Description of the tension kinetics of amorphous and amorphous-crystalline polymers under conditions of moderate and deep cooling by the common nonlinear rheological equation

Анотація

Проведено зіставлення та порівняльний аналіз результатів низькотемпературних механічних випробувань зразків аморф ного та аморфно-кристалічного полііміда типу Kapton H. У експериментах [East Eur. J. Phys., No. 4, 144 (2020)] зареєстровано діаграми розтягу σ(ε; T, ε̇) таких зразків, а саме залежності деформуючого напруження від деформації ε = ε̇t при постійних значеннях швидкості деформації ε̇ = 7·10^–5, 7·10^–4, 6·10^–3 с^–1 та температури T = 293, 77, 4,2 К. Початковою метою цих експериментів було дослідження впливу помірного (77 К) і глибокого (4,2 К) охолодження на структуру і деякі механічні характеристики полііміда, важливі при його використанні у кріогенній та аерокосмічній техніці. Пізніше (Low Temp. Phys. 49, 521 (2023) [Fiz. Nyzk. Temp. 49, 569 (2023)]) виникла необхідність і можливість доповнити результати експериментів додатковим аналізом з метою їх використання для апробації нових аспектів теорії низькотемпературної пружно-в’язкої деформації полімерів, зокрема, опису ефектів вимушеної еластичності та їх конкуренції з процесами крихкого руйнування. Виконане у даному дослідженні детальне порівняння діаграм розтягу зразків полііміда з аморфною та аморфно-кристалічною молекулярними структурами показало, що при T = 293 К обидві структури мають чітко виражені властивості еластомерів — гумоподібних матеріалів з високою еластичністю та здатністю до оборотної деформації. Встановлено, що аморфні зразки зберігають ці властивості аж до гли-бокого охолодження T = 4,2 К, а аморфно-кристалічні тільки до стану помірного охолодження: при T < 77 К вони набува-ють властивостей склоподібних матеріалів з крихким руйнуванням на початковій стадії пружної деформації. Показано також, що кінетика високоеластичної деформації полііміда з молекулярними структурами обох типів обумовлена термо-механічною активацією солітоноподібних еластонних збуджень на молекулярних ланцюгах в аморфній складовій матеріалу та описується нелінійним реологічним рівнянням, виведеним раніше для молекулярної моделі аморфного полімеру: Low Temp. Phys. 48, 253 (2022) [Fiz. Nyzk. Temp. 48, 281 (2022)], Low Temp. Phys. 49, 228 (2023) [Fiz. Nyzk. Temp. 49, 246 (2023)]. Шляхом зіставлення результатів експериментів і теорії одержано аналітичний опис діаграм розтягу σ (ε; T, ε̇) зразків поліі-міда з молекулярними структурами обох типів, а також емпіричні оцінки їх реологічних характеристик і мікроскопічних параметрів еластонних збуджень. При низькотемпературній деформації полімеру зі змішаною структурою жорсткі кристалічні фібрили, занурені у більш м’яке аморфне середовище, зазнають лише незначних пружних деформацій, але значно збільшують інтенсивність активації еластонів і процесів руйнування в аморфній складовій. Це призводить при охолодженні до зближення критичних напружень високоеластич-ної релаксації й руйнування та до перетворення еластомера з такою структурою у склоподібний крихкий матеріал.