半晶態(tài)高分子材料微尺度粘彈性力學(xué)行為研究.pdf

1、高分子材料的粘彈性力學(xué)特性是其工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用的重要基礎(chǔ)與依據(jù)，隨著其在微納結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，發(fā)展具有高分辨率的力學(xué)性能測(cè)試方法表征其微納尺度下的相關(guān)粘彈性力學(xué)行為具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以半晶態(tài)高分子材料Polyamide12（PA12）為研究對(duì)象，采用儀器化微/納米壓入測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行原位測(cè)試，基于壓入過程所得加載段、保載段和卸載段的測(cè)試結(jié)果，從細(xì)觀角度系統(tǒng)研究了PA12的粘彈性力學(xué)行為，并將微壓入蠕變與宏觀蠕變的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分

2、析。具體研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：
　?。?）采用微壓入載荷控制法和應(yīng)變率控制法（結(jié)合連續(xù)剛度測(cè)量技術(shù)，CSM）研究了加載速率及應(yīng)變率對(duì)PA12加載過程載荷位移響應(yīng)的影響。
　　結(jié)果表明，加載過程中加載指數(shù)m是與材料硬度相關(guān)的參數(shù)，m＜2表明壓入時(shí)材料發(fā)生軟化，而m＞2則表明發(fā)生硬化；恒載荷速率加載時(shí)特征應(yīng)變率與載荷速率無關(guān)，而與加載指數(shù)成反比。由于塑性變形區(qū)晶體相位錯(cuò)和非晶相熱激活的混合變形機(jī)理，PA12在恒載荷速率加載時(shí)表現(xiàn)為

3、軟化，而通過應(yīng)變率控制加載且應(yīng)變率小于0.2 s-1時(shí)材料則表現(xiàn)為硬化。基于彈性接觸理論計(jì)算卸載初始段卸載剛度的方法不再有效，研究通過接觸硬度反推其表觀卸載剛度的結(jié)果顯示卸載剛度及彈性模量隨卸載速率的增加而減小。
　　（2）為消除卸載初始段“鼻子”現(xiàn)象所引起的彈性模量值的過高測(cè)量，基于彈性接觸理論提出一種不受加載條件影響的彈性模量計(jì)算方法。結(jié)果表明，通過給定的蠕變校正因子定義式，彈性模量值不再受卸載速率與保載時(shí)間的影響且計(jì)算過程明

4、顯簡(jiǎn)化；隨著保載時(shí)間和卸載速率的提高，蠕變校正因子趨近于1，經(jīng)蠕變校正后的彈性模量值為一穩(wěn)定值。
　?。?）針對(duì)階躍加載、斜坡加載和應(yīng)變率加載三種加載方式作用后保載段的測(cè)試結(jié)果，采用唯象流變學(xué)模型分析了壓入蠕變段的粘彈性響應(yīng)。結(jié)果表明，階躍加載后保載時(shí)，不同載荷條件下所得蠕變?nèi)崃考把舆t譜基本相同，表現(xiàn)為線性粘彈性特征；而對(duì)于斜坡加載，加載段材料的結(jié)構(gòu)松弛使得低速率預(yù)加載后保載所得蠕變?nèi)崃吭龃?，同時(shí)隨著預(yù)加載速率的降低，延遲譜峰強(qiáng)減

5、弱且代表小分子運(yùn)動(dòng)的延遲峰消失；對(duì)于應(yīng)變率加載后保載段的蠕變響應(yīng)，隨著加載應(yīng)變率的減小，延遲峰峰強(qiáng)將顯著減弱直至完全消失。
　　（4）為表征不同載荷壓入保載時(shí)粘彈性材料的蠕變響應(yīng)，基于二次力學(xué)單元構(gòu)建了一種描述蠕變變形過程的唯象學(xué)粘彈性模型。結(jié)果表明該模型可有效預(yù)測(cè)幾何自相似尖銳壓頭壓入保載段蠕變響應(yīng)的全過程，蠕變位移和蠕變位移速率均與保載載荷的平方根成正比，而蠕變應(yīng)變率則與保載載荷無關(guān)。
　?。?）針對(duì)宏觀與微觀蠕變參量之