利用納米力學系統(tǒng)研究多相橡塑材料的微結構及力學性能.pdf

1、聚合物基復合材料由于具有比強度高、比模量大、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)良的物理化學特性以及多功能性、結構易設計、易加工等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領域。為了滿足各個領域對材料越來越高的性能和結構的要求，從微觀上設計、表征材料的結構和性能顯得尤為重要。納米壓痕技術是一種測試材料微尺度力學性能的實驗方法，該方法通過記錄壓痕過程中的載荷和深度的變化關系獲得材料局部力學性能，可以實現(xiàn)對復合材料微結構的表征。近年來雖然納米壓入技術在實驗方法，實驗原理及儀器分

2、辨率等方面有了明顯的提高，但是對于高分子聚合物材料，尤其是粘彈性材料的微區(qū)力學性能的測試與應用仍然存在很多問題。本文圍繞納米壓痕技術在橡塑材料中的應用進行了相關研究。
　　復合材料的整體力學性能與組成相及界面的力學性能密切相關，本文利用納米壓痕技術對納米顆粒增強的塑料、顆粒增強橡膠復合材料和并用膠各組成相及其界面進行細觀力學性能表征，通過繪制同力學性能相對應的三維形貌圖來建立復合材料微結構同宏觀性能之間的關系。另外粘彈性會影響納米

3、壓痕力學性能的測試結果，本文通過改變壓痕實驗中的測試條件，從微尺度研究了材料的粘彈性。具體的研究工作如下:
　　(1)采用準靜態(tài)和動態(tài)壓痕技術研究了羥基磷灰石/聚乳酸(HA/PLA)復合材料在微尺度的表面力學性能。通過改變保載時間、卸載時間討論了粘彈性對樣品準靜態(tài)力學性能的影響;在動態(tài)模式下探究了材料的動態(tài)力學性能;通過蠕變行為和劃痕測試研究了復合材料的尺寸穩(wěn)定性。結果表明準靜態(tài)模式下只有當蠕變不充分時，加載條件會影響模量和硬度的

4、測試結果;動態(tài)模式下存儲模量和硬度隨著壓入深度的增加而減小。HA/PLA復合物的微區(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的力學性能。
　　(2)利用納米壓痕技術表征鈦酸銅鈣/硅橡膠(CCTO/PDMS)復合材料的微結構信息，主要工作集中在利用超低載荷的壓痕條件繪制同力學性能相對應的三維相貌圖，從而反映微結構同宏觀性能之間的關系，并分析不同粒徑的CCTO對基體增強效果產(chǎn)生差異的原因。通過比較不同載荷繪

5、制得到的模量圖，得出5μN為最佳載荷。通過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，隨著粒徑的減小，基體微區(qū)模量增大，界面過渡區(qū)范圍擴大，表現(xiàn)出模量均化現(xiàn)象，但粒徑降低為300nm時，微區(qū)模量不再增加，表明顆粒增強效果與顆粒粒徑有關。
　　(3)利用納米壓痕技術對膠粉并用膠進行準靜態(tài)和動態(tài)納米壓痕實驗，通過改變準靜態(tài)實驗中的加載、保載、卸載時間，研究了時間速率對準靜態(tài)力學性能的影響;在動態(tài)模式下探究了測試頻率

6、，動態(tài)載荷對動態(tài)力學性能的影響。綜合考慮實驗結果采用加載和卸載時間5s，保載20s作為準靜態(tài)模式下的理想測試條件。動態(tài)壓痕實驗結果表明存儲模量依賴于載荷的頻率，膠粉含量越多，對測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;相同頻率下動態(tài)力越大，損耗角越大。通過測試不同膠粉含量的并用膠的微區(qū)力學性能發(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，材料在宏觀力學性能上表現(xiàn)為拉伸強度隨著膠