Тепловое разрушение полимерных волокон в теории временной зависимости прочности

Цели. Математически описать взаимное влияние микро- и макростадий процесса разрушения полимерных материалов, определить его основные параметры и предельные характеристики, установить связь между молекулярными константами, характеризующими структуру материала с одной стороны и макроскопическими характеристиками прочности с другой. Разработать теоретические представления термокинетики процесса теплового разрушения полимерных волокон с позиций кинетической термофлуктуационной концепции, позволяющей прогнозировать термическую долговечность образца при его тепловом нагружении.

Методы. Использована структурно-кинетическая термофлуктуационная теория для описания элементарного акта процесса разрушения и вывода обобщенной формулы скорости роста трещины и математическая теория трещин для описания термонапряженного состояния материала в окрестности внутренней круговой трещины при механическом и тепловом нагружениях образца.

Результаты. Приводится теоретическая формула полной изотермы долговечности в интервале механических напряжений от безопасного до критического, а также теоретическое соотношение для временной зависимости прочности полимерных волокон при чисто тепловом нагружении в полном интервале тепловых нагрузок от безопасной до критической и на стадии атермического роста трещины. Указаны основные параметры и предельные характеристики долговечности при тепловом нагружении.

Выводы. Представлена обобщенная структурно-кинетическая теория разрушения полимерных волокон при чисто тепловом воздействии на образцы с трещиной. Развитая теория объединяет три самостоятельных подхода: структурно-кинетический (термофлуктуационная теория), механический и термодинамический. Полученные теоретические соотношения представляют практический интерес для разработки способов локализации, интенсификации и управления кинетикой роста трещины.

1. Карташов Э.М., Кудинов В.А. Аналитические методы теории теплопроводности и ее приложений. М.: URSS; 2012. 1080 с. ISBN 978-5-9710-4994-4

2. Lee H., Lim C.H.J., Low M.J., Tham N., Murukeshan V.M., Kim Y.-J. Lasers in Additive Manufacturing: A Review. Int. J. of Precis. Eng. Manuf.-Green Tech. 2017;4(3):307–322. https://doi.org/10.1007/s40684-017-0037-7

3. Negi S., Nambolan A.A., Kapil S., Joshi P.S., Manivannan R., Karunakaran K.P., et al. Review on electron beam based additive manufacturing. Rapid Prototyping Journal. 2020;26(3):485–498. https://doi.org/10.1108/RPJ-07-2019-0182

4. Bijanzad A., Munir T., Abdulhamid F. Heatassisted machining of superalloys: a review. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2021. https://doi.org/10.1007/s00170021-08059-2

5. Nasim H., Jamil Y. Diode lasers: From laboratory to industry. Optics & Laser Technology. 2014;56:211–222. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2013.08.012

6. Nemani S.K., Annavarapu R.K., Mohammadian B., Raiyan A., Heil J., Haque Md.A., et al. Surface Modification of Polymers: Methods and Applications. Adv. Mater. Interfaces. 2018;5(24):1801247. https://doi.org/10.1002/admi.201801247

7. Zhang C. Progress in semicrystalline heat-resistant polyamides. e-Polymers. 2018;18(5):373–408. https://doi.org/10.1515/epoly-2018-0094

8. Fu M.-C., Higashihara T., Ueda M. Recent progress in thermally stable and photosensitive polymers. Polym J. 2018;50(1):57–76. https://doi.org/10.1038/pj.2017.46

9. Peelman N., Ragaert P., Ragaert K., De Meulenaer B., Devlieghere F., Cardon L. Heat resistance of new biobased polymeric materials, focusing on starch, cellulose, PLA, and PHA. Journal of Applied Polymer Science. 2015;132(48):42305. https://doi.org/10.1002/app.42305

10. Rezakazemi M., Sadrzadeh M., Matsuura T. Thermally stable polymers for advanced high-performance gas separation membranes. Progress in Energy and Combustion Science. 2018;66:1–41. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.11.002

11. Tant M.R., Connell J.W., McManus H.L.N. HighTemperature Properties and Applications of Polymeric Materials. Washington, DC: American Chemical Society; 1995. 264 p. ISBN 978-0-12-801981-8

12. Билибин А.Ю., Зорин И.М. Деструкция полимеров, ее роль в природе и современных медицинских технологиях. Успехи химии. 2006;75(2):151–165. https://doi.org/10.1070/RC2006v075n02ABEH001213

13. Brinson H.F., Brinson L.C. Characteristics, Applications and Properties of Polymers. In: Brinson H.F., Brinson L.C. (eds.) Polymer Engineering Science and Viscoelasticity: An Introduction. Boston, MA: Springer US; 2008. p. 55–97. https://doi.org/10.1007/978-0-387-73861-1_3

14. Witkowski A., Stec A.A., Hull T.R. Thermal Decomposition of Polymeric Materials. In: Hurley M.J., Gottuk D., Hall J.R., Harada K., Kuligowski E., Puchovsky M., et al. (eds.) Handbook of Fire Protection Engineering. New York, NY: Springer New York; 2016. p. 167–254. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2565-0_7

15. Bogdanov V.L., Guz A.N., Nazarenko V.M. Spatial Problems of the Fracture of Materials Loaded Along Cracks (Review). Int. Appl. Mech. 2015;51(5):489–560. https://doi.org/10.1007/s10778-015-0710-x

16. Sicsic P., Marigo J.-J., Maurini C. Initiation of a periodic array of cracks in the thermal shock problem: A gradient damage modeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2014;63:256–284. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2013.09.003

17. Tang S.B., Zhang H., Tang C.A., Liu H.Y. Numerical model for the cracking behavior of heterogeneous brittle solids subjected to thermal shock. International Journal of Solids and Structures. 2016;80:520–531. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2015.10.012

18. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука; 1974. 560 с.

19. Карташов Э.М., Анисимова Т.В. Модельные представления теплового разрушения на основе кинетической теории прочности. Математическое моделирование. 2007;19(11):11–22.

20. Карташов Э.М. Современные представления кинетической термофлуктуационной теории прочности полимеров. Итоги науки и техники. Серия Химия и технология высокомолекулярных соединений. 1991. Т. 27. 112 с.

21. Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Разрушение пленок и волокон. Структурно-статистические аспекты. М.: URSS; 2015. 779 с. ISBN 978-59710-0944-3

22. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия; 1977. 360 с.

23. Sun C.T., Jin Z.-H. Griffith Theory of Fracture. In: Sun C.T., Jin Z.-H. (eds.) Fracture Mechanics. Boston: Academic Press; 2012. p. 11–24. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385001-0.00002-X

24. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Изд-во АН СССР; 1945. 424 с.

25. Бартенев Г.М. Прочность и механизмы разрушения полимеров. М.: Химия; 1984. 280 с.

26. Губанов А.И., Чевычелов А.Д. К теории разрывной прочности полимеров. Физика твердого тела. 1962;4(4):928–933.

27. Kerkhof F. Bruchvorqänqe in Gläsern. Frankfurt/ Main: Verlaq Deutsch Gesellschaft; 1970. 340 p.

28. Кузьмин Е.А., Пух В.П. Некоторые проблемы прочности твердого тела. М.-Л.: Изд-во АН СССР; 1959. 386 с.

29. Бартенев Г.М., Разумовская И.В., Ребиндер П.А. К теории самопроизвольного диспергирования твердых тел. Коллоидный журнал. 1958;20(5):654–664.

30. Златин Н.А., Мочалов С.Н., Пугачев Г.С., Брагов А.М. Временные закономерности разрушения металлов при интенсивных нагрузках. Физика твердого тела. 1974;16(6):1752–1755.

31. Бородачев Н.М. Термоупругая задача для бесконечного с осесимметричной трещиной. Прикл. Механика. 1966;2(2):93–99.

32. Бородачев Н.М. О вдавливании штампа в торец полубесконечного упругого цилиндра. Прикл. Механика. 1967;3(9):83–89.

33. Мелан Э., Паркус Г. Температурные напряжения, вызываемые стационарными температурными полями: пер. с нем. М.: Физматгиз; 1958. 167 с.

34. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа; 2001. 540 с. ISBN 5-06-004091-7

35. Карташов Э.М. Энергетическая проблема Гриффита для хрупких полимеров. Инженерно-физ. журн. 2007;80(1):156–165.

36. Карташов Э.М. Аналитические решения гиперболических моделей нестационарной теплопроводности. Тонкие химические технологии. 2018;13(2):81–90. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2018-13-2-81-90