zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2024-90-5-53-59zldm-2200Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMECHANICAL TESTING METHODSМетод определения спектральных функций релаксации полимеров при однократном растяжении микрообразцовA method for determining the spectral relaxation functions of polymers under single stretching of micro samplesРыбинА. А.RybinA. A.

Александр Александрович Рыбин

115487, Москва, ул. Нагатинская, д. 16а

Alexander A. Rybin

16a, ul. Nagatinskaya, Moscow, 115487

РубанД. В.RubanD. V.

Даниил Вячеславович Рубан

115487, Москва, ул. Нагатинская, д. 16а

Daniil V. Ruban

16a, ul. Nagatinskaya, Moscow, 115487

Daniilruban@yandex.ruЧервяковА. А.ChervyakovA. A.

Александр Анатольевич Червяков

125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Alexander A. Chervyakov

4, Volokolamskoye shosse, Moscow, 125993

УльяновС. А.UlyanovS. A.

Сергей Алексеевич Ульянов

115487, Москва, ул. Нагатинская, д. 16а

Sergei A. Ulyanov

16a, ul. Nagatinskaya, Moscow, 115487

Центральный научно-исследовательский институт химии и механикиРоссияCentral research institute of chemistry and mechanicsRussian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (national research university)Russian Federation2024230520249055359Copyright © Рыбин А.А., Рубан Д.В., Червяков А.А., Ульянов С.А., 20242024Рыбин А.А., Рубан Д.В., Червяков А.А., Ульянов С.А.Rybin A.A., Ruban D.V., Chervyakov A.A., Ulyanov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2200

Принципы проектирования изделий из новейших сложноструктурированных полимерных композиционных материалов обуславливают необходимость учета масштабно-структурных эффектов, определяемых процессами на надмолекулярном и молекулярном уровнях полимера: релаксационными, кинетическими (разрыв и рекомбинация химических связей), рекристаллизации надмолекулярных структур и др. Развитие этих процессов описывается функциями релаксации, которые, в свою очередь, могут быть рассчитаны с помощью функций спектров времен релаксации. Цель работы состояла в разработке специализированной оснастки для испытаний микрообразцов с варьируемой рабочей частью на одноосное растяжение, экспериментальной методики и расчетного алгоритма обработки получаемых данных измерений, а также экспериментальной апробации созданного подхода к определению спектральных функций релаксации. Предложен метод оценки функций релаксации не на фиксированных уровнях напряжения в пределах линейной упругости, секущих точках диаграмм деформирования, при фиксированных значениях модуля линейной упругости, а в расширенном диапазоне деформирования образцов, вплоть до предразрывных состояний. Создан комплект испытательной оснастки, предназначенной для испытаний микрообразцов с толщиной рабочей части 0,2 – 1,2 мм на растяжение. Оснастка может устанавливаться на современные высокоточные разрывные машины. Проведены тестовые испытания микрообразцов из полиэтилентерефталата толщиной 50 и 175 мкм на растяжение с учетом масштабного фактора. Описан вариант испытаний на растяжение микрообразцов, технологически стабилизируемых бумажными рамками специальной формы. На основе данных испытаний микрообразцов с постоянной скоростью деформации построены диаграммы, отображающие кинетику изменения спектральных функций релаксации ориентированного полиэтилентерефталата. Описан метод применения этих диаграмм для расчетов эмпирических спектров времен релаксации. Представлены результаты испытаний микрообразцов полиэтилентерефталата. Приведены диаграммы деформирования исследованных полимерных образцов и рассчитанные по описанной методике расчётные диаграммы функций спектров времен релаксации.

The principles of designing products made of the latest complex-structured polymer composite materials necessitate the need to take into account the large-scale structural effects determined by processes at the supramolecular and molecular levels of the polymer: relaxation, kinetic (breaking and recombination of chemical bonds), recrystallization of supramolecular structures, etc. The development of these processes is described by relaxation functions, which, in turn, can be calculated using the functions of relaxation time spectra. The purpose of the work was to develop a specialized equipment for testing micro-samples with a variable working part for uniaxial stretching along with the experimental technique and computational algorithms for processing the obtained measurement data, and experimental approbation of the developed approach to determining spectral relaxation functions. A method is proposed for estimating relaxation functions not at fixed stress levels within linear elasticity, at secant points of deformation diagrams, at fixed values of the linear elasticity modulus, but within an extended range of the sample deformation up to pre-rupture states. A set of test equipment designed for tensile tests of micro-samples with a thickness of the working part of 0.2 – 1.2 mm has been developed. The tooling can be installed on modern high-precision breaking machines. Tensile tests of polyethylene terephthalate micro-samples with a thickness of 50 and 175 μm were carried out taking into account the scale factor. A tensile test of micro-samples that are technologically stabilized by paper frames of a special shape is described. Diagrams illustrating the kinetics of changes in the spectral relaxation functions of oriented polyethylene terephthalate (PET) are constructed proceeding from the data of testing micro-samples with a constant strain rate. A method for using these diagrams in calculations of empirical relaxation time spectra is described. The results of testing micro-samples of polyethylene terephthalate are presented. Illustrative deformation diagrams of the studied polymer samples and calculated diagrams of functions of relaxation time spectra calculated according to the described method are given.

функция релаксациимикрообразцыиспытательная оснасткадиаграмма деформированиямикромолекулярная структураполимерразрушение.relaxation functionmicrosamplestest equipmentstress-strain diagrammicro-molecule structurepolymerdestructionReferencesValdevit L., Godfrey W. S., Shaedler T. A., Jacobsen A. J., Carter W. B. Compressive strength of hollow microlattices: Experimental characterisation, moddeling and optimization design / Journal of Materials Research. 2013. Vol. 28. N 17. P. 2461 – 1473. DOI: 10.1557/jmr.2013.160Valdevit L., Godfrey W. S., Shaedler T. A., Jacobsen A. J., Carter W. B. Compressive strength of hollow microlattices: Experimental characterisation, moddeling and optimization design / Journal of Materials Research. 2013. Vol. 28. N 17. P. 2461 – 1473. DOI: 10.1557/jmr.2013.160Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. — М.: Техносфера, 2022. — 648 с.Gibson I., Rosen, D., Stucker B. Additive manufacturing Technologies. — Moscow: Tekhnosfera, 2022. — 648 p. [Russian translation].Эртесян А. Р. Сравнительная характеристика физико-механических свойств базисных пластмасс (лабораторное исследование). Часть 2 / Международный научно-исследовательский журнал. 2021. Т. 104. № 2. С. 64 – 67. DOI: 10.23670/irj.2021.103.2.074Ertesyan A. R. A comparative analysis of physicomechanical properties of denture base resins (a laboratory analysis). Part 2 / International research journal. 2021. Vol. 104. N 2. P. 64 – 67 [in Russian]. DOI: 10.23670/irj.2021.103.2.074Горшков А. Г., Старовойтов Э. И., Яровая А. В. Механика слоистых вязкоупругопластических элементов конструкций. — М.: Физматлит, 2005. — 576 с.Gorshkov A. G., Starovoitov E. I., Yarovaya A. V. The Mechanics of layered viscoelastic elements of structures. — Moscow: Fizmatlit, 2005. — 576 p. [in Russian].Яковлев Н. О. Релаксационное поведение органического стекла на основе полиметилметакрилата / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 5. С. 57 – 60.Yakovlev N. O. Relaxation Behavior of Polymethylmethacrylate Based Organic Glass. Industrial laboratory / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2015. Vol. 81. N 5. P. 57 – 60 [in Russian].Иржак В. И. Топологическая структура и релаксационныые свойства полимеров / Успехи химии. 2005. Т. 74. № 10. С. 1025 – 1042. DOI: 10.1070/RC2005v074n10ABEH001168Irzhak V. I. Topological structure and relaxation properties of polymers / Usp. Khimii. 2005. Vol. 74. N 10. P. 1025 – 1042 [in Russian]. DOI: 10.1070/RC2005v074n10ABEH001168Иванов Е. А., Иконникова А. А., Клешнина И. А. и др. Применение констуркций сотовых панелей в космических аппаратах / Инженерный журнал: наука и инновации. 2022. Т. 125. № 5. DOI: 10.18698/2308-6033-2022-5-2177Ivanov E. A., Ikonnikova E. A., Kleshnina A. A., et al. Application of honeycomb panel structures in spacecraft / Inzh. Zh. Nauka Innov. 2022. Vol. 125. N 5 [in Russian]. DOI: 10.18698/2308-6033-2022-5-2177Uflyand I. E., Irzhak T. F., Irzhak V. I. Formation of fiber composites with an epoxy matrix: state-of-the-art and future development / Materials and Manufacturing Processes. 2022. Vol. 7. N 37. P. 723 – 747. DOI: 10.1080/10426914.2021.2016820Uflyand I. E., Irzhak T. F., Irzhak V. I. Formation of fiber composites with an epoxy matrix: state-of-the-art and future development / Materials and Manufacturing Processes. 2022. Vol. 7. N 37. P. 723 – 747. DOI: 10.1080/10426914.2021.2016820Карташев Э. М., Цой Б., Шевелев В. В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. — М.: Химия, 2002. — 736 с.Kartashev E. M., Tsoi B., Shevelev V. V. Structural and statistical kinetics of polymer destruction. — Moscow: Khimiya, 2002. — 736 p. [in Russian].Канаева Н. С., Низин Д. Р., Низина Т. А. Релаксационные свойства полимерных материалов на основе эпоксидных связующих / Эксперт: теория и практика. 2022. Т. 18. № 3. С. 42 – 46. DOI: 10.51608/26867818_2022_3_42Kaneva N. S., Nizin D. R., Nizina D. R. Relaxation properties of polymer materials based on epoxy binders / Ékspert: Teor. Prakt. 2022. Vol. 18. N 3. DOI: 10.51608/26867818_2022_3_42 [in Russian].Рымкевич П. П., Рымкевич О. В. Модуль упругости как функция процесса в наследственной механике / Известия АлтГУ. 2023. Т. 129. № 1. С. 49 – 54.Rumkevich P. P., Rumkevich O. V. Modulus of Elasticity as a Function of a Process in Hereditary Mechanics / Izv. AltGU. 2023. Vol. 129. N 1. P. 49 – 54 [in Russian].Орешко Е. И., Ерасов В. С., Гриневич Д. В., Шершак П. В. Обзор критериев прочности материалов / Труды ВИАМ. 2019. Т. 81. № 9. С. 108 – 124. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-108-126Oreshko E. I., Erasov V. I., Grinevich D. V., Shershak P. V. Review of criteria of durability of materials / Trudy VIAM. 2019. Vol. 81. N 9. P. 108 – 124 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-108-126Кокошвили С. М., Талуж В. П., Янсон Ю. О. Вычисление релаксационных спектров по результатам динамических испытаний / Механика полимеров. Краткие сообщения. 1971. № 2. С. 349 – 353.Kokoshvili S. M., Taluzh V. P., Yanson Yu. O. The Calculation of relaxation spectra from the results of dynamic tests. Brief communications / Mekh. Polimerov. 1971. N 2. P. 349 – 353 [in Russian].Куркин А. С., Кисилев А. С., Крашенников С. В., Богданов А. А. Моделирование диаграммы деформирования вязкоупругого материала на основе структурной модели / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 5. С. 60 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-60-69Kurkin A. S., Kiselev A. S., Krasheninnikov S. V., Bogdanov A. A. Simulation of the deformation diagram of a viscoelastic material based on a structural model / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. N 6. P. 60 – 69 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-60-69Кокошвили С. М. Методы динамических испытаний жёстких полимерных материалов. Справочное пособие. — Рига: Знание, 1978. — 182 с.Kokoshvili S. M. Methods of dynamic tests of rigid polymeric materials. Reference book. — Riga: Znanie, 1978. — 182 p. [in Russian].Петров В. А., Башкарев В. И., Веттегрень В. И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов. — СПб.: Политехника, 1993. — 475 с.Petrov V. I., Bashkarev V. I., Vettegren V. I. Physical bases of forecasting of durability of construction materials. — St. Petersburg: Politekhnika, 1993. — 475 p. [in Russian].Рубан Д. В., Рыбин А. А., Червяков А. А., Турков В. Е., Ульянов С. А. Особенности механического поведения компонентов многослойных панелей с 3D-ячеистыми заполнителями / Механика композиционных материалов и конструкций. 2017. Т. 23. № 4. С. 550 – 566.Ruban D. V., Rybin A. A., Chervyakov A. A., et al. Peculiarities of the mechanical behaviour of the components of the composite panel with 3D-mesh placeholders / Mekh. Kompoz. Mater. Konstr. 2017. Vol. 23. N 4. P. 550 – 566 [in Russian].Терехин А. В. Разработка методов и совершенствование технических средств оценки работоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций летательных аппаратов: Дисс. ... канд. техн. наук. — М., 2016.Terekhin A. V. Development of methods and improvement of technical means of assessing the performance of elastomeric adhesive compounds of aircraft structures. Candidate’s Thesis. — Moscow, 2016 [in Russian].Цой Б., Карташев Э. М., Шевелев В. В. Прочность и разрушение полимерных пленок и волокон. — М.: Химия, 1999. — 496 с.Tsoi B., Kartashev M. E., Shevelev V. V. Strength and destruction of polymer films and fibers. — Moscow: Khimiya, 1999. — 496 p. [in Russian].Иржак В. И. Релаксационные свойства полимеров и модель физической сетки / Успехи химии. 2000. Т. 69. № 3. С. 284 – 298.Irzhak V. I. Relaxation properties of polymers and the model of the physical grid / Usp. Khimii. 2000. Vol. 60. N 3. P. 284 – 298 [in Russian]. DOI: 10.1070/RC2000v069n03ABEH000554

The authors declare that there are no conflicts of interest present.