и его вывод не ограничен предположениями о каком-либо типе конденсированного вещества.
3.Построены диаграммы состояния исследуемых полимерных материалов в экстремальных условиях с использованием полученных зависимостей функции Грюнайзена от температуры и коэффициента эффективной пористости.
4.Впервые исследованы зависимости глубины кратера в мишени из ПЭ от времени воздействия ударника из ПЭ в диапазоне скоростей от 180 до 1500м/с. Показано, что при v 500 м/с угол наклона прямых h() к оси абсцисс начинает быстрее увеличиваться с ростом скорости внедрения ударника.
5.Впервые исследованы зависимости максимальной энергии образования единицы поверхности S и единицы объема кратера и разрушающего нагружения от скорости ударника. Показано, что если зависимость S() имеет линейный характер, то кривые S() и () при >1,0 км/с выходят на плато. Предложен физический механизм для объяснения этого явления.
6.Рассчитаны зависимости радиального напряжения сжатия от времени и глубины проникания для процесса взаимодействия ударника из ПЭ с мишенью из композитного материала на основе полиимида. Показано, что имеет максимальные значения 170 МПа в начальные моменты (до 8 мкс) ударного взаимодействия, а затем с увеличением времени падает.
Практическая значимость работы.
Результаты работы заложены в банк данных института теплофизики экстремальных состояний ИВТ РАН г.Москва, КБГУ, ФГБУ «ВГИ» и других научных центров, занимающихся теплофизикой импульсных воздействий на вещество, и используются для построения широкодиапазонных уравнений состояний различных материалов и композитов на их основе.
Научные результаты работы использованы при выполнении проекта РНП 2.1, 2.2.5 «Исследование влияния наноструктурной морфологии на макроскопические характеристики полимер-полимерных композитов» Министерства образования и науки РФ.
Результаты, полученные в работе, также используются в ФГБУ «Северо-Кавказская служба по активному воздействию на метеорологические и другие геофизические процессы» и Высокогорном геофизическом институте для изучения процессов разрушения горных пород, льда и градовых образований, содержащих примеси.
Материалы работы используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплине специализации «Уравнения состояния вещества» для студентов старших курсов физических факультетов КБГУ и Ингушского Государственного Университета.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Обнаруженные зависимости функции Грюнайзена исследованных полимерных материалов от температуры и коэффициента эффективной пористости.
2. Построенные диаграммы состояния исследуемых полимерных систем в широкой области фазовой диаграммы с использованием зависимостей функции Грюнайзена от температуры, плотности и коэффициента эффективной пористости.
3. Результаты изменения характера разрушения мишени из полиэтилена при высоких скоростях динамического воздействия и предложенный механизм разрушения ПЭ в экстремальных условиях.
4. Выявленные зависимости максимальных энергий образования единицы поверхности и объема кратеров в ПЭ и композитов на основе полиимида от времени и скорости воздействия ударника из полиэтилена, показывающие различную картину кратерообразования в этих материалах.
5. Построенные зависимости максимального напряжения сжатия композитов из полиимида при высокоскоростном нагружении от времени и скорости воздействия полиэтиленового ударника, имеющие характерные особенности, связанные с большей энергозатратой при разрушении данного материала, по сравнению с ПЭ и полиметилметакрилатом.
6. Построенная единая ударная адиабата исследованных материалов на основании обобщения данных по ударному сжатию смесей ПЭ и СКБ.
Апробация полученных результатов.
Итоговые результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 2-м Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ» (Нальчик, 2006); Региональной научно - практической конференции «Вузовское образование и наука» (Магас, 2006); 1-ой Всероссийской научно- технической конференции «Наноструктуры в полимерах и полимерные нанокомпозиты» (Нальчик, 2007); 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2008); Региональной научно- практической конференции «Вузовское образование и наука» (Магас, 2008); 30-ой юбилейной Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Киев, 2010); Международных научно-практических конференциях «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2010, 2011, 2012 гг); 31-ой и 32-ой Международных конференциях «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2011, 2012 гг).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 152 наименования. Общий объем работы составляет 137 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков и 11 таблиц.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, изданные в центральной, республиканской, региональной печати, в том числе 2 работы в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.
