原位X射線檢測聚合物(非晶硫、sPP)拉伸過程中的結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)性能關(guān)系.pdf

1、高分子物理主要由三個(gè)部分組成：第一方面是高分子的結(jié)構(gòu)，包括單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)，高分子不同尺度的結(jié)構(gòu)共同決定了材料的各種性能。第二方面是高分子材料的性能，區(qū)別于小分子材料，高分子材料具備特有的粘彈性。第三，高分子材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系，高分子有很多尺度上的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用共同確定了高分子材料的性能。研究高分子材料在加工過程中的物理問題，可以獲得材料的結(jié)構(gòu)變化對其力學(xué)行性能的影響。同時(shí)，可以獲得合適的加工方法，指導(dǎo)生產(chǎn)并

2、為工業(yè)加工提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。本論文分為三個(gè)部分：第一部分是拉伸裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用；第二部分為非晶硫(活性聚合物)的原位拉伸實(shí)驗(yàn)；第三個(gè)部分為間規(guī)聚丙烯sPP(晶體聚合物)的原位拉伸實(shí)驗(yàn)： (一)為了連接材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能，必須建立一套原位檢測裝置，可以同時(shí)獲得材料形變過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化和力學(xué)性能特性兩個(gè)重要數(shù)據(jù)。為此，我們自行研制了一臺微型精密拉伸裝置，該裝置具有拉伸速率可調(diào)、受測樣品的溫度可調(diào)等特性，配有高分辨率CCD攝

3、像頭，可以同時(shí)給出材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。配套有Labview處理程序，可以實(shí)時(shí)觀測樣品的寬度變化、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制樣品溫度。結(jié)合表征手段(X射線散射、紅外光譜、小角激光散射等)可以同時(shí)給出材料形變過程中的結(jié)構(gòu)變化信息。 (二)拉伸誘導(dǎo)非晶硫的相轉(zhuǎn)變以及微觀結(jié)構(gòu)變化對樣品力學(xué)性能的影響。 通過快速增壓過程獲得大塊非晶硫(直徑為20mm，厚度為3mm)，非晶硫?qū)嶋H上是一種超分子材料，是由長鏈硫原子組成的

4、高分子材料。高溫情況下(溫度高于140℃時(shí))，熔融狀的硫是一種高分子熔體，具有高分子熔體的所有特征：比如粘度高、分子量大等特點(diǎn)。利用快速增壓瞬間凍結(jié)單質(zhì)硫熔體狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)，可以得到大塊的非品單質(zhì)硫。利用自制的精密拉伸裝置與廣角WAXD衍射儀聯(lián)用，第一次原位在線觀測到非晶高分子硫的結(jié)構(gòu)變化，并指出了拉伸速率在其結(jié)構(gòu)變化過程中的重要作用：(1)精密拉伸裝置精確控制拉伸速率和拉伸長度，拉伸速度可變，可變范圍為0．58—348gm/s。首次在一

5、個(gè)很寬的拉伸速率范圍里研究拉伸對材料結(jié)構(gòu)變化的影響。該裝置附有高精度力傳感器，其精度為0．1N，可實(shí)時(shí)反饋材料的力學(xué)特性。(2)利用Mar345廣角X射線衍射儀，實(shí)時(shí)檢測非晶硫的相變、結(jié)晶、晶體取向等微觀結(jié)構(gòu)變化情況，兩者的聯(lián)用給出材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系，得到不同拉伸速率對材料結(jié)構(gòu)的影響。相同的實(shí)驗(yàn)溫度下(25℃)，以1．74—5．8μm/s的速率拉伸可以得到纖維硫，而1．74μm/s以下的拉伸速率下得到硫的單斜相，由此可以確定

6、臨界拉伸速率為1．74μm/s。(3)從外力場和溫度場兩個(gè)方面討論加工方法對材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的影響，得出的結(jié)論是：溫度場和外力場的耦合作用會(huì)影響非晶硫聚合物的結(jié)構(gòu)變化。在一定的溫度下(室溫25℃)，力場的作用隨著拉伸速率的提高越來越明顯，當(dāng)拉伸速率高于某一臨界拉伸速率1．74μm/s時(shí)，外力場的作用占主導(dǎo)地位，可以得到纖維硫；當(dāng)拉伸速率低于此臨界值時(shí)，溫度場起主要作用，得到單斜硫。 (三)拉伸過程中sPP的結(jié)構(gòu)變化，以及片晶厚

7、度對其力學(xué)性能的影響。 sPP是一種晶體聚合物，應(yīng)用廣泛。多用作制造薄膜、復(fù)合薄膜，有良好的透明性和表面光澤，能耐120℃的溫度。與非晶聚合物(如：非晶硫)不同，晶體聚合物的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，研究其結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系一直是人們關(guān)注的重要課題。創(chuàng)新在于，通過不同的溫度下等溫結(jié)晶、淬火后高溫回火等手段，得到具有不同片晶厚度的sPP材料。研究在單軸拉伸過程中，片晶厚度對其力學(xué)性能的影響，同時(shí)研究不同厚度的片晶在拉伸過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。以

8、(200)晶面為研究對象，利用該晶面的X射線的衍射圖譜的特征(包括峰位、衍射方位角、半峰全寬、衍射峰面積等參數(shù))來分析材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)把工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線分為3個(gè)部分：完全彈性區(qū)、完全彈性區(qū)-屈服點(diǎn)的過渡區(qū)、屈服后。觀察這些區(qū)域內(nèi)晶體部分的微觀結(jié)構(gòu)變化，以及這些變化對材料力學(xué)性能的影響：比如結(jié)構(gòu)變化和材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度等等。本次實(shí)驗(yàn)是在相同的拉仲速率、相同的實(shí)驗(yàn)溫度、初始樣品結(jié)晶度基本相等的情況下進(jìn)行，研究了拉伸過程中外部