Экспериментальное исследование материала Plexiglas GS 0Z00 с учетом климатического старения

Цель работы — исследование физико-механических свойств полиметилметакрилата (ПММА) марки Plexiglas GS 0Z00 ввиду отсутствия для него зависимостей (кривых) напряжения от деформации в открытых базах данных, например CAMPUS или MATDAT. Эти кривые необходимы для более точного расчета напряженно-деформируемого состояния тела. В целях определения эксплуатационных характеристик материала образцы были подвергнуты также климатическому воздействию. Представлены результаты экспериментального исследования физико-механических свойств материала до и после климатического воздействия. Рассмотрены различные модели, которые определяют зависимость между напряжениями и деформациями (модель Менгеса, модель на базе логистической функции) при температурах ниже температуры стеклования. Получены численные значения параметров моделей в соответствии с экспериментальными данными. Для сравнения приведены результаты испытаний образцов на растяжение – сжатие при постоянной скорости деформирования от 1 до 10 мм/мин (от = 3,3 %/мин до 33,33 %/мин), а также данные, полученные при таких же условиях, но после экспозиции образцов на открытом воздухе в течение шести месяцев. Кроме того, определены физико-механические характеристики материала при различных температурах окружающей среды. Построены кривые в координатах напряжение – деформация материала при комнатной температуре для дальнейшего применения при моделировании напряженно-деформированного состояния тел. Отмечено, что при деформировании не более 4 % хорошо себя зарекомендовали модель Менгеса и модель на основе логистической функции. Представлены параметры обеих функций для выбранного материала. Исследуемый ПММА имеет тенденции к охрупчиванию после климатического старения. Его физико-механические характеристики зависят от температуры окружающей среды и от скорости приложенной нагрузки.

1. Stachiw J. D. Handbook of Acrylics for Submersibles Hyperbaric Chambers and Aquaria. — Flagstaff (AZ): Best Publishing Company (BPC), 2003. — 1080 p.

2. Wu Y., Li Y., Luo R., Zhang Z., et al. Failure analysis on fully-transparent deep-sea pressure hulls used at 2,500 m depth / Front. Mater. 2023. Vol. 9. P. 1099610:1 – 8. DOI: 10.3389/fmats.2022.1099610

3. Ashby F. M., Jones D. R. H. Engineering Materials 1 an introduction to their properties & applications. 2nd edition. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1996. — 322 p.

4. Hada T., Kanazawa M., Iwaki M., et al. Comparison of mechanical properties of PMMA disks for digitally designed dentures / Polymers. 2021. Vol. 13(11). P. 1745. DOI: 10.3390/polym13111745

5. Rokaya D., Srimaneepong V., Sapkota J., et al. Polymeric materials and films in dentistry: An overview / J. Adv. Res. 2018. Vol. 14. P. 25 – 34. DOI: 10.1016/j.jare.2018.05.001

6. Zhirnov A. E., Arzhakov M. S. Polymer structure. — Moscow: Lomonosov Moscow State University, 2013. — 41 p. [in Russian].

7. Okeke C. P., Thite A. N., Durodola J. F., Greenrod M. T. Hyperelastic polymer material models for robust fatigue performance of automotive LED lamps / Proc. Struct. Integr. 2017. Vol. 5. P. 600 – 607. DOI: 10.1016/j.prostr.2017.07.022

8. Hu W., Guo H., Chen Y., et al. Experimental investigation and modeling of the rate-dependent deformation behavior of PMMA at different temperatures / Eur. Polymer J. 2016. Vol. 85. P. 313 – 323. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2016.10.036

9. Abdel-Wahab A. A., Ataya S., Silberschmidt V. V. Temperature-dependent mechanical behaviour of PMMA: experimental analysis and modelling / Polymer Testing. 2017. Vol. 58. P. 86 – 95. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2016.12.016

10. Haenig J., Weller B. Experimental investigations and numerical simulations of innovative lightweight glass-plastic-composite panels made of thin glass and PMMA / Glass Struct. Eng. 2021. Vol. 6. P. 249 – 271. DOI: 10.1007/s40940-021-00153-x

11. Nasraoui M. T., Forquin P. A., Siad L., Rusinek A. Influence of strain rate, temperature and adiabatic heating on the mechanical behaviour of poly-methyl-methacrylate: experimental and modelling analyses / Mater. Design. 2012. Vol. 37. P. 500 – 509. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.11.032

12. Kurkin A. S., Kiselev A. S., Ustinov V. S., Bogdanov A. A. Equations of state of the viscoelasticity of polymethyl methacrylate / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90(1). P. 72 – 81 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-72-81

13. Plaseied A., Fatemi A. Strain rate and temperature effects on tensile properties and their representation in deformation modeling of vinyl ester polymer / Int. J. Polymeric Mater. 2008. Vol. 57(5). P. 463 – 479. DOI: 10.1080/00914030701729677

14. Wu H., Ma G., Xia Y. Experimental study of tensile properties of PMMA at intermediate strain rate / Mater. Lett. 2004. Vol. 58(29). P. 3681 – 3685. DOI: 10.1016/j.matlet.2004.07.022

15. Al-Janabi S. K., Al-Maamori M. H., Braihi A. Experimental and numerical investigation of PMMA based composites used for bone cement application / IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2021. Vol. 1090. 012082. DOI: 10.1088/1757-899x/1090/1/012082

16. Zhu Y., Liang W., Zhao X., et al. Strength and stability of spherical pressure hulls with different viewport structures / Int. J. Press. Vessels Piping. 2019. Vol. 176(11). 103951. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2019.103951

17. Richeton J., Ahzi S., Vecchio K. S., et al. Influence of temperature and strain rate on the mechanical behavior of three amorphous polymers: characterization and modeling of the compressive yield stress / Int. J. Solids Struct. 2016. Vol. 43(7). P. 2318 – 2335. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.06.040

18. Efimov V. A., Shvedkova A. K., Korenkova T. G., Kirillov V. N. Study of polymeric structural materials under the influence of climatic factors and loads in laboratory and natural conditions / Tr. VIAM. 2013. Vol. 1. P. 5 [in Russian].

19. Osswald A., Menges G. Material Science of Polymers for Engineers. 3rd edition. — Munich: Hanser Publications, 2012. — 595 p.

20. Ranby B., Rabek J. F. Photodegradation, Photo-oxidation and Photostabilization of Polymers. — New York: Wiley-Interscience, 1975. — 573 p.