WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Куготова Асият Мухамедовна

ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ НАГРУЖЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА

02.00.06 – высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Кунижев Борис Иналович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Магомедов Гасан Мусаевич

кандидат физико-математических наук,

доцент Шетов Руслан Адибович

Ведущая организация: Таганрогский государственный

радиотехнический университет, г. Таганрог

Защита диссертации состоится «10» июня 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.09 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова

Автореферат разослан « 7 » мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Борукаев Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Свойства многих веществ, особенно металлов, подробно исследованы в высокоскоростных экспериментах, результаты которых служат основой для построения уравнений состояния веществ. Менее изучены высокомолекулярные соединения, которые представляют важный класс веществ, обладающих уникальными физическими свойствами и имеющих сложные фазовые диаграммы. К ним относится полиметилметакрилат (ПММА), являющийся одним из наиболее технологичных полимеров и, как конструкционный полимер, широко используется в нанотехнологии и при проведении взрывных испытаний. Полиметилметакрилат служит, в частности, идеальным материалом для оболочек слоистых сферических мишеней, при решении задач управляемого термоядерного синтеза, а также является промежуточной прослойкой в высокоскоростных метательных устройствах. В настоящее время достаточно полно изучены процессы высокоскоростного взаимодействия металлических ударников с металлическими и полимерными мишенями. Показано, что в этом случае форма ударного кратера приближается к затупленному по сфере цилиндру, а размеры кратера рассчитываются на основе модели пластически сжимаемой среды. При взаимодействии полиэтиленового ударника со скоростями 25 км/с на мишень из полиметилметакрилата кратер образуется по другому механизму – в результате хрупкого разрушения и лицевого откола. Поэтому методы расчета параметров кратера, разработанные для пластических материалов, не работают. В связи с этим актуальной задачей физики высокомолекулярных соединений является исследование процесса хрупкого разрушения полиметилметакрилата и зависимости геометрических размеров ударного кратера от скорости ударника, времени воздействия, физических свойств ударника и мишени. Самостоятельный научный интерес представляет проблема построения диаграмм состояния полиметилметакрилата в условиях действия высоких динамических давлений, с учетом зависимости функции Грюнайзена от температуры и плотности.

Цель работы состояла в комплексном исследовании процесса динамического нагружения полиметилметакрилата (ПММА).

В соответствии с целью в работе были поставлены и решены следующие задачи:

  • исследование зависимости картины разрушения и геометрических размеров кратера от скорости ударника на баллистической стадии полета;
  • построение модели откольного разрушения в полиметилметакрилате в рамках теории перколяции и фрактального анализа;
  • установление аналитической связи между временем проникновения ударника в мишень, скоростью и глубиной кратера;
  • исследование зависимости осевого напряжения в мишени из ПММА от времени и глубины кратера;
  • исследование зависимости функции Грюнайзена ПММА от температуры и плотности по различным современным моделям;
  • расчет диаграмм состояния и ударных адиабат ПММА по моделям К.Хищенко, А.Молодца и др.

Научная новизна.

1. Впервые показано, что при больших скоростях удара (0 > 3 км/с) и временах воздействия ударника на мишень (t > 20 мкс) изменяется характер неупругой деформации мишени, хрупкое разрушение переходит в хрупко-пластическое. Предложен физический механизм для объяснения этого явления.

2. Установлена аналитическая связь между временем проникновения ударника в мишень, скоростью ударника и глубиной кратера в полиметилметакрилате и предложено уравнение, связывающее глубину кратера от скорости ударника, удовлетворительно описывающее эксперименты по высокоскоростному нагружению хрупких сред.

3. Впервые получены и исследованы зависимости осевого напряжения в мишени из ПММА от времени воздействия и глубины кратера, подтверждающие предложенный механизм разрушения ПММА в экстремальных условиях.

4. Исследована зависимость функции Грюнайзена ПММА от температуры и плотности по различным современным моделям и построены диаграммы состояния ПММА в экстремальных условиях с использованием рассчитанных значений функции Грюнайзена.

5. Построены ударные адиабаты ПММА в координатах D-u, в которых наблюдается перелом и имеющих два участка, аппроксимируемых прямыми линиями, связывающиеся с проявлением структурно-фазовых переходов и деструкцией (механической и химической) макромолекул ПММА при больших скоростях удара.

Практическая значимость работы.

Результаты работы заложены в банк данных института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН г. Москва, института проблем химической физики ИПХФ РАН г. Черноголовка, КБГУ, ГУ «ВГИ» и в других научных центрах, занимающихся физикой и химией высоких плотностей энергии и используются для построения широкодиапазонных уравнений состояний различных полимерных материалов и композиций на их основе.

Результаты, полученные в работе, используются в Высокогорном геофизическом институте для изучения разрушения горных пород и льда, содержащего различные примеси.

Материалы диссертации используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплине специализации «Уравнения состояния вещества» для студентов старших курсов физического факультета КБГУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Полученные теоретическим рассмотрением и экспериментальным исследованием зависимости геометрических размеров кратера в мишени из ПММА от времени и скорости удара.

2. Обнаруженные изменения характера кратерообразования и предложенный механизм разрушения хрупких материалов при больших скоростях и временах воздействия ударника.

3. Выявленные зависимости осевого напряжения в мишени из ПММА от времени и скорости воздействия ударника, подтверждающие предложенный механизм разрушения ПММА в экстремальных условиях.

4. Исследованные зависимости функции Грюнайзена ПММА от температуры и плотности.

5. Построенные диаграммы состояния ПММА в экстремальных условиях с использованием полученных значений функции Грюнайзена.

6. Ударные адиабаты ПММА построенные в координатах D-u, имеющие характерные особенности, связывающиеся с проявлением различных структурно-фазовых переходов в ПММА при высоких плотностях и давлениях.

Апробация полученных результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2005 г.); Малом полимерном конгрессе (Москва, 2005 г.); II Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ» (Нальчик, 2006 г.); III Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2007 г.); III Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2007 г.); I Всероссийской научно-технической конференции «Наноструктуры в полимерах и полимерные нанокомпозиты» (Нальчик, 2007 г.); I Форуме молодых ученых Юга России и I Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и устойчивое развитие» (Нальчик, 2007 г.); XXIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 2008 г.); ежегодных научных конференциях молодых ученых КБГУ (Нальчик, 2005 – 2008 гг.); IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2008 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы из 96 наименований. Содержит 134 страниц текста, в том числе 38 рисунков и 20 таблиц.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, изданных в центральной, республиканской печати, в том числе 1 работа в рекомендованных ВАК изданиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, раскрываются научная новизна и практическая значимость исследований, определены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен литературный обзор современных моделей расчета функции Грюнайзена и уравнений состояния твердых тел и высокомолекулярных соединений. Показано, что при расчете диаграмм состояния полимеров в экстремальных условиях не учитывается зависимость функции Грюнайзена высокомолекулярных веществ от температуры, плотности и доли свободного объема. Установлено, что в хрупких материалах процессы разрушения и кратерообразования при высокоскоростном нагружении имеют аномалии по сравнению с упругими и пластичными материалами. Самостоятельный интерес представляет исследование зависимости функции Грюнайзена от температуры и удельного объема различными современными моделями и построение диаграмм состояния полиметилметакрилата в экстремальных условиях с использованием рассчитанных значений (V) и (T).

Во второй главе описаны современные методы ускорения макрочастиц для получения высоких динамических давлений в мишенях из высокомолекулярных веществ. Особенное внимание уделено электродинамическому ускорителю макрочастиц или, по другому магнитоплазменному ускорителю (МПУ), так как из существующих методов разгона макрочастиц он более технологичен, удобен в эксплуатации, а при достаточном энергопитании способен развивать значительные скорости ударника. Для исследования механизма разрушения и зависимости параметров кратерообразования в них от плотностей материалов ударника и времени воздействия ударника на мишень в качества модельного полимера выбран – полиметилметакрилат.

Третья глава посвящена исследованию процесса кратерообразования и разрушения полиметилметакрилата при высокоскоростном ударе.

По фоторегистрограммам, полученным на СФР (скоростной фоторегистратор) и ВФУ (высокоскоростная фоторегистрирующая установка) и представленным на рисунке 1 и подобным им, нами экспериментально исследован процесс высокоскоростного взаимодействия ударника из ПЭ и с мишенью из ПММА при различных скоростях ударника.

По этим фоторегистрограммам можно утверждать, что процессы интенсивного динамического нагружения материала мишени – ПММА, имеют негидростатический характер и сопровождается деформацией материала, осуществляемого путем множества малых сдвигов, реализуемых механизмами скольжении дислокаций или двойникования под действием касательных напряжений. При скорости ударника до 0,8 км/с не наблюдается существенного разрушения мишени, однако материал ударника начинает растекаться по поверхности мишени со скоростью 0,3-0,6 км/с, то есть примерно со скоростью ударника. При скоростях ударника до 1,5 км/с не происходит вылета центрального осколка, но идет выброс вещества с периферии и тогда образуется кольцеобразная каверна с характерным центральным поднятием.

Рис. 1. Фоторегистрограмма процесса высокоскоростного

взаимодействия ударника из ПЭ с мишенью из ПММА

при скорости 3 км/с, полученная на ВФУ.

В диапазоне скоростей ударника на баллистической стадии от 1,5 до 2км/с в экспериментах было установлено: а) наличие крупного центрального осколка (его размеры в 2-3 раза больше размеров ударника), б) наличие большого количества более мелких осколков, образующихся на периферии кратера. Объем кратера 10 см3, осколок остается в кратере.

При скоростях выше 2,5 км/с происходит вылет центрального осколка, который назван лицевым отколом. Такой откол по ряду признаков существенно отличается от тыльного откола, возникающего в пластических мишенях, в результате отражения ударной волны от тыльной поверхности мишени.

Известно, что контур откольного осколка и поверхность откольного разрушения являются фрактальными кластерами, состоящими из микро- и мезодефектов первого и второго уровня по терминологии академика Панина В. Е. В качестве модели образования лицевого откола с центральным осколком можно предложить следующий ход развития события разрушения ПММА при высокоскоростном ударе, когда скорость ударника выше 2,0 км/с. Первая стадия – мгновенное “взрывоподобное” возникновение множества одиночных микро- и мезотрещин в мишени из ПММА. Вторая стадия – объединение микроодиночных трещин в группы (конечные кластеры). Третья стадия – соединение (смыкание) конечных кластеров в бесконечный фрактальный (перколяционный) кластер. Четвертая стадия – разрушение образца на части (рис. 1).

Выше мы отмечали, что на третьей стадии откола конечные кластеры смыкаются во фрактальный кластер, в этом случае плотность частиц (дефектов, трещин), составляющих его является функцией вида:

, (1)

где – нормирующий множитель, Н – ширина зоны откола (в нашем случае Н=В диаметру центрального осколка), D – фрактальная размерность Хаусдорфа – Безиковича, df – размер топологического пространства (df = 2).

Выражение для разрушающего напряжения р в случае лицевого откола с учетом (1) принимает вид:

, (2)

где u – изменение массовой скорости, h – скорость смещения берегов трещин, K – модуль объемного сжатия, 0 – сопротивление сдвига, ср – скорость продольной статистической волны.

Отсюда видно, что с увеличением фрактальной размерности откольная прочность растет по определению (D < df). Физическая интерпретация этого заключения означает, что р растет с увеличением поверхности, вовлекаемой в откольное разрушение.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»