Теоретическая прочность волокон

Недавно была предпринята оценка теоретической прочности высокоориентированных волокон Схема расчета основана на развитых ранее положениях о том, что при разрыве волокон происходит распад молекулярных цепей, сопровождающийся также растаскиванием их концевых участков. Используя эту схему разрыва, автор производит расчет теоретической прочности волокна, определяя ее как сумму сил, необходимых для разрыва цепей и для вытаскивания концов макромолекул. Вводимая при таком расчете величина силы, необходимой для деформации химических связей, определяется дифференцированием зависимости потенциальной энергии межатомного взаимодействия от межатомного расстояния, которая выражается известным уравнением Морзе. Полученные в результате расчета предельно достижимые прочности волокон оказываются в 2—5 раз больше, чем экспериментальные [c.163]

Теоретическая прочность при растяжении равна 10-20% от значения модуля Юнга (80-160 ГПа). Однако, как правило, этот показатель в настоящее время не превышает 3-5% от этой величины (в волокнах особого качества примерно 7 ГПа [9-71]). Данное обстоятельство можно объяснить неполной реализацией кристаллографической текстуры в моноволокнах, а также образованием на разных стадиях технологического процесса дефектов. Последние в связи с малой относительной деформацией У В становятся областями концентрации напряжений. Определение путей ликвидации дефектов, а главное повышение относительной деформации до разрушения до 10% создает возможности дальнейшего повышения прочности волокна. [c.567]

Для капронового волокна теоретическая прочность оказалась меньше технической. Этот физически неоправданный результат свидетельствует о том, что формулами для расчета теоретической прочности твердых тел следует пользоваться с осторожностью, если речь идет о полимерах. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что модуль упругости твердых полимеров в основном определяется межмолекулярным взаимодействием (модуль же упругого растяжения отдельной полимерной цепи на один-два порядка больше), а прочность—химическими связями. [c.15]

Для расчетов теоретической прочности полимеров используется наиболее простая структурная модель одноосно-ориентированного линейного полимера (волокна), в которой все цепи считаются расположенными вдоль оси ориентации. В такой струк- [c.11]

Приведенное значение теоретической прочности вдоль оси ориентированного капрона относится к достаточно длинным полимерным цепям (большой молекулярной массе полимера), когда число концов цепей в образце ничтожно мало. С уменьшением молекулярной массы М число цепей возрастает, и часть цепей в каждом поперечном сечении не участвует в разрывах химических связей. При достаточно низкой молекулярной массе при разрыве полимера рвутся только межмолекулярные связи между концевыми частями полимерных цепей. Это приводит к тому, что для капронового волокна, например, теоретическая прочность с уменьшением М снижается от 30 до 2,6 ГПа. Прочность неориентированного капрона с уменьшением Л1 снижается от 11,8 до 2,6 ГПа. [c.17]

За последнее десятилетие особое значение придается разработке композиционных материалов, состоящих из высокопрочных армирующих элементов и пластичной матрицы, работающих ио принципу железобетона. В качестве армирующих элементов применяют высокопрочные волокна, проволоку, нитевидные кристаллы с почти теоретической прочностью (от 600 до 4000 кг/мм при диаметре 2—3 мкм) и другие, а в качестве матрицы — как металлические, так и полимерные материалы. Масштаб- [c.71]

Волокна — наиболее прочная форма полимеров, как это показано в табл. 9.1 они успешно выдерживают сравнение (в расчете на массу материала) с самыми прочными неполимерными материалами. Как мы уже видели, такая большая прочность связана с высокой степенью молекулярной ориентации. Сама по себе полимерная цепь, построенная обычно из С—С-связей, очень прочна, однако прочность образца в перпендикулярном направлении низка из-за сравнительно слабого межмолекулярного взаимодействия. Упорядочивая расположение цепей в направлении оси волокна, мы максимально используем прочность самих макромолекул. Однако даже у наиболее сильно ориентированных волокон часть молекул остается в некристаллических областях, где степень ориентации либо несовершенна, либо вообще отсутствует. Весьма вероятно, что разрушение начинается именно с этих областей, характеризующихся меньшей степенью ориентации. Скорее всего именно это, а не поверхностные трещины и дефекты является причиной того, почему реальные волокна не обнаруживают теоретическую прочность, рассчитанную с учетом расположения цепей в кристалле. [c.191]

Монокристаллические волокна, получаемые из окислов и называемые усами , обладают гораздо большей прочностью, чем многие обычные металлы. Фактически их феноменальная прочность приближается к максимальной теоретической прочности материалов. В лабораторных условиях были получены монокристаллы окислов таких металлов, как олово, железо, медь, серебро а также кремния. Однако вследствие сложности процесса волокна нз этих окислов не открывают широких возможностей для про мышленного производства, как это имеет место в случае поликри сталлических волокон. [c.107]

Теоретическая прочность композиции определяется суммированием прочности волокна и прочности связующего. Ее можно выразить как [c.173]

При разрыве образца критические напряжения на концах трещины примерно равны теоретической прочности и одинаковы как для тонких волокон, так и для волокон повышенного диаметра. Средние напряжения, а следовательно, и минимальные, в волокнах повышенного диаметра меньше, [c.35]

Текстильные и ткацкие методы переработки волокна. Снижение прочности волокон. В первой главе было показано, что прочность тонких волокон синтетического и естественного происхождения (органических и минеральных) во много раз превышает прочность объемных образцов и приближается к теоретической прочности. [c.262]

В ряде случаев при очень тщательном проведении процесса ориентации достигается прочность, близкая к теоретическим расчетам. Так, имеются сообщения о получении высокоориентированных образцов волокон из полиоксиметилена с прочностью до 360 кгс мм . В более поздней работе были приведены данные о получении волокон с прочностью, соизмеримой с теоретическими величинами. По мнению авторов, одной из основных причин, по которой обычная вытяжка по схеме равномерный обогрев — плавное нагружение с увеличением степени растяжения приводит к обрыву волокна, является достижение предела долговечности до установления максимально возможной ориентации. Если сократить время прогрева, проведя ориентацию по схеме постоянное нагружение — перемещаемый локальный прогрев , то можно довести время прогрева до долей секунды, предупредив достижение предела долговечности волокна. В этом случае удается резко повысить ориентацию полимера и, следовательно, прочность волокна. Интересно отметить, что нагрев можно вести даже до температур выше точки плавления полимера, поскольку температура плавления под натяжением повышается. Полученные экспериментальные данные приведены ниже [c.279]

Понижение прочности стекла по сравнению с теоретической прочностью объясняется главным образом поверхностными дефектами (неоднородность и микротрещины). По сравнению с массивным стеклом тонкие стеклянные волокна обладают высокой механической прочностью в связи с уменьшением величины и числа опасных поверхностных дефектов при их вытягивании. [c.234]

Поскольку теоретическая прочность пропорциональна модулю упругости, ученые исследовали усы у высокомодульных материалов. Так усы из карбида кремния и графита имеют Оа = 21 ГПа, а усы нз сапфира —3,5 ГПа. Для усов из железа прочность составила 15 ГПа. Стеклянные волокна с неповрежденной поверхностью имеют прочность, близкую к теоретической, — 2 ГПа. [c.47]

Таким образом, фактически имела место экструзия в высокоэластическом состоянии. Получающиеся при этом волокна были прозрачны, обладали очень высокой прочностью и имели модуль упругости, равный 7-10 МПа. Столь высокое значение модуля упругости, достигающее почти одной трети теоретически возможного значения, соответствующего полностью вытянутым связям —С—С—, объясняется высокой степенью ориентации и параллельной упаковки молекулярных цепей, а также присутствием длинных кристаллитов, ориентированных в направлении волокна [35]. Прозрачность волокна объясняется, по-видимому, полным отсутствием сферолитов. [c.62]

Прочность связи Сц между двумя соседними атомами углерода в гексагональной плоскости равна 1060 ГПа, по оси с — (С33) 36,5 ГПа и параллельно слоям (С44) — 4,5 ГПа. У идеального графитового монокристалла модуль Юнга в направлении а-оси теоретически равен прочности связи между атомами углерода в гексагоне. В пековых мезофазных волокнах достигнута максимальная величина модуля при растяжении 896 ГПа [9-70], т. е. составляет более 70% от теоретической. Эти показатели пока не достигнуты в УВ из ПАН-волокна. [c.567]

В теории прочности полимеров помимо флуктуационного объема важную роль играет разрывная длина химической связи Кт. В табл. 2.3 приведены значения Ят для двух типов связи, встречающихся в полимерах, по данным различных авторов. Наиболее вероятное значение для ковалентных связей в полимерных цепях 1т=0,9-10" мм (+0,Ы0- мм). В табл. 2.4 даны значения флуктуационного объема предельно ориентированных полиэтилена и полиамида (капронового волокна). Различные авторы приходят практически к одним и тем же значениям уа= 1,5-10 2о мм (полиэтиленовое волокно) и Ул = 1,7-10 ° мм (капроновое волокно). Именно для этих полимеров производились теоретические расчеты Ул- Для всех других предельно ориентированных полимеров (волокон) рекомендуется применять [c.35]

В табл. 3.1 приведены значения теоретической От и предельной Оп прочности ориентированного капрона (волокна), рассчитанные при 7о = 188 кДж/моль, Л = 10 с. Кроме того, приведены значения ар, рассчитанные для ориентированного капрона (волокна) и неориентированного капрона по экспериментальным значениям у. При всех расчетах принималось т =1 с, что соответствует испытанию на разрывной машине при стандартной скорости нагружения. [c.41]

Проанализируем эти данные. Первыми приведены значения теоретической (для идеальных цепей) и предельной (для реальных цепей) прочности, рассчитанные для предельно ориентированного материала, в котором все цепи вытянуты вдоль оси волокна и нагружены одинаково. Эти значения существенно превышают опытные данные о прочности. Далее даны значения предельной прочности, вычисленные с использованием теоретических значений у, рассчитанных с учетом неравномерности нагружения цепей в аморфных участках волокна. Однако и эти значения оказываются выше экспериментальных, так как относятся к капроновым волокнам без субмикротрещин. В действительности в капроновых волокнах в силу различных причин возникают начальные микротрещины, снижающие прочность. Это видно из более высокого экспериментально определенного значения у = 20,6-10 2° мм для капроновых волокон [2.7], соответствующего значения прочности ар=1,0 ГПа (при 293 К) и коэффициента перенапряжения > =12. Коэффициент х состоит из двух множителей [c.42]

Исследования гидратцеллюлозы имеют не только теоретическое, но и практическде значение для производства гидратцеллюлозных вискозных и медно-аммиачных волокон. У искусственных гидратцеллюлошьтч волокон и пленок можно повысить степень ориентации макромолеку.ч целлюлозы и элементов надмолекулярной структуры применением натяжения в процессах формования. Это может повысить прочность во юкма в два-три раза. Гидратцеллюлоза имеет пониженную прочность во влажном состоянии. Поэтому исследования в основном направлены на повышение прочности волокна подбором условий формования (состава осадителей. температуры, применения вытяжки и др.). [c.572]

Так, нам удавалось [265] получать из почти гомодисперсного полистирола с Л1 10 — правда, при огромных степенях вытяжки — волокна с прочностью л 1,5 ГПа при комнатных температурах и 4 ГПа — это уже почти половина теоретической прочности полистирола — при температуре жидкого азота. Сходные результаты ранее были нами получены на плохо кристаллизующемся полиакрилонитриле с М > 10 . Однако хотя и плохо, он все же кристаллизуется, и этот результат можно объяснить (см. разд. XVI. 3 именно потому что кристаллиты дефектны и заштрихованная область рис. XVI. 8, а достаточно обширна), а ориентация повышает и степень кристалличности образование дефектных КВЦ типа фибрилл Стэттона и большая протяженность цепей обеспечивают фиксацию. Правда, производительность подобного процесса очень мала (вытяжка ведется из разбавленного раствора) и целесообразность его определяется потребностью рекордных прочностных свойств именно полиакрилонитрила. [c.388]

Сверхпрочными можно назвать материалы, имеющие хорошо организованную бездефектную структуру и обладающие прочностью, сравнимой с теоретической. Такие материалы в промышленных масштабах еще не производятся, но встречаются в лабораторной практике в виде отдельных образцов. Высокопрочными являются материалы, не имеющие начальных микротрещин. Их прочность составляет от 1 до 3 ГПа, что на порядок ниже теоретической прочности, но на порядок выше прочности обычных технических материалов с микротрещинами. Так как образования микротрещин легче избежать в малых образцах (масштабный эффект прочности), высокопрочное состояние обычно реализуется на стеклянных и полимерных волокнах, тонких пластинках и т. д. Прочность большинства технических и строительных материалов, содержащих внутренние микроповреждения (микротрещины), значительно ниже. [c.39]

Согласно концепции Шишкина, и прочность не должна зависеть от степени ориентации. Но известно [3.25], что хрупкая прочность сильно зависит от ориентации, и это понятно чем больше ориентация, тем большая часть рвущихся целей находится в направлении оси волокна. Поэтому в высокопрочном состоянии при переходе от неориентированного к предельно ориентированному состоянию хрупкая прочность должна возрастать в три раза. Далее, очевидно, что у ориентированного полимера с молекулярной массой М—>100 разрушение может происходить только при разрыве цепей. Практически эта ситуация реализуется для промышленных полимеров (М>10 ). Макромолекулы достаточно длинны, чтобы не наблюдалось их скольжение без разрыва цепей. Далее, если прочность полимеров определяется силами межмолекулярного взаимодействия, то расчет теоретической прочности должен производиться по формуле Орована Е, где Е — модуль Юнга (см. гл. 1). Модуль упругости твердых полимеров определяется межмолекулярными взаимодействиями. Для капроновых волокон = 2,5 ГПа и поэтому сгт = 0,25 ГПа, что намного ниже реальных значений ар. Поэтому правильный расчет а должен основываться на гипотезе разрыва химических связей. [c.51]

В связи с этим отметим, что статистические закономерности характерны не для всех случаев хрупкого разрушения. Образцы с идеальной структурой характеризуются теоретической прочностью От, которэя исключает статистический характер разрушения. Далее, бездефектные образцы (высокопрочное состояние материала) характеризуются предельной прочностью а,г, которая также практически не подчиняется статистическим закономерностям (нрнмер — бездефектное стекловолокно). Для полимеров бездефектные волокна иока не получены, хотя в гл. 3 отмечалось, что получены суперволокна с прочностью, [c.245]

Кварцевые волокна характеризуются не только высокой термостойкостью, но и высокими показателями диэлектрических свойств (см. табл. IV. 1) и химической стойкостью (не стойки только к действию плавиковой и фосфорной кислот) [39, 50]. Кварцевое волокно не подвержено термическому уплотнению, физические свойства кварцевых волокон не отличаются от свойств массивных образцов [4]. Однако промышленные кварцевые волокна всегда содержат примеси других окислов, которые создают микронеоднородности и резко понижают прочность промышленных волокон по сравнению с прочностью чистых волокон или теоретической прочностью кварца. Для изготовления кварцевых волокон применяется штабиковый способ, при котором волокна вытягиваются из кварцевых штаби-ков или трубок, концы которых расплавляются пламенем газовых горелок. Этот способ является мало производительным и в значительной степени ограничивает применение кварцевых волокон. [c.132]

В неупорядоченном бездефектном полимере с С—С-связями теоретическая прочность за счет дисперсионных сил оценивается около 600 МПа [5]. В предельно ориентированном полимере за счет прочности химических С—С-овязеи она должна достигать 30 000 МПа [5], т. е. теоретически в этом случае возможно упрочнение в 50 раз. При этом образец, конечно, толностью теряет эластичность, и длина молекул должна совпадать с длиной образца. Что показывает практика Упорядоченные и сориентированные природные полимеры— лен, паутина, натуральный шелк — обладают большой прочностью, достигающей (1,0ч-1,7)- 10 МПа. В последнее время удалось синтезировать волокна с прочностью при растяжении 3000 МПа — это ПРД-49 из поли-и-фенилентерефтальамида, кристаллы полиоксиметилена [26]. Ориентация путем вытяжки (табл. 1.2) В отличие от слабого упрочнения при изменении структуры в органических полимерах приводит к упрочнению в 3—28 раз i[22, 27, 28], а в неорганических (стекло) — в 25—35 раз. Ориентация в эластомерах приводит к такому же эффекту, как в жестких полимерах [5, 29] [c.20]

Теоретическая прочность на разрыв стеклянного волокна изменяется в пределах от 70 ООО до 1 ООО ООО кГ/см (в зависимости от метода расчета). Согласно лабораторным исследованиям эта величина колеблется в пределах 35 ООО—42 ООО кГ/см . Что касается промышленных образцов стекловолокна, то его прочность па разрыв составляет 14 ООО кГ/см , а в процессе носледуюш,ен обработки эта величина может снизиться до 7000 кГ/см . Испытания труб из стеклопластиков па разрыв показывают, что стеклянное волокно постоянно сохраняет величину в 7000 кПсм . Стеклянное армпрованне в виде стекловолокна, стекложгута или стеклоткани (вес которого составляет 60—80% от обш,его веса трубы) несет основную часть нагрузки на изделие. Повреждение армирования может значительно уменьшить прочность трубы, поэтому в большинстве труб для их защиты применяется внутренний вкладыш из полихлорвиниловой или эпоксидной смолы. Труба рассчитана на работу в течение 15—20 лет, поэтому при определении рабочего давления принимается четырехкратный запас по пределу текучести. Для таких труб существует предельно допустимая температура, равная 120° С (в некоторых случаях, а именно для труб низкого давления, допускается даже 140° С). Этот температурный предел намного ниже той температуры, при которой начинаются заметные изменения в свойствах смолы. [c.86]

Армирующие волокна. Известно, что теоретическая прочность материала Отеор возрастает с повышением модуля упругости и поверхностной энергии вещества и снижается с увеличением межатомных расстояний. Исходя из этого наибольшей прочностью должны обладать композиты, в которых в качестве материала армирующих волокон используются бериллий, бор, азот, углерод, кислород, алюминий и кремний. При создании волокнистых композитов используют высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки или волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, бори-дов, нитридов и других соединений. Волокнистая арматура может быть представлена в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Важными требованиями, предъявляемыми к волокнистой арматуре, являются их технологичность и совместимость с матрицей. [c.115]

Теоретическую прочность можно также подсчитать, используя зависимость между поверхностной энергией и теплотой испарения [50]. В этом случае теоретическая прочность стекла равна 1360 кгс/мм . А. Гриффитс [51] использовал для расчета теоретической прочности стекла полученную им зависимость прочности стеклянных волокон от их диаметра и экстраполировал эту зависимость вплоть до ничтожно малых поперечных рашеров образцов, сравнимых с поперечным размером молекул . Он считает, что волокно толщиной в одну молекулу должно иметь прочность, равную теоретической. По А. Гриффитсу, теоретическая прочность стекла равна 1120 кгс]мм . [c.14]

Отношения Рц, Р или Ра,1Рп 1 являются показателями поли-молекулярности. Теоретическая величина Р изменяется в пределах от 1,5 до 2 в зависимости от типа полимеризационного процесса. Практически же из-за последующей деструкции полимера в процессе его переработки эта величина оказывается значительно большей. Например, у целлюлозы она достигает значения 4—5. Поэтому сопоставление величин прочности и средневесовой степени полимеризации правомочно лишь при одинаковых молекулярновесовых распределениях. Отсюда следует также, что содержание низкомолекулярных фракций полимера должно резко снижать прочность волокна. Например, если исходная среднечисленная степень полимеризации поликапроамида составляла величину [c.29]

Если воспользоваться приемом экстраполяции прямолинейного участка кривой зависимости прочности от степени ориентации к идеальной ориентации (соз 0 = 1), то по данным работы предельная прочность достигает значения около 700 кгс/мм , а по данным работы около 275 кгс/мм . По данным К. Е. По-реиелкина (с коррекцией на испытания при низкой тошпературе), последняя величина в 1,5—3 раза меньше предельно достижимой прочности. Исходя из этого, можно предположить, что различие между прочностью, экстраполированной на предельную ориентацию, и теоретической прочностью достигает такой величины за счет субми1 ро-дефектов в структуре волокна. [c.282]

Экспериментальные данные Регеля и Лексовского [75], полученные для долговечности частично-ориентированного волокна ПАН сравниваются на рис. 3.11 с теоретическими кривыми, полученными с помощью уравнения (3.32). Следует подчеркнуть, что увеличение прочности благодаря лучшей ориентации волокна ПАН (или его модельного представления) достигает Ч о/оо = 5. Аналогичные значения увеличения прочности (в 2—5 раз) при ориентации образцов были получены для ПЭ, ПП, ПС, ПВХ, ПММА, ПА [51, 54]. В какой-то степени ограниченный рост жесткости в данных экспериментах, как можно заметить, указывает на то, что ориентированные элементы являются не просто сильно выпрямленными сегментами, а скорее молекулярными доменами с небольшой анизотропией. Последнее не снимает предположения о том, что разрушение элемента, по существу, представляет собой разрушение наиболее сильно напряженных цепных молекул. Так будет в случае. [c.88]

Советский ученый В. В. Коршак с сотр. установил, что монокрис-таллические волокна карбина (третья аллотропическая модификация углерода), представляющего собой прямую длинную полимерную цепь [—С=С—] , могут обладать небывалой прочностью, близкой к теоретическому пределу (220—230 ГН/м ). Получены высокопрочные полимеры способом ориентационной кристаллизации, при которой достигается плотная упаковка пачек принудительным распрямлением гибких цепных полимеров в момент отверждения. [c.337]

Теоретическая механическая прочность стекла, рассчитанная из энергии молекулярных связей, равна 1000—1200 кГ1млА. Практически в массивных стеклах реализуется не более 1 /о этой прочности. И пока значительно повысить этот процент не удается. Также как у полимеров, прочность стекла резко возрастает в волокнах, достигая 300 кГ мм и выше. [c.367]

Если для характеристики прочности материала взять за основу его предельное напряжение сдвига (а это дает некоторые экспериментальные и теоретические преимущества перед традиционными методами испытания на разрыв, сжатие, изгиб, надрыв, продавливание и т. д.), то с уменьшением количества воды в системе целлюлозное волокно — вода уирочнение очень близко к экспоненциальной функции от концентрации сухого вещества [14]. При малых концентрациях вещества (до 6—12%) экспериментально не удается установить отклонения от этой функции. При больших концентрациях начинает играть видную роль стерический фактор волокна мешают друг другу занять пространственно наиболее выгодное положение, и тесный контакт поверхностей не может возникнуть. Чем меньше жесткость волокна, тем ближе к идеальному положению они размещаются. [c.245]

Зависимости предела прочности при растяжении от состава композиции, приведенные на рис. 13, не имеют теоретического обоснования. Действительно, существующие теории для металлов и термопластов предсказывают непрерывное увеличение предела прочности при растяжении с ростом содержания волокна. Интересно, однако, заметить, что прочность, измеренная в поперечном направлении, изменяется с составом композиции, например, для полиметилметакрилата, наполненного стеклянным волокном, в соответствии с формулой Лиса [71, так же как прочность композиций с эластомерным связующим, а именно наблюдается то же самое резкое нача.иьное падение пречности с последующим ее возрастанием и достижением значения, соответствующего прочности исходной матрицы. Лис объясняет это либо чувствительностью матрицы к образованию трещин, либо существованием некоторого критического объема цри деформировании в поперечном направлении. Вполне вероятно, что поведение композиций на основе каучука может быть обусловлено теми же явлениями, поскольку значительная часть волокон ориентируется в поперечном направлении. [c.298]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология