聚合物冷熱鐓粗變形行為研究.pdf

1、聚合物固態(tài)成形是類比金屬壓力加工和粉體成形技術,而發(fā)展起來的一類生產聚合物制品(制件)的特種制造技術,幾乎緊隨上世紀50年代塑料工業(yè)蓬勃發(fā)展而萌生,但能夠用于生產自增強高模量高強度聚合物類機械零件的鍛造技術,至今仍然沒有成熟和可靠的應用報道,導致數十年來許多以固態(tài)改性為目的所進行的聚合物形變強化(自增強)研究基本上屬于實驗技術性質,在聚合物類機械零件制造領域難以體現實用價值。
　　 本文研究采用鍛造技術中最基本的工序方法和最基本

2、的變形模式——“鐓粗”變形作為試驗方法,選取了五種聚合物材料、構建了加載壓縮比(變形程度)、變形溫度和變形速度等不同試驗條件,設計制造了熱壓鐓粗溫度箱和試驗壓頭,通過試驗和數據分析,研究了聚合物的冷、熱壓鐓粗變形行為,并將主要研究問題集中在鐓粗變形后的回彈方面,為熟悉、了解和掌握聚合物鍛造中最為困難的定形性問題建立了最基本的數據規(guī)律。
　　 經過本文研究,獲取了以下主要成果和有待進一步研究的問題。
　　 (1)延性不是聚

3、合物的本征固有性能,聚合物延性除與加熱溫度相關外,還與應力應變狀態(tài)等其他外部工藝因素相關。
　　 (2)一點的應力狀態(tài)可以用張量表征,應力狀態(tài)的球量(靜水壓)部分對聚合物體系中的自由體積進行壓縮,同時亦不破壞大分子主價鍵鍵力和強度。而偏量部分的剪切作用以切應變的響應效果表現為聚合物的宏觀幾何形狀變化。因此聚合物在非單向拉應力的復雜應力狀態(tài),尤其是以壓應力為主導的復雜應力狀態(tài)作用下,通常都具有延性大變形能力,所以不存在單向拉應力(

4、單向拉伸試驗)下的“韌性”和“脆性”差異,但是目前還比較缺乏有關復雜應力狀態(tài)對于大分子變形機理和大分子運動模式之影響的研究。
　　 (3)固態(tài)聚合物變形的“相(結構)-(凝聚)態(tài)”意義對于分析其延性變形機理、變形回彈具有重要意義,同時也是未來設計聚合物鍛造溫度的物理基礎。筆者針對本文試驗所用五種聚合物的固態(tài)變形,詳細地分析了不同溫度條件下變形的“相-態(tài)”意義。
　　 (4)拉伸取向結構的發(fā)展空間理論上不受空間約束,但冷、

5、熱壓鐓粗變形的取向結構均發(fā)生在有限尺度范圍內,并主要依靠應力偏量的切應變效果所貢獻,今后需要研究這類取向結構的發(fā)生機理以及這類結構對聚合物性能的影響。
　　 (5)熱壓鐓粗變形在彈性模量消失之前,可能改變冷壓鐓粗變形的應力應變曲線性質,如PMMA在冷壓鐓粗時基本上沒有顯示出應變強化現象,但在低溫高彈態(tài)下熱壓鐓粗時則出現了應變強化,對此本文尚無法解釋。
　　 (6)聚合物固態(tài)變形具有“強迫高彈變形-溫度凍結類塑性”、“高彈

6、變形-時效類塑性”、“晶構變形(熔晶回復)-晶構類塑性”、“皮革態(tài)(晶態(tài)固相+非晶態(tài)液相)變形-雙相混合類塑性”等不同形式。變形聚合物卸載后,未因這些類塑性作用而產生的回彈屬于聚合物的“本構回彈”。更廣泛地講,“本構回彈”是變形應力超越大分子鏈段位壘強迫其構象發(fā)生變化或鏈段發(fā)生運動后,起因于大分子長鏈柔性結構自然松弛本性而在卸除變形載荷之后發(fā)生的即時回彈和時效回彈的加和,也是大分子在復雜“相-態(tài)”條件下發(fā)生強迫高彈變形、高彈變形、晶構變

7、形、皮革態(tài)雙相變形等以后隨著卸載和應力松弛所發(fā)生的多種回彈數值的加和,其大小直接影響聚合物鐓粗后的定形性。
　　 (7)冷壓鐓粗變形卸載后的需要的應力應變平衡松弛(時效回彈)時間比熱壓鐓粗長,本文目前僅能以熱壓環(huán)境溫度在試樣保壓期間可能促進了應力應變平衡松弛為由給予簡單解釋。
　　 (8)冷壓鐓粗變形之后會出現數值極大的回彈,基于此筆者認為聚合物室溫開式鍛造的定形性很差,很難將回彈控制到鍛件要求的精度范圍,基本上沒有實用

8、價值,對有文獻將固態(tài)聚合物冷壓用于微成形的設想需要嚴格斟酌其可行性。
　　 (9)鐓粗變形回彈率隨變形程度增大而提高,原因是參與變形的大分子數量或其結構單元數量增多、鐓粗積累的壓力能增大、系統(tǒng)熵值升高、大分子自然松弛趨勢增強等。
　　 (10)熱壓鐓粗變形可以比冷壓鐓粗變形大幅度地降低變形回彈,這種現象在力學上源于加熱對聚合物產生的“溫度軟化效應”,熱力學上是加熱活化了大分子的運動,根據聚合物“相-態(tài)”意義,則是聚合物非

9、晶結構越過次級轉變溫度Tll和聚合物晶構越過預熔溫度Tαc。,分別從“固定流體”和晶相固態(tài)轉變?yōu)椤罢嬲簯B(tài)”和“準糊狀”半熔融固態(tài)的必然結果。
　　 (11)無論冷、熱壓鐓粗,提高變形速度都能降低變形回彈。對于冷壓鐓粗變形,這種效應主要來源于變形速度提高屈服應力、變形速度直接驅動遠程鏈段運動或局部大分子之間的相互滑移、以及應力球量對聚合物自由體積的壓縮等三方面因素。但對于熱壓鐓粗變形,快速變形疊加溫度效應將會產生“速度粘化效應”

10、,此效應不僅可以降低聚合物的變形回彈,而且還有可能將聚合物的變形回彈轉變?yōu)檎承宰冃问湛s。
　　 (12)固態(tài)聚合物鍛造的定形性既與變形回彈相關,但也需要人工設計補償才能滿足制品(制件)的尺寸和形狀精度。因此定形性的優(yōu)劣,或者說對定形性能否進行設計補償,關鍵在于回彈率的大小以及回彈引起的尺寸變化數值是否容易控制。本文試驗及其分析對比顯示:熱壓鐓粗非結晶型聚合物PMMA和ABS的平均回彈率分別不大于3％和5％,絕對回彈數值約10-1