Деформационно-прочностные свойства.

Деформационно-прочностные свойства материалов – это комплекс свойств, которые реализуются при приложении к телу, изготовленному из материала, внешних механических нагрузок (напряжений). Эти свойства могут реализоваться в обратимом или необратимом изменении размеров и формы тела, способности тела выдерживать различные напряжения без разрушения. Механические (деформационно-прочностные) свойства полимерных изделий, используемых в медицинских целях очень важны для правильного их применения. В качестве примеров можно привести протезы костей, сосудов, зубов, мембраны аппаратов типа искусственное сердце, легкое, почки и т.д.

Основными характеристиками, описывающими деформационно-прочностные свойства любых тел являются модуль и прочность. Модуль – это количественная мера способности тела сопротивляться изменению размеров и формы при приложении к нему механических воздействий. Такими механическими воздействиями могут быть приложенные к телу механические силы различной направленности – растяжения, сжатия, сдвига, изгиба, кручения и др. Соответственно различают модуль при растяжении, изгибе, сдвиге и т.д. Наиболее часто используемой характеристикой материала является модуль упругости при растяжении (модуль Юнга). По значению модуля удается весьма успешно сопоставлять деформационные характеристики различных тел. Поскольку растягивающая сила может быть приложена к телам, имеющим различное поперечное сечение, то ее обычно приводят к единице площади поперечного сечения, подвергающегося воздействию этой силы, в результате чего появляется объективная характеристика механического воздействия – напряжение σ = f/S, где f – сила в Ньютонах; S – площадь в м². То есть напряжение имеет размерность Па (паскаль). Модуль упругости представляет собой отношение приложенного к телу напряжения к результирующему относительному удлинению Е = σ/ε; (ε = ∆ℓ /ℓ), где ℓ - исходная длина. Как и напряжение, модуль имеет размерность Па (МПа – 10⁶ Па; ГПа – 10⁹ Па).

Полимерные тела могут иметь значения модуля упругости от 1 МПа (модуль газов при сжатии) до десятков ГПа. Такой огромный диапазон значений Е определяется химической структурой и длиной макромолекул полимера, их гибкостью, то есть способностью изменять свою конформацию при тепловом движении или воздействии внешних сил. (Макромолекулы большинства высокомолекулярных соединений в невозмущенном (равновесном) состоянии находятся в конформации статистического клубка. При этом макромолекулы обладают сегментальной подвижностью – отдельные сегменты (части) макромолекулы могут совершать тепловые движения за счет вращения вокруг скелетных химических связей, в то время как центр масс всей макромолекулы остается в покое.) Кроме того, работает еще ряд факторов, которые находятся за пределами настоящего обсуждения. Чем выше гибкость макромолекул, тем ниже значения модуля упругости при данной температуре. Выше некоторой пороговой температуры (температуры стеклования) взаимная подвижность частей макромолекулы (сегментов) резко возрастает, что приводит к снижению значений Е на несколько порядков – полимерное тело переходит из стеклообразного аморфного состояния в высокоэластическое состояние. Оно характеризуется способностью тела претерпевать многократные обратимые большие по величине (достигающие сотен процентов) деформации при воздействии сравнительно небольших напряжений. Высокоэластическое состояние характерно только для тел макромолекулярной природы. Механизм высокоэластических деформаций на молекулярном уровне связан с распрямлением макромолекулярных клубков, что приводит к значительному снижению энтропии системы. При снятии напряжения макромолекулы за счет энтропийного фактора снова принимают форму клубка, а тело возвращает себе исходную форму.

Многие полимеры, например, полиэтилен, способны формировать кристаллические структуры. Это определенным образом отражается на их деформационно-прочностных и температурных характеристиках.

Важной механической характеристикой полимерных тел является прочность (предел прочности) – предельное напряжение, воздействие которого тело может выдержать без разрушения. Соответствуя напряжению, прочность имеет то же обозначение (σ) и размерность (Па). Как и модуль, прочность полимерных тел зависит от множества факторов, обычно эти величины коррелируют между собой.