Наномеханика эластомерных композитов
 С точки зрения структуры эластомерного композита основным является то, что частицы АН имеют наноразмеры. Чем меньше размеры частиц, тем больше их удельная поверхность, с которой взаимодействуют макромолекулы каучуковой матрицы. Это взаимодействие может быть химическим и физическим. Известно, что активность наполнителя растет с величиной удельной поверхности. Кроме величины поверхности, большое значение имеют плотность химически активных центров и потенциальная энергия поверхности.
Несмотря на значительные успехи в создании высококачественных резин, обладающих уникальным сочетанием трех основных показателей, необходимых для практического применения в шинной промышленности, до сих пор природа явления усиления недостаточно изучена. До последнего времени не было, например, четкого понимания молекулярной природы явления многократного повышения прочности наполненного некристаллизующегося вулканизата по сравнению с ненаполненным. Новые резины можно создавать двумя принципиально разными способами. Первый основан на большом эмпирическом опыте использования различных материалов, входящих в рецептуру резин, на практической отработке режимов смешения и вулканизации. Именно на этом пути достигнуты основные результаты по созданию новых резин. Второй способ предполагает глубокое изучение природы взаимодействий в сложной многокомпонентной системе, каковой является резина. Это изучение следует осуществлять на всех уровнях – от квантовомеханического до макроскопического. Здесь требуется тесное научное сотрудничество специалистов многих направлений, не всегда «говорящих на одном языке». Проблема математического, в том чисте компьютерного, моделирования и прогнозирования свойств эластомерных нанокомпозитов не решена. Фактически отсутствуют физические, в частности механические, модели, описывающие масштабные эффекты в нанокомпозитах и позволяющие адекватно моделировать их аномальные свойства. Несмотря на громадный интерес к данной проблеме, наименьшие успехи достигнуты в области моделирования механических свойств новых материалов. Сегодня нет возможности дать адекватное предсказание свойств наноструктур и соответствующих композитов на теоретической основе. Для описания и прогнозирования свойств современных и перспективных материалов требуется построение новых макро- и микроскопических физических моделей таких сред, в которые, наряду с механическими характеристиками, следует вводить и другие переменные и постоянные величины скалярной и тензорной природы – такие, как температура, термодинамические потенциалы, концентрации различных компонентов в смесях, различные функции типа вязкоупругих определяющих соотношений и т.п. В результате в последние годы бурно развиваются подходы, позволяющие строить модели «сплошных» сред с помощью последовательных естественных усложнений – иерархическое адаптивное моделирование. В связи с бурным развитием методов молекулярной физики и появлением нового поколения вычислительной техники стали доступны прямые количественные исследования структуры и свойств межфазных слоев конкретных полимерных сред в ходе прямого численного моделирования. Для идентификации параметров межфазного слоя гетерогенных полимерных сред была разработана иерархическая модель, которая включает несколько уровней структурной иерархии. Для моделирования макромеханического поведения микронеоднородной среды предложен подход, позволяющий моделировать напряженно-деформированное поведение и предсказывать механические характеристики структурно-сложных и неоднородных полимерных сред и композитов с учетом структурной иерархии в микро-, мезо- и макромасштабе, используя, в частности, оригинальную объектно-ориентированную версию метода конечных элементов (МКЭ). Проблема описания из первых принципов комплекса эксплуатационных свойств технических резин многогранна. Резина представляет собой многокомпонентный композит, ингредиенты которого находятся в разных состояниях – например, в твердом (активный наполнитель), высокоэластическом (каучук), жидком (пластификатор). Ингредиенты имеют между собой химические и невалентные связи. Структурные характеристики и свойства существенно зависят от режимов смешения и вулканизации ингредиентов. Математическое описание и анализ свойств требуют особых подходов. Резина работает при больших деформациях, при этом ее механическое поведение существенно нелинейно. Резина является вязкоупругим материалом, и это обстоятельство не только определяет величину диссипации энергии деформации, но и тесно связано с такими важнейшими эксплуатационными характеристиками, как износостойкость и сцепные свойства. Кроме того, резина работает, как правило, в условиях многократных циклических негармонических нагрузок, подвергаясь усталостному утомлению. Утомление происходит на фоне разных видов старения – теплового, паро-воздушного, солевого, озонного и др. Следует подчеркнуть, что в настоящее время отсутствуют сколь-нибудь убедительные варианты молекулярной теории, позволяющей описать механические свойства наполненных резин (в том числе прочностные и в особенности усталостные). Изучение эластомерных нанокомпозитов мы осуществляем несколькими методами. О каждом из них по порядку.
|
