ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НАНОСЕКУНДНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ
Еренков О.Ю., Еренков С.О., Калита Г.А., Калита Е.Г.
(ТОГУ, г. Хабаровск, РФ)
The new results of studying the influence of nanoseconds electromagnetic impulses action on mechanical properties of constructive plastic materials are presented in the given article.
Как известно, полимерные материалы имеют тенденцию к изменению физико-механических свойств за счет электронного возбуждения полимерной структуры после воздействия концентрированными потоками (излучений) высокой энергии. К излучениям высокой энергии относятся потоки быстро движущихся элементарных частиц (электроны, протоны, нейтроны и др.) и ядер атомов, а также коротковолновое электромагнитное излучение (гамма – и рентгеновские лучи).
Установлено [1,2], что взаимодействие излучений высокой энергии с полимерными материалами приводит к химическим изменениям – сшиванию или деструкции. Сшивание характеризуется образованием химических связей между макромолекулами, дополимеризацией, газовыделением, окислительной деструкцией, образованием двойных связей. При этом наблюдается изменение как физических свойств – вязкости, растворимости, светопроницаемости, электропроводности и т.п., так и механических – прочности, жесткости, деформируемости и др. Результатом сшивания являются увеличение твердости, прочности, модуля упругости, повышение температуры плавления, уменьшение растворимости, удлинения при разрыве. При преобладании в материале деструктивных процессов наблюдается уменьшение модуля упругости, твердости и прочности на разрыв, снижение температуры текучести, повышение растворимости, а иногда и появление хрупкости.
В действительности для одних и тех же полимеров возможно как упрочнение, так и ослабление в зависимости от условий облучения: типа излучения, интенсивности, мощности и дозы облучения. Изменение свойств таких полимеров зависят также от вида и количества наполнителя, наличия пластификаторов, ингибиторов, антиоксидантов, различных примесей и т.д.
Авторами [3] впервые исследовано влияние продолжительности облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на их строение, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства сплавов на основе меди, алюминия, магния и железа. Рассматриваются поля с импульсной мощностью около 1 МВт и длительностью импульса – 1 нс, при этом напряженность электрического поля достигает 105-107 В/м. Характерной особенностью наносекундных электромагнитных импульсов является их однополярность, что приводит к отсутствию осциллирующих колебаний в излучаемом поле. Следствием этого выступает наличие пространственно-временного направленного действия силы за время одного импульса, создающего условия для воздействия на структуру и физико-химические свойства вещества [1].
На основании вышеизложенного и предположения о том, что электронное возбуждение полимерной структуры может быть вызвано также воздействием наносекундными электромагнитными импульсами представляет научный и практический интерес вопрос о возможности и целесообразности облучения НЭМИ полимерных материалов.
Цель работы - экспериментальное исследование влияния облучения НЭМИ на изменение физико-механических параметров полимерных материалов.
В качестве исследуемых материалов использовались следующие: капролон, фторопласт – 4, гетинакс, текстолит, В качестве источника НЭМИ применялся специальный генератор ГНИ-01-1-6, изготовленный Южно-Уральским государственным университетом.
Экспериментальные
исследования влияния облучения НЭМИ на предельные прочностные
характеристики полимерных материалов выполнялись следующим образом. На
первом этапе плоские образцы из полимерных материалов, изготовленные в виде
двусторонних «лопаток» с прямоугольным сечением в рабочей зоне размером 3
2 мм, подвергались
воздействию НЭМИ в течении определенного промежутка времени от5 до 20 минут.
Затем образцы подвергались одноосному растяжению при помощи нагружающего
устройства универсальной установки АЛА ТОО ИМАШ 20-75. Кривая нагружения 
регистрировалась
с помощью самописца разрывной установки, при этом испытания проводили при
постоянных условиях проведения опытов: выдерживались технология изготовления
образцов, температура, влажность, скорость и величина нагружения при одноосном
растяжении согласно ГОСТ 11262– 80.
На рисунках 1,2,3,4 представлены экспериментальные графики по прочности соответственно капролона, фторопласта-4, гетинакса и текстолита в зависимости от времени воздействия НЭМИ. Прочность термопластичных материалов (капролона и фторопласта-4) оценивалась по пределу вынужденной эластичности, а реактопластов (гетинакса и текстолита) – по величине разрывного напряжения. Анализ представленных данных показывает, что облучение указанных материалов НЭМИ в течении 5, 10 и 20 минут приводит к снижению прочности образцов, о чем свидетельствует снижение соответствующих значений предельных характеристик по сравнению с базовыми (без облучения НЭМИ) образцами.
Такой факт объясняется тем, что вследствие энергетического взаимодействия указанных короткоимпульсных электромагнитных полей напряженностью 105….107 В/м со структурой полимерного материала происходит глубокая перестройка рассматриваемых микрогетерогенных систем.
Если происходит электронное возбуждение полимерных цепей, то оно вызывает уменьшение энергий её связи. Данный эффект приводит к уменьшению механической стабильности нагруженной полимерной сетки и таким образом способствует разрыву цепи, возникновению разрушения или распространению трещины, увеличению дефектных мест, т.е его разрыхлению и охрупчиванию и, следовательно, к снижению механической прочности материала.
Рисунок 1 - Прочность капролона в зависимости от времени облучения НЭМИ: 1- без облучения; 2- 5 минут; 3- 10 минут; 4 – 20 минут
Рисунок 2 - Прочность фторопласта - 4 в зависимости от времени облучения НЭМИ: 1- без облучения; 2- 5 минут; 3- 10 минут; 4 – 20 минут
Рисунок 3 - Прочность гетинакса в зависимости от времени облучения НЭМИ: 1- без облучения; 2- 5 минут; 3- 10 минут; 4 – 20 минут
Рисунок 4 - Прочность текстолита в зависимости от времени облучения НЭМИ: 1- без облучения; 2- 5 минут; 3- 10 минут; 4 – 20 минут
Литература
1.Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно – статистическая кинетика разрушения полимеров. М.: Химия, 2002. 736 с.
2. Огибалов П.М., Малинин Н.И., Нетребко В.П., Кишкин. Б.П. Конструкционные полимеры: Учебное пособие для вузов. Том 1. М.: Издательство Московского университета, 1972. 428 с.
3. Ри Э.Х., Ри Хосен, Белых В.В. Способ обработки расплава меди и её сплавов наносекундными электромагнитными импульсами для повышения их теплопроводности/ Патент по заявке № 2005107849/02 от 21.03.2005 г.