Статьи

Деформация полимеров под действием различных факторов

Как и любые другие синтетические материалы, полимеры подвержены деформации под воздействием различных факторов. Изучение степени разрушения материалов данного типа может предоставить учёным ценные сведения о физико-химическом составе материалов, а также расширении их практического применения в промышленности и производстве.

Как раньше изучалась проблема деформации полимеров

Существует два основных подхода к проблеме деформации полимеров при больших деформациях. Первый можно назвать континуальной реологической моделью, в которой поведение напряжения-деформации-скорости деформации моделируется набором линейных дифференциальных уравнений, основанных на различных комбинациях упругих, вязких и фрикционных механических элементов. 

Попытки учесть нелинейность конечных деформаций путём выражения задачи в терминах сумм кратных интегралов часто оказываются математически неразрешимыми. Эти математические методы имеют мало или вообще не имеют связи с лежащими в основе молекулярными механизмами. 

Второй подход заключается в разработке теорий текучести, основанных на молекулярных соображениях. В этих теориях текучесть и течение обычно рассматриваются как термодинамически активированные процессы с соответствующими энергиями активации и объемами. Некоторые исследователи провели тематический анализ текучести в стеклообразных полимерах. При этом, экспериментаторы очень часто не измеряют переменные, необходимые для микроскопической динамики дефектов. 

Существует большая разница между значением энтальпии активации (что часто измеряется) и свободной энергией Гиббса (которая является одним из параметров, необходимых для характеристики деформации на молекулярном уровне). Разница возникает из-за большого размера изменений энтропии, связанных с деформацией полимерных материалов. Существует также проблема размера активационного объёма. Обычно его размер составляет несколько нм и вычисляется путём измерения зависимости предела текучести от скорости деформации при различных температурах. Исследователи интерпретировали это как то, что микроструктурные изменения неизбежны при деформации полимеров. 

Как изучается проблема деформации полимеров сегодня

Природа молекулярных процессов, участвующих в деформации полимеров, стала предметом нескольких недавних исследований. Предполагается некий кооперативный процесс, в котором объём Эйринга является мерой размера зоны когерентности для тепловых колебаний цепи. Аргументы, аналогичные тем, которые предсказывают существование дислокаций в металлах на энергетических основаниях, подразумевают, что деформация полимеров должна происходить путём зарождения и распространения локальных "молекулярных несоответствий", природа которых была исследована с помощью малоуглового рассеяния нейтронов. 

Какова бы ни была природа этих процессов, они в целом поддаются восстановлению при достаточном времени или достаточно высокой температуре. Таким образом, деформация полимеров при больших деформациях не является пластической (которая невосстановима), и поэтому её обычно называют "неупругой". Восстановление может быть полным в аморфных полимерах, таких как поликарбонат, но в полукристаллических полимерах обычно наблюдается остаток невозвратной деформации. Похоже, что в аморфных полимерах сеть точек запутывания должна быть нарушена до того, как деформация станет необратимой, тогда как кристаллические структуры могут быть радикально изменены при определённом уровне деформации.