利用納米力學(xué)系統(tǒng)研究多相橡塑材料的微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能.pdf

1、聚合物基復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)良的物理化學(xué)特性以及多功能性、結(jié)構(gòu)易設(shè)計(jì)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。為了滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧显絹?lái)越高的性能和結(jié)構(gòu)的要求，從微觀上設(shè)計(jì)、表征材料的結(jié)構(gòu)和性能顯得尤為重要。納米壓痕技術(shù)是一種測(cè)試材料微尺度力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，該方法通過(guò)記錄壓痕過(guò)程中的載荷和深度的變化關(guān)系獲得材料局部力學(xué)性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的表征。近年來(lái)雖然納米壓入技術(shù)在實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)原理及儀器分

2、辨率等方面有了明顯的提高，但是對(duì)于高分子聚合物材料，尤其是粘彈性材料的微區(qū)力學(xué)性能的測(cè)試與應(yīng)用仍然存在很多問(wèn)題。本文圍繞納米壓痕技術(shù)在橡塑材料中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。
　　復(fù)合材料的整體力學(xué)性能與組成相及界面的力學(xué)性能密切相關(guān)，本文利用納米壓痕技術(shù)對(duì)納米顆粒增強(qiáng)的塑料、顆粒增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料和并用膠各組成相及其界面進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)性能表征，通過(guò)繪制同力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)的三維形貌圖來(lái)建立復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)同宏觀性能之間的關(guān)系。另外粘彈性會(huì)影響納米

3、壓痕力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果，本文通過(guò)改變壓痕實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試條件，從微尺度研究了材料的粘彈性。具體的研究工作如下:
　　(1)采用準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓痕技術(shù)研究了羥基磷灰石/聚乳酸(HA/PLA)復(fù)合材料在微尺度的表面力學(xué)性能。通過(guò)改變保載時(shí)間、卸載時(shí)間討論了粘彈性對(duì)樣品準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響;在動(dòng)態(tài)模式下探究了材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能;通過(guò)蠕變行為和劃痕測(cè)試研究了復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性。結(jié)果表明準(zhǔn)靜態(tài)模式下只有當(dāng)蠕變不充分時(shí)，加載條件會(huì)影響模量和硬度的

4、測(cè)試結(jié)果;動(dòng)態(tài)模式下存儲(chǔ)模量和硬度隨著壓入深度的增加而減小。HA/PLA復(fù)合物的微區(qū)硬度曲線顯示在相同載荷下，局部壓痕塑性變形較小，表明HA提高了PLA的力學(xué)性能。
　　(2)利用納米壓痕技術(shù)表征鈦酸銅鈣/硅橡膠(CCTO/PDMS)復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)信息，主要工作集中在利用超低載荷的壓痕條件繪制同力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)的三維相貌圖，從而反映微結(jié)構(gòu)同宏觀性能之間的關(guān)系，并分析不同粒徑的CCTO對(duì)基體增強(qiáng)效果產(chǎn)生差異的原因。通過(guò)比較不同載荷繪

5、制得到的模量圖，得出5μN(yùn)為最佳載荷。通過(guò)比較不同顆粒周圍微區(qū)的模量變化曲線發(fā)現(xiàn)CCTO粒徑小于1μm時(shí)，隨著粒徑的減小，基體微區(qū)模量增大，界面過(guò)渡區(qū)范圍擴(kuò)大，表現(xiàn)出模量均化現(xiàn)象，但粒徑降低為300nm時(shí)，微區(qū)模量不再增加，表明顆粒增強(qiáng)效果與顆粒粒徑有關(guān)。
　　(3)利用納米壓痕技術(shù)對(duì)膠粉并用膠進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)納米壓痕實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中的加載、保載、卸載時(shí)間，研究了時(shí)間速率對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響;在動(dòng)態(tài)模式下探究了測(cè)試頻率

6、，動(dòng)態(tài)載荷對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。綜合考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用加載和卸載時(shí)間5s，保載20s作為準(zhǔn)靜態(tài)模式下的理想測(cè)試條件。動(dòng)態(tài)壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明存儲(chǔ)模量依賴于載荷的頻率，膠粉含量越多，對(duì)測(cè)試頻率的依賴性越明顯;損耗因子隨著頻率的增加先增大后減小;相同頻率下動(dòng)態(tài)力越大，損耗角越大。通過(guò)測(cè)試不同膠粉含量的并用膠的微區(qū)力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)隨著膠粉含量的增加，微區(qū)內(nèi)部膠粉分布密集，由于硫化不均形成的具有交聯(lián)梯度的界面越多，材料在宏觀力學(xué)性能上表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度隨著膠