Właściwości mechaniczne układów polimerowych. Mechanical properties of polymeric systems.

Transkrypt

1 1) Nazwa pola Nazwa przedmiotu (w języku polskim oraz angielskim) Komentarz Właściwości mechaniczne układów polimerowych. Mechanical properties of polymeric systems. Jednostka oferująca przedmiot Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN, Łódź Liczba punktów ECTS 4 Sposób zaliczenia Egzamin Język wykładowy Polski Określenie, czy przedmiot Jednokrotnie może być wielokrotnie zaliczany Skrócony opis przedmiotu W ramach wykładu przedstawione zostaną podstawy wiedzy na temat właściwości mechanicznych materiałów polimerowych, zarówno polimerów czystych jak i ich mieszanin i kompozytów. Właściwości mechaniczne omówione zostaną w szerokim zakresie, obejmującym właściwości sprężyste przy małych odkształceniach, właściwości lepkosprężyste, zachowanie polimerów przy dużych odkształceniach, procesy i mechanizmy deformacji plastycznej, zjawiska pękania. Przedstawione zostaną główne metody doświadczalne badania właściwości mechanicznych okładów polimerowych, zarówno statyczne jak i dynamiczne. Omówione będą również znane mechanizmy prowadzące do poprawy poszczególnych właściwości mechanicznych a także stosowane metody modyfikacji właściwości mechanicznych polimerów np. przez modyfikację struktury fizycznej i/lub morfologii, orientację, wytwarzanie mieszanin, mikro- i nanokompozytów polimerowych, osiągane dzięki nim korzyści oraz podstawowe wady i ograniczenia. Pełny opis przedmiotu Celem wykładu Właściwości mechaniczne układów polimerowych jest zapoznanie słuchaczy z podstawową wiedząna temat właściwości mechanicznych materiałów polimerowych, zarówno polimerów czystych jak i ich mieszanin i kompozytów. Szczegółowa zawartość przedmiotu to: - pojęcia wstępne: zakres właściwości mechanicznych, sprężystość, naprężenie, odkształcenie, deformacja plastyczna, płynięcie, lepkospręzystość - typy materiałów konstrukcyjnych -porównanie wybranych właściwości mechanicznych różnych materiałów -zależności od temperatury i ciśnienia, wpływ przemian fazowych -charakterystyka i etapy deformacji polimeru -specyfika deformacji polimerów, zależność przebiegu deformacji od temperatury i szybkości odkształcenia -teoria sprężystości liniowej(małe odkształcenia) -podstawowe stany naprężeń - prawo Hooke a, uogólnione prawo Hooke a -wsółczynnik Poissona -współzależności pomiędzy modułem sprężystości, modułem odkształcenia postaciowego modułem ściśliwości - elastomery stan wysokiej elastyczności 1

2 -termodynamika odkształcenia elatomeru, funkcja energii odkształcenia -naprężenie i odkształcenie przy dużych (skończonych) deformacjach - prawo Hooke a i równania konstytutywne dla odkształceń skończonych -niezmiennik deformacji, równanie Mooneya-Rivlina -statystyczna teoria sprężystości kauczukowej -sprężystość pojedynczego łańcucha -sieć polimerowa, sieci idealne i rzeczywiste - sprężystość sieci idealnej: sieć afiniczna, fantomowa i ograniczoną fluktuacją węzłów -fizyczne węzły sieci splątania, krystality -sprężystość sieci rzeczywistych, odstępstwa od sieci idealnej, współczesne próby opisu i modele sieci rzeczywistych -metody badania właściwości sprężystych polimerów i elastomerów -wprowadzenie pojęcia lepkosprężystości i omówienie jej istoty -liczba Debory - zakres zachowań lepkosprężystych polimerów -przykłady odpowiedzi lepkosprężystych - zjawisko relaksacji naprężeń -pełzanie -zasada superpozycji Boltzmana -zależności od temperatury i czasu zasada superpozycji czasowotemperaturowej -równanie WLF -lepkosprężystość liniowa, analogi mechaniczne -modele Maxwella, Kelvina-Voigta, modele złożone -widma czasów relaksacji, czasów retardacji -interpretacja molekularna zjawiska lepkosprężystości -wpływ splątań łańcuchów na procesy relaksacyjne -model Rouse a -model relaksacji przez reptację -pomiary właściwości lepkosprężystych metodami dynamicznymi - przejścia relaksacyjne -przejścia relaksacyjne w polimerach amorficznych -czynniki wpływające na temperatury przejść relaksacyjnych (Tg) -przejścia relaksacyjne w polimerach częściowo-krystalicznych -pojęcie granicy plastyczności -kryteria plastyczności, Schmidt, Coulomb, Tresca, Huber-von Misses -pozorny spadek naprężenia na granicy plastyczności -konstrukcja Considere -granica plastyczności mechamizmy: ścinanie, rysy napręże -tworzenie szyjki przy rozciąganiu -rysy naprężeniowe powstawanie, propagacja, mechanizm -lepkosprężysta natura przejścia plastycznego -model Eyringa -interpretacja molekularna lepkosprężystej natury przejścia plastycznego -przejście plastyczne w polimerach częściowo-krystalicznych -deformacja plastyczna kryształów polimerowych -poślizg krystalograficzny -specyfika poślizgu w kryształach polimerowych -poślizg homo- i heterogeniczny -rola dyslokacji -rodzaje dyslokacji i ich źródła podczas deformacji -oszacowania teoretyczne naprężenia na granicy plastyczności, porównanie z wynikami obserwacji doświadczalnych -zależność granicy plastyczności od grubości lamel i temperatury -zbliźniaczanie pod wpływem naprężenia 2

3 -transformacje martenzytyczne -deformacja grup lamel krystalicznych: poślizg międzylamelarny, - separacja lamel -przebieg deformacji przy dużych odkształceniach -model Peterlina, -hipoteza topnienia/rekrystalizacji -model krystalograficzny -niestabilności podczas deformacji- łamanie lamel, fragmentacja -schemat deformacji Strobla -udział fazy amorficznej i krystalicznej -kawitacja podczas deformacji -orientacja molekularna -orientacja polimerów - anizotropia właściwości -metody oceny orientacji, współczynnik orientacji, mapy i funkcje rozkładu orientacji -metody uzyskiwania wysokiej orientacji polimerów, laboratoryjne i przemysłowe -właściwości mechaniczne materiałów orientowanych -teoretyczne oszacowanie wytrzymałości i porównanie z doświadczeniem -koncentracje naprężeń -teoria pękania Griffitha -pękanie na poziomie molekularnym -opis kinetyczny -etapy procesu pękania -mechanika pękania podejście energetyczne, liniowo-sprężysta mechanika pękania, materiały nieliniowe -stan płaskiego naprężenia, stan płaskiego odkształcenia -relacje pomiędzy współczynnikem intensywności naprężenia i energią pękania, typowe właściwości polimerów -udział i wpływ lokalnej deformacji plastycznej w generacji i propagacji pęknięcia -rola rys naprężeniowych -przejście krucho-plastyczne -doświadczalne metody badania wytrzymałości i odporności mechanicznej LEFM, całka J, EWF, testy inżynierskie udarności. -różnica pomiędzy wytrzymałością i odpornością mechaniczną -rola przejścia krucho-plastycznego -udział deformacji plastycznej w propagacji pęknięcia -strategie poprawy odporności mechanicznej -możliwości poprawy odporności mechanicznej -deformacja plastyczna przez ścinanie vs. giętkość łańcucha -rysy naprężeniowe vs. giętkość łańcucha i gęstość splątań -możliwości modyfikacji odporności mechanicznej w mieszaninach homogenicznych -poprawa odporności mechanicznej przez modyfikację struktury -czynnik- wpływające na odporność mechaniczną Modyfikacja elastomerami -mechanizmy poprawy odporności mechanicznej przez modyfikację elastomerami -rola wtrąceń elastomeru -modyfikacja rozkładu naprężeń przez wtrącenia: naprężenia termiczne, koncentracje naprężeń, kawitacja wtrąceń elastomeru -wpływ rozmiaru i koncentracji wtrąceń, odległość krytyczna pomiędzy wtrąceniami - modyfikacja lokalnej struktury i właściwości matrycy wokół wtrąceń możliwość modyfikacji sztywnymi cząstkami napełniaczy -kluczowe problemy wytwarzania materiałów o wysokiej odporności mechanicznej -przykłady mieszanin polimerów jako materiałów konstrukcyjnych i 3

4 użytkowych -HIPS PS o wysokiej udarności PPO/PS Noryl -mieszaniny kompatybilizowane, mieszanie reaktywne -mieszaniny wzmocnione włóknami Literatura Efekty uczenia się Metody i kryteria oceniania Praktyki zawodowe w ramach przedmiotu I.M.Ward, D.W.Hadley, A introduction to mechanical properties of solid polymers, Wiley, 1993 A.J.Kinloch, R.J.Young, Fracture Behaviour of Polymers, Appl.Sci.Publ., 1983 J.D.Ferry, Lepkosprężystość polimerów, PWN, 1965 G. Strobl, The physics of solid polymers, Springer Verlag, Berlin, 1996/2007 D. Paul, C. Bucknall (ed.), Polymer Blends, Wiley 2000 W.Przygocki, A.Włochowicz, Fizyka polimerów, PWN, Warszawa, 2001 G.H. Michler, F.J. Balta-Calleja, Nano- and Micromechanics of polymers, Hanser Student (doktorant) zapoznaje się z podstawowymi pojęciami w zakresie właściwości mechanicznych materiałów polimerowych, ich wzajemnych współzależności oraz zależności właściwości mechanicznych od struktury chemicznej i fizycznej materiału. 2.Zapoznaje się ze współczesnymi metodami i technikami badania poszczególnych właściwości mechanicznych. 3.Zapoznaje się ze znanymi i najczęściej stosowanymi metodami poprawy wybranych właściwości mechanicznych, ich zaletami, wadami i ograniczeniami. 4.Poznaje obszary zastosowań polimerów jako materiałów konstrukcyjnych. Wykład kończy się egzaminem. Nie dotyczy B) Opis przedmiotu cyklu [Wypełnia koordynator/prowadzący zajęcia, z wyjątkiem następujących pól, oznaczonych ciemniejszym kolorem: 1) cykl dydaktyczny, w którym przedmiot jest realizowany, 2) sposób zaliczenia przedmiotu w cyklu, 3) forma(y) i liczby godzin zajęć oraz sposoby ich zaliczenia, 4) imię i nazwisko koordynatora/ów przedmiotu cyklu, 5) imię i nazwisko osób prowadzących grupy zajęciowe przedmiotu, 6) atrybut przedmiotu, 7) grupy zajęciowe z opisem i limitem miejsc w grupach, 8) terminy i miejsca odbywania zajęć]. Nazwa pola Cykl dydaktyczny, w którym przedmiot jest realizowany Sposób zaliczenia przedmiotu w cyklu Imię i nazwisko koordynatora/ów Semestr III Egzamin Prof. Zbigniew Bartczak 4 Komentarz

5 przedmiotu cyklu Imię i nazwisko osób prowadzących grupy zajęciowe przedmiotu Atrybut (charakter) przedmiotu Efekty uczenia się, zdefiniowane dla danej formy zajęć w ramach przedmiotu Metody i kryteria oceniania danej formy zajęć w ramach przedmiotu Zakres tematów Prof. Zbigniew Bartczak Do wyboru 1.Student (doktorant) zapoznaje się z podstawowymi pojęciami w zakresie właściwości mechanicznych materiałów polimerowych, ich wzajemnych współzależności oraz zależności właściwości mechanicznych od struktury chemicznej i fizycznej materiału. 2.Zapoznaje się ze współczesnymi metodami i technikami badania poszczególnych właściwości mechanicznych. 3.Zapoznaje się ze znanymi i najczęściej stosowanymi metodami poprawy wybranych właściwości mechanicznych, ich zaletami, wadami i ograniczeniami. 4.Poznaje obszary zastosowań polimerów jako materiałów konstrukcyjnych. Wykład kończy się egzaminem. Wykład Właściwości mechaniczne układów polimerowych jest obejmuje następujące zagadnienia:: - pojęcia wstępne: zakres właściwości mechanicznych, sprężystość, naprężenie, odkształcenie, deformacja plastyczna, płynięcie, lepkospręzystość - typy materiałów konstrukcyjnych -porównanie wybranych właściwości mechanicznych różnych materiałów -zależności od temperatury i ciśnienia, wpływ przemian fazowych -charakterystyka i etapy deformacji polimeru -specyfika deformacji polimerów, zależność przebiegu deformacji od temperatury i szybkości odkształcenia -teoria sprężystości liniowej(małe odkształcenia) -podstawowe stany naprężeń - prawo Hooke a, uogólnione prawo Hooke a -wsółczynnik Poissona -współzależności pomiędzy modułem sprężystości, modułem odkształcenia postaciowego modułem ściśliwości - elastomery stan wysokiej elastyczności -termodynamika odkształcenia elatomeru, funkcja energii odkształcenia -naprężenie i odkształcenie przy dużych (skończonych) deformacjach - prawo Hooke a i równania konstytutywne dla odkształceń skończonych -niezmiennik deformacji, równanie Mooneya-Rivlina -statystyczna teoria sprężystości kauczukowej -sprężystość pojedynczego łańcucha -sieć polimerowa, sieci idealne i rzeczywiste - sprężystość sieci idealnej: sieć afiniczna, fantomowa i ograniczoną fluktuacją węzłów -fizyczne węzły sieci splątania, krystality -sprężystość sieci rzeczywistych, odstępstwa od sieci idealnej, współczesne próby opisu i modele sieci rzeczywistych -metody badania właściwości sprężystych polimerów i elastomerów -wprowadzenie pojęcia lepkosprężystości i omówienie jej istoty -liczba Debory - zakres zachowań lepkosprężystych polimerów -przykłady odpowiedzi lepkosprężystych 5

6 - zjawisko relaksacji naprężeń -pełzanie -zasada superpozycji Boltzmana -zależności od temperatury i czasu zasada superpozycji czasowo-temperaturowej -równanie WLF -lepkosprężystość liniowa, analogi mechaniczne -modele Maxwella, Kelvina-Voigta, modele złożone -widma czasów relaksacji, czasów retardacji -interpretacja molekularna zjawiska lepkosprężystości -wpływ splątań łańcuchów na procesy relaksacyjne -model Rouse a -model relaksacji przez reptację -pomiary właściwości lepkosprężystych metodami dynamicznymi - przejścia relaksacyjne -przejścia relaksacyjne w polimerach amorficznych -czynniki wpływające na temperatury przejść relaksacyjnych (Tg) -przejścia relaksacyjne w polimerach częściowo-krystalicznych -pojęcie granicy plastyczności -kryteria plastyczności, Schmidt, Coulomb, Tresca, Huber-von Misses -pozorny spadek naprężenia na granicy plastyczności -konstrukcja Considere -granica plastyczności mechamizmy: ścinanie, rysy napręże -tworzenie szyjki przy rozciąganiu -rysy naprężeniowe powstawanie, propagacja, mechanizm -lepkosprężysta natura przejścia plastycznego -model Eyringa -interpretacja molekularna lepkosprężystej natury przejścia plastycznego -przejście plastyczne w polimerach częściowo-krystalicznych -deformacja plastyczna kryształów polimerowych -poślizg krystalograficzny -specyfika poślizgu w kryształach polimerowych -poślizg homo- i heterogeniczny -rola dyslokacji -rodzaje dyslokacji i ich źródła podczas deformacji -oszacowania teoretyczne naprężenia na granicy plastyczności, porównanie z wynikami obserwacji doświadczalnych -zależność granicy plastyczności od grubości lamel i temperatury -zbliźniaczanie pod wpływem naprężenia -transformacje martenzytyczne -deformacja grup lamel krystalicznych: poślizg międzylamelarny, -separacja lamel -przebieg deformacji przy dużych odkształceniach -model Peterlina, -hipoteza topnienia/rekrystalizacji -model krystalograficzny -niestabilności podczas deformacji- łamanie lamel, fragmentacja -schemat deformacji Strobla -udział fazy amorficznej i krystalicznej -kawitacja podczas deformacji -orientacja molekularna -orientacja polimerów - anizotropia właściwości -metody oceny orientacji, współczynnik orientacji, mapy i funkcje rozkładu orientacji -metody uzyskiwania wysokiej orientacji polimerów, laboratoryjne i przemysłowe -właściwości mechaniczne materiałów orientowanych 6

7 -teoretyczne oszacowanie wytrzymałości i porównanie z doświadczeniem -koncentracje naprężeń -teoria pękania Griffitha -pękanie na poziomie molekularnym -opis kinetyczny -etapy procesu pękania -mechanika pękania podejście energetyczne, liniowo-sprężysta mechanika pękania, materiały nieliniowe -stan płaskiego naprężenia, stan płaskiego odkształcenia -relacje pomiędzy współczynnikem intensywności naprężenia i energią pękania, typowe właściwości polimerów -udział i wpływ lokalnej deformacji plastycznej w generacji i propagacji pęknięcia -rola rys naprężeniowych -przejście krucho-plastyczne -doświadczalne metody badania wytrzymałości i odporności mechanicznej LEFM, całka J, EWF, testy inżynierskie udarności. -różnica pomiędzy wytrzymałością i odpornością mechaniczną -rola przejścia krucho-plastycznego -udział deformacji plastycznej w propagacji pęknięcia -strategie poprawy odporności mechanicznej -możliwości poprawy odporności mechanicznej -deformacja plastyczna przez ścinanie vs. giętkość łańcucha -rysy naprężeniowe vs. giętkość łańcucha i gęstość splątań -możliwości modyfikacji odporności mechanicznej w mieszaninach homogenicznych -poprawa odporności mechanicznej przez modyfikację struktury -czynnik- wpływające na odporność mechaniczną Modyfikacja elastomerami -mechanizmy poprawy odporności mechanicznej przez modyfikację elastomerami -rola wtrąceń elastomeru -modyfikacja rozkładu naprężeń przez wtrącenia: naprężenia termiczne, koncentracje naprężeń, kawitacja wtrąceń elastomeru -wpływ rozmiaru i koncentracji wtrąceń, odległość krytyczna pomiędzy wtrąceniami - modyfikacja lokalnej struktury i właściwości matrycy wokół wtrąceń możliwość modyfikacji sztywnymi cząstkami napełniaczy -kluczowe problemy wytwarzania materiałów o wysokiej odporności mechanicznej -przykłady mieszanin polimerów jako materiałów konstrukcyjnych i użytkowych -mieszaniny kompatybilizowane, mieszanie reaktywne -mieszaniny wzmocnione włóknami Metody dydaktyczne Literatura Wykład interaktywny Jak wyżej 7

8 8