PTFE基納米復合材料微觀結構定量分析.pdf

1、材料微觀結構研究對宏觀性能分析具有重要意義，目前聚合物基納米復合材料微觀結構以定性分析為主，定量分析較少。本文以PTFE基納米復合材料微觀結構定量分析及探討其與宏觀性能之間相關性為目標，以冷壓燒結法制備了3種納米材料在不同質量分數(shù)(3％、5％、7％、9％)及不同處理方式（納米顆粒未處理與偶聯(lián)劑表面處理）情況下的納米A(1)N/PTFE、納米SiC/PTFE、納米Si3N4/PTFE復合材料，用JSM-6000掃描電子顯微鏡對PTFE基納

2、米復合材料微觀結構進行圖像采集，利用Visual C++及Matlab軟件設計了納米復合材料微觀結構圖像處理程序，包含圖像預處理、圖像分割、圖像形態(tài)學處理、區(qū)域標記、微觀結構特征參數(shù)提?。w粒平均面積分數(shù)、顆粒面積相對標準差、顆粒分布均勻度、顆粒分布相對標準差、顆粒分布分形維數(shù)、微裂紋區(qū)域特征及微裂紋分布分形維數(shù)）等功能，定量表征了PTFE基納米復合材料微觀結構特征，并對復合材料宏觀性能（拉伸強度、斷裂伸長率、沖擊強度、硬度、磨損量、摩

3、擦系數(shù)）進行測試和分析，研究了PTFE基納米復合材料宏觀性能與微觀結構之間關系。得出主要結論如下:
　　 (1) PTFE基納米復合材料微觀結構SEM圖像經(jīng)預處理后，圖像質量提高，對比度明顯加強，灰度級變寬，納米顆粒及微裂紋顯示清晰，易于圖像分割。形態(tài)學處理有利于提取納米顆粒及微裂紋在復合材料中的有用信息，區(qū)域標記能賦予各目標物不同灰度值，以便于區(qū)分納米復合材料微觀結構中目標物和定量分析微觀結構特征參數(shù)。顆粒平均面積分數(shù)及顆粒面

4、積相對標準差用于表征復合材料中納米顆粒的團聚程度，顆粒平均面積分數(shù)及顆粒面積相對標準差越小，則納米顆粒團聚程度越小，分散度高，分散質量越好。顆粒分布均勻度及顆粒分布相對標準差用于表征納米顆粒在基體中的分布狀況，顆粒分布均勻度越大，顆粒分布相對標準差越小，則顆粒在基體中分布越均勻。顆粒分布分形維數(shù)用于綜合評價復合材料中納米顆粒的分散質量及分布狀況。微裂紋區(qū)域特征參數(shù)及分布分形維數(shù)用于表征復合材料中納米顆粒與基體的界面結合質量，微裂紋面積分

5、布、長度分布、取向角分布可用于分析微裂紋尺寸分布及數(shù)量分布，取向角分布相對標準差及分布分形維數(shù)可用于分析微裂紋在復合材料中的分布狀況。
　　 (2)隨著納米顆粒質量分數(shù)增加，三種PTFE基納米復合材料顆粒分散度均有下降趨勢，納米顆粒團聚程度增加，但在質量分數(shù)7％時顆粒分散度較大，納米顆粒在PTFE中分散質量較好。隨著納米顆粒質量分數(shù)增加，三種PTFE基納米復合材料顆粒分布均勻度先增大后減小，納米A(1)N質量分數(shù)為5％，納米Si

6、C、Si3N4顆粒質量分數(shù)為7％時，顆粒分布均勻度較大，納米顆粒在PTFE中分布均勻較好。顆粒分布分形維數(shù)隨納米顆粒質量分數(shù)增加而增大。
　　 (3)微裂紋面積分布、長度分布直方圖表明，隨著納米顆粒質量分數(shù)增加，三種PTFE基納米復合材料微觀表面微裂紋數(shù)量先增多后減少;納米A(1)N質量分數(shù)為5％，納米SiC、Si3N4顆粒質量分數(shù)為7％時，微裂紋數(shù)量較多，同時微裂紋取向角分布相對標準差較小，微裂紋分布分形維數(shù)較大，表明微裂紋分

7、布范圍大且混亂，定向性低，更加趨于各向同性。
　　 (4)偶聯(lián)劑處理使納米SiC/PTFE、納米Si3N4/PTFE復合材料顆粒分散度、顆粒分布均勻度、顆粒分布分形維數(shù)增大，納米A(1)N/PTFE復合材料顆粒分散度及顆粒分布分形維數(shù)增大、顆粒分布均勻度減小;偶聯(lián)劑處理使納米SiC/PTFE、納米Si3N4/PTFE復合材料微裂紋取向角分布相對標準差減小、分布分形維數(shù)減小，而納米A1N/PTFE復合材料微裂紋取向角分布相對標準差

8、及分布分形維數(shù)均增大。
　　 (5)納米A(1)N/PTFE復合材料宏觀機械性能與微觀結構特征參數(shù)關系研究表明，納米A(1)N/PTFE復合材料拉伸性能、沖擊性能、硬度、耐磨性能、減摩性能與顆粒分布分形維數(shù)之間均存在較好的線性相關性，它們的相關系數(shù)R2值較大。
　　 (6)本文所設計的圖像處理方法可以很好地完成PTFE基納米復合材料微觀結構SEM圖像處理工作，可對微觀結構特征參數(shù)進行提取并定量分析其與宏觀性能之間相關性，