Под вязкоупругостью подразумевают определенный вид поведения материалов под нагрузкой с одновременным проявлением свойств, характерных и для упругого твердого тела и для вязкой жидкости. В момент воздействия напряжения материалы, обладающие вязкоупругими свойствами, способны к растягиванию, при снятии нагрузки – к возврату в исходное состояние.
Описание вязкоупругих свойств полимерных материалов
Интерес к вязкоупругим свойствам тесно связан с расширением масштабов и сфер применения полимерных материалов. Вязкоупругое поведение композитов следует принимать в расчет на стадии разработки и моделирования изделий.
Изучение свойств и поведения полимеров позволяет изготовить изделие или технологию его переработки в соответствие с техническими и эксплуатационными требованиями. Полимерный композит проявляет как свойство упругости, так и пластические качества вязкой жидкости. В момент воздействия механического поля напряжений эти свойства обнаруживаются ярко выраженно. Такие материалы, одновременно включающие в себя упругий и вязкий компоненты, относятся к вязкоупругим.
Важная часть исследовательской деятельности в отношении полимеров – определение не только параметров рассматриваемого свойства материалов, но и выявление условий, формирующих вязкоупругое поведение.
Существуют особые проявления вязкоупругости материалов, которые зависят от определенных условий:
- Вязкоупругая ползучесть – явление, при котором под действием постепенно возрастающей внешней нагрузки в условиях постоянного напряжения материал деформируется;
- Расслабление – явление деформации полимера в условиях постоянной нагрузки и постепенного снижения напряжения;
- Неподвижность (зависит от степени нагрузки);
- Гистерезис – запоздалая реакция свойств полимерного материала на внешнее воздействие в условиях циклической нагрузки.
Вязкоупругими свойствами обладают в той или иной степени все материалы, например: сталь, алюминий, кварц (особенно при низких температурах) имеют низкий уровень вязкоупругости, полимерные композиты, дерево, человеческая ткань – высокую, возрастающую с повышением температурного режима.
Среди полимеров вязкоупругие качества более заметно проявляются у однородных материалов (например, полиолефинов). Стекло-, боро-, углепластики, имеющие волокна неорганических наполнителей, имеют преимущественно упругие свойства материалов.
Задача проведения исследований вязкоупругих свойств полимеров заключается в вычислении эффективных модулей упругости композитов, т.е. коэффициентов, связывающих усредненные по объему напряжения и деформации и зависящих от характера содержащихся в материале волокон (от их формы, расположения и объема).
Сочетание в полимерных материалах двух видов деформаций способствует их эффективному применению для изготовления рабочих, в т.ч. несущих, деталей многих механизмов, машин, в которых важное требование – сопротивление динамическим нагрузкам и ударам, а также проявление повышенных демпфирующих свойств. Последние характеризуются способностью материала поглощать вибрацию с помощью внутреннего трения.