PTFE基納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)定量分析.pdf

1、材料微觀結(jié)構(gòu)研究對(duì)宏觀性能分析具有重要意義，目前聚合物基納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)以定性分析為主，定量分析較少。本文以PTFE基納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)定量分析及探討其與宏觀性能之間相關(guān)性為目標(biāo)，以冷壓燒結(jié)法制備了3種納米材料在不同質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)合材料，用JSM-6000掃描電子顯微鏡對(duì)PTFE基納

2、米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像采集，利用Visual C++及Matlab軟件設(shè)計(jì)了納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)圖像處理程序，包含圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)處理、區(qū)域標(biāo)記、微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取（顆粒平均面積分?jǐn)?shù)、顆粒面積相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、顆粒分布均勻度、顆粒分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)復(fù)合材料宏觀性能（拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度、硬度、磨損量、摩

3、擦系數(shù)）進(jìn)行測(cè)試和分析，研究了PTFE基納米復(fù)合材料宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。得出主要結(jié)論如下:
　　 (1) PTFE基納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像經(jīng)預(yù)處理后，圖像質(zhì)量提高，對(duì)比度明顯加強(qiáng)，灰度級(jí)變寬，納米顆粒及微裂紋顯示清晰，易于圖像分割。形態(tài)學(xué)處理有利于提取納米顆粒及微裂紋在復(fù)合材料中的有用信息，區(qū)域標(biāo)記能賦予各目標(biāo)物不同灰度值，以便于區(qū)分納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)中目標(biāo)物和定量分析微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。顆粒平均面積分?jǐn)?shù)及顆粒面

4、積相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差用于表征復(fù)合材料中納米顆粒的團(tuán)聚程度，顆粒平均面積分?jǐn)?shù)及顆粒面積相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差越小，則納米顆粒團(tuán)聚程度越小，分散度高，分散質(zhì)量越好。顆粒分布均勻度及顆粒分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)復(fù)合材料中納米顆粒的分散質(zhì)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(fù)合材料中納米顆粒與基體的界面結(jié)合質(zhì)量，微裂紋面積分

5、布、長(zhǎng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)差及分布分形維數(shù)可用于分析微裂紋在復(fù)合材料中的分布狀況。
　　 (2)隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，三種PTFE基納米復(fù)合材料顆粒分散度均有下降趨勢(shì)，納米顆粒團(tuán)聚程度增加，但在質(zhì)量分?jǐn)?shù)7％時(shí)顆粒分散度較大，納米顆粒在PTFE中分散質(zhì)量較好。隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，三種PTFE基納米復(fù)合材料顆粒分布均勻度先增大后減小，納米A(1)N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，納米Si

6、C、Si3N4顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7％時(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。
　　 (3)微裂紋面積分布、長(zhǎng)度分布直方圖表明，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，三種PTFE基納米復(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，納米SiC、Si3N4顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7％時(shí)，微裂紋數(shù)量較多，同時(shí)微裂紋取向角分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)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(fù)合材料微裂紋取向角分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差減小、分布分形維數(shù)減小，而納米A1N/PTFE復(fù)合材料微裂紋取向角分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

8、及分布分形維數(shù)均增大。
　　 (5)納米A(1)N/PTFE復(fù)合材料宏觀機(jī)械性能與微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)關(guān)系研究表明，納米A(1)N/PTFE復(fù)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(guān)性，它們的相關(guān)系數(shù)R2值較大。
　　 (6)本文所設(shè)計(jì)的圖像處理方法可以很好地完成PTFE基納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像處理工作，可對(duì)微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行提取并定量分析其與宏觀性能之間相關(guān)性，