ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Ц е л ь р а б о т ы–ознакомиться с методом определения предела механической прочности на разрыв диэлектриков на примере целлюлозной электроизоляционной бумаги; проанализировать связь указанной характеристики с толщиной и плотностью природного полимера (кабельная и конденсаторная бумага); изучить влияние исходного сырья и особенностей технологического цикла производства материала на его прочностные параметры.
При выборе твердого материала для изготовления электрической изоляции того или иного электротехнического устройства необходимо полное представление не только об электрических свойствах диэлектрика, но и о широком спектре его физических характеристик, в частности, о механической прочности.
Основные положения
Механическая прочность– свойство тела, характеризующееся способностью противостоять разрушению под воздействием механических сил. Для его количественной оценки введено несколько характеристик. Одной из таких характеристик является значение механических напряжений, при которых в данных условиях происходит разрушение образца. Эту величину называют пределом прочности или разрушающим напряжением. Разрушающее напряжение может определяться при различных видах деформации: растяжение, сжатие, изгиб и т.д (соответственно определяют прочность на разрыв, сжатие и т.п.). Механическое напряжение представляет собой отношение деформирующей силы, приложенной к испытуемому образцу, к площади его поперечного сечения: σ=F/S.
Величина разрушающего напряжения, помимо свойств материала, зависит от температуры и времени действия деформирующей силы, от скорости деформации, от размеров и конфигурации образца испытуемого материала. Поэтому при сравнении прочности разных материалов по значениям разрушающего напряжения необходимо производить определение этой величины при одних и тех же условиях. Второй механической характеристикой материала является максимальное значение деформации, развивающееся к моменту разрыва – максимальная относительная деформация. Относительной деформацией называют отношение величины деформации к исходной длине образца, выраженное в процентах: Δl/l0. Данный параметр так же зависит от вида и скорости деформации, от температуры и строения материала.
При испытаниях материалов на разрыв (или сжатие) производится построение деформационной кривой, представляющей собой зависимость механического напряжения от величины относительной деформации (рис.22).
Рис.22. Упрощенная деформационная механическая кривая твердого тела
Деформационная кривая имеет несколько характерных участков:
1. Участок упругой деформации, на котором наблюдается обратимая деформация материала, линейно возрастающая под действием внешней нагрузки и подчиняющаяся закону Гука;
2. Участок пластической деформации (или течения), на котором под действием незначительного увеличения механического напряжения происходит заметная по величине пластическая (необратимая) деформация, величину механических напряжений, при которой появляется участок течения, называют пределом пластичности материала (sПЛ);
3. Участок предразрывной деформации с последующим разрушением целостности материала. Максимальную величину напряжений в образце, при котором возникает разрыв, называют пределом прочности (sПР).
Форма и конкретный вид деформационной кривой определяется механическими свойствами различных материалов. Так крутизна наклона участка упругой деформации (1) зависит от величины модуля упругости (модуля Юнга). Чем больше модуль упругости, тем большие напряжения необходимо создать в материале для достижения одних и тех же величин деформаций. Материалы, в которых значительные механические напряжения вызывают небольшие упругие деформации, называют жесткими. Примером жестких материалов могут послужить вещества кристаллической структуры – металлы, стекла, керамики, некоторые виды полимеров и др.Наоборот, если малые механические напряжения вызывают существенные по величине деформации в образце, то такие материалы называют эластичными, а в том случае, если удлинение достигает очень больших величин (до нескольких раз) – высокоэластичными (рис.23).
Рис.23. Кривые деформации для жесткого(1), эластичного(2) и высокоэластичного(3) материала
В жестких материалах участок пластической деформации (2) либо слабо выражен, либо вообще отсутствует (для хрупких материалов). Материалы, у которых наблюдаются значительные пластические деформации при не больших механических нагрузках, называют пластичными (или мягкими). К таким материалам относятся вещества с аморфным строением: это некоторые металлы (свинец и др.), очень многие полимеры. Участок разрушения (3) характеризуется структурной перестройкой материала под действием предельно высоких механических напряжений, при этом может наблюдаться даже некоторое упрочнение материала.
Механические свойства органических твердых диэлектриков (прежде всего полимеров) определяются химической природой молекул вещества, прочностью химических связей в них и силой межмолекулярного взаимодействия молекул друг с другом. При разрыве жесткоцепных полимеров значение относительной деформации не превышает долей процента, а при развитии высокоэластической деформации в гибкоцепных полимерах – достигает сотен процентов. Макромолекулы целлюлозы относятся к полужесткоцепным.
Для оценки предела прочности материала рассчитывают теоретическую прочность. В полимерах механическая прочность, определенная экспериментально как напряжение, вызывающее разрушение образца, во много раз меньше ее теоретического предельного значения. Это различие обусловлено наличием в реальной структуре полимера дефектов, связанных с технологией производства материала, и дефектов, появившихся в результате изготовления образца для испытаний и в процессе самих испытаний. При подготовке образцов чаще всего возникают поверхностные дефекты. Они наиболее опасны. Причина снижения прочности образца состоит не в том, что дефект уменьшает его реальное поперечное сечение (дефект, как правило, несоизмеримо мал по сравнению с толщиной образца), а в том, что в вершине дефекта концентрируются дополнительные внутренние перенапряжения. Чем более острой является вершина дефекта, тем больше концентрация напряжений. При этом под действием этих сверх напряжений дефект получает возможность расти за счет разрыва межмолекулярных связей.
Чем тоньше образец, тем меньше площадь его поверхности, следовательно, меньше вероятность нахождения на ней дефекта. Поэтому для разрушения тонких образцов требуется большее напряжение, чем для толстых образцов. Вместе с тем в тонких образцах расширяется кривая распределения (разброса) значений прочности. Это обусловлено тем, что даже малый дефект в тонком образце может оказаться опаснее, чем в толстом, и заметно снизить его прочность.
Деформируя образец, мы подводим к нему механическую энергию, которая накапливается в материале в виде энергии упругой деформации. Если этой энергии достаточно для разрушения образца, то на наиболее опасном микродефекте начинает зарождаться трещина, которая затем разрастается, разделяя образец на части. Это основная или, как говорят, магистральная трещина.
В процессе роста трещины энергия, запасенная в образце, тратится в двух направлениях. Во-первых, она идет на образование новой поверхности. Во-вторых, энергия затрачивается на всевозможные процессы перемещения структурных элементов на пути движения трещины. Движение структурных элементов приводит к рассеянию энергии за счет внутреннего трения и переходу ее в теплоту. Наиболее простым случаем является разрушение при полном отсутствии рассеяния энергии, когда вся запасенная энергия образца идет на образование новой поверхности.
Теория разрушения материалов, в которых энергия разрушения идет только на образование новой поверхности, носит название теории Гриффита. Известно, что наименьшие деформации, приводящие к разрушению, наблюдаются у полимера тогда, когда он переходит из стеклообразного в хрупкое состояние. В этом состоянии перемещение структурных элементов оказываются наименьшими, и следовательно, минимально и рассеивание энергии в виде теплоты. Поэтому теорию Гриффита часто называют теорией хрупкого разрушения.
В соответствии с теорией хрупкого разрушения предел прочности при
растяжении (сжатии) может быть рассчитан как:
(32)
где α – удельная энергия той поверхности, которая возникла при разрыве;
Е – модуль упругости (модуль Юнга); l0 – длина микродефекта.
Эта формула правильно описывает ряд закономерностей, в частности влияние глубины дефекта (или специально сделанного надреза) на прочность.
Сложная надмолекулярная структура органических полимеров обуславливает наличие микродефектов различной степени опасности, которые беспорядочно распределены по объему материала. Таким образом, разным материалам присущи различные механизмы образования трещин.
Методика определения предела механической прочности бумаги на разрыв
В качестве образцов для исследования выбраны:
1. Кабельная электроизоляционная бумага (hср=120 мкм), изготовленная из древесины лиственницы и сосны;
2. Конденсаторная бумага (h = 10 мкм);
3. Целлюлозная бумага, отбеленная хлорсодержащими препаратами (h=100-200 мкм).
Подготовка образцов
Испытуемая бумага нарезается в виде прямоугольных полос длиной
l = 120мм и шириной b =15 мм.
Для проведения каждого эксперимента необходимо подготовить по 10 шт. образцов всех исследуемых видов бумаги с целью последующей статистической обработки полученных результатов.