Распространение усталостных трещин в усиленных смесях, упрочненных каучуком

В некоторых случаях упрочненные каучуком смеси могут быть улучшены посредством добавления нескольких процентов жестких наполнителей. Такие материалы часто называют гибридными глобулярными композитами, поскольку они включают упрочняющие частицы двух типов. Приготовление гибридных глобулярных композитов позволяет изучать взаимоотношения между механизмами упрочнения, запускаемыми частицами каждого сорта. Мягкие каучуковые частицы могут стимулировать образование сильных сдвиговых полос в вершине трещины, тогда как жесткие неорганические наполнители часто сшивают трещину или перекрывают ее след. При определенных условиях взаимодействие между механизмами упрочнения различных типов могут быть взаимно усиливающими. Перед тем как приступить к обсуждению условий взаимного усиления, будет полезно кратко ознакомиться с механизмами экранирования в наполненных эпоксидных смолах.

Рис. 27.12 показывает поведение РУТ эпоксидных смол, содержащих полые стеклянные шарики (HGS), обработанные сплошные стеклянные шарики (TSGS) и сплошные стеклянные волокна (SGF). Основываясь на ходе этих кривых можно предположить, что сферические наполнители экранируют усталостную трещину через механизмы зонного экранирования или отклонения трещины, но степень экранирования очень умеренная. Напротив, короткие стеклянные волокна дают значительное контактное экранирование. Контактное экранирование, возможно, обусловлено перекрыванием или скольжением стеклянных волокон в следе трещины. Форму этих кривых можно сравнить с базовой формой кривых РУТ, показанных на рис. 27.4.
Цель этого раздела — исследование вопроса, когда и при каких условиях возникает взаимное усиление между: а) сплошными стеклянными шариками и каучуковыми частицами; б) полыми стеклянными шариками и каучуковыми частицами; в) короткими стеклянными волокнами и каучуковыми частицами при испытаниях в условиях РУТ. Фактически мы будем исследовать взаимодействие между механизмами зонного экранирования, связанными с частицами каучука, и механизмами контактного экранирования и отклонения трещины, обусловленными присутствием жестких наполнителей.

Смешение упрочненных каучуком полимеров с небольшим количеством неорганического наполнителя может улучшить сопротивление РУТ. Такие смеси часто называют гибридными композитами, отличающимися типом используемых частиц наполнителя. Ниже мы рассмотрим гибридные композиты, содержащие полые стеклянные шарики, сплошные стеклянные шарики и короткие сплошные стеклянные волокна.

1. Упрочненные каучуком смеси, содержащие полые стеклянные шарики. Диспергирование различных количеств каучука и полых стеклянных шариков в пластичной полимерной матрице также улучшает сопротивление РУТ в смесях. Наполненные стеклом, упрочненные каучуком смеси этих типов исследовались Адзими с сотр., изучавшими эффект введения полых стеклянных шариков в упрочненную каучуком эпоксидную смолу. Их работа показала, что реакция РУТ оказалась максимальной для состава 7,5/2,5 CTBN-HGS (рис. 27.13). Предположено, что в основе взаимного усиления было взаимодействие между полым стеклянным наполнителем в вершине трещины и пластической зоной, стимулированное частицами каучука. Присутствие полых стеклянных шариков также вызывает ветвление и растяжение в пластической зоне (рис. 27.14).
2. Упрочненные каучуком смеси, содержащие сплошные стеклянные шарики. Смешение различных количеств каучука и сплошных стеклянных шариков в пластичной полимерной матрице также может улучшить сопротивление РУТ в смесях. Адзими с сотр. изучали влияние введения сплошных стеклянных шариков в упрочненную каучуком эпоксидную смолу и обнаружили, что максимальная реакция РУТ имеет место при составе 7,5/2,5 CTBN-SGS. Этот результат близок к результату введения полых стеклянных шариков (рис. 27.15).


Как и в случае смесей, содержащих полые стеклянные шарики, причина взаимного усиления, по-видимому, связана со взаимодействием между жестким наполнителем в вершине трещины и пластической зоной благодаря присутствию частиц каучука. Стеклянные шарики вызывают ветвление и растяжение в пластической зоне, то есть механизм очень близок к механизму упрочнения эпоксидных смол, модифицированных комплексом HGS-CTBN. Подобные взаимодействия не возникают при высоких концентрациях стеклянных шариков, которые задерживают рост пластической зоны.
3. Упрочненные каучуком смеси, содержащие сплошные стеклянные волокна. Введение сплошных стеклянных волокон (SGF) и каучуковых частиц также может улучшить сопротивление РУТ в смесях, но поведение таких смесей существенно отличается от поведения смесей, содержащих шариковые наполнители. Реакция РУТ зависит в большей степени от конкуренции механизмов упрочнения, чем от благоприятного взаимодействия между этими механизмами, поэтому наблюдается отсутствие взаимного усиления (рис. 27.16). Сплошные стеклянные волокна более эффективны при перекрывании следа трещины, чем шариковые наполнители. Одной из возможных причин отсутствия взаимного усиления является способность каучукового модификатора экранировать взаимодействие волокно-матрица, сдерживая тем самым механизм проскальзывания волокон. Соответственно, исследования с помощью сканирующей электронной микроскопии демонстрируют торможение проскальзывания и разрыв волокон при добавлении каучука (рис. 27.17).