原位X射線檢測聚合物(非晶硫、sPP)拉伸過程中的結構變化與力學性能關系.pdf

1、高分子物理主要由三個部分組成：第一方面是高分子的結構，包括單個分子的結構和聚集態(tài)的結構，高分子不同尺度的結構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，高分子材料的結構與力學性能關系，高分子有很多尺度上的結構，這些結構的協(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，可以獲得材料的結構變化對其力學行性能的影響。同時，可以獲得合適的加工方法，指導生產并

2、為工業(yè)加工提供試驗基礎。本論文分為三個部分：第一部分是拉伸裝置的設計及應用；第二部分為非晶硫(活性聚合物)的原位拉伸實驗；第三個部分為間規(guī)聚丙烯sPP(晶體聚合物)的原位拉伸實驗： (一)為了連接材料的微觀結構和宏觀力學性能，必須建立一套原位檢測裝置，可以同時獲得材料形變過程中的微觀結構變化和力學性能特性兩個重要數(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、受測樣品的溫度可調等特性，配有高分辨率CCD攝

3、像頭，可以同時給出材料的工程應力-應變和真應力-應變曲線。配套有Labview處理程序，可以實時觀測樣品的寬度變化、控制電機的轉速、控制樣品溫度。結合表征手段(X射線散射、紅外光譜、小角激光散射等)可以同時給出材料形變過程中的結構變化信息。 (二)拉伸誘導非晶硫的相轉變以及微觀結構變化對樣品力學性能的影響。 通過快速增壓過程獲得大塊非晶硫(直徑為20mm，厚度為3mm)，非晶硫實際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)，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。利用快速增壓瞬間凍結單質硫熔體狀態(tài)時的結構，可以得到大塊的非品單質硫。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構變化，并指出了拉伸速率在其結構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、個很寬的拉伸速率范圍里研究拉伸對材料結構變化的影響。該裝置附有高精度力傳感器，其精度為0．1N，可實時反饋材料的力學特性。(2)利用Mar345廣角X射線衍射儀，實時檢測非晶硫的相變、結晶、晶體取向等微觀結構變化情況，兩者的聯(lián)用給出材料的微觀結構和力學性能的關系，得到不同拉伸速率對材料結構的影響。相同的實驗溫度下(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方面討論加工方法對材料力學性能和結構的影響，得出的結論是：溫度場和外力場的耦合作用會影響非晶硫聚合物的結構變化。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，當拉伸速率高于某一臨界拉伸速率1．74μm/s時，外力場的作用占主導地位，可以得到纖維硫；當拉伸速率低于此臨界值時，溫度場起主要作用，得到單斜硫。 (三)拉伸過程中sPP的結構變化，以及片晶厚

7、度對其力學性能的影響。 sPP是一種晶體聚合物，應用廣泛。多用作制造薄膜、復合薄膜，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，晶體聚合物的結構更復雜，研究其結構與力學性能關系一直是人們關注的重要課題。創(chuàng)新在于，通過不同的溫度下等溫結晶、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，片晶厚度對其力學性能的影響，同時研究不同厚度的片晶在拉伸過程中的微觀結構變化。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構變化。同時把工程應力—應變曲線分為3個部分：完全彈性區(qū)、完全彈性區(qū)-屈服點的過渡區(qū)、屈服后。觀察這些區(qū)域內晶體部分的微觀結構變化，以及這些變化對材料力學性能的影響：比如結構變化和材料的彈性模量、屈服強度等等。本次實驗是在相同的拉仲速率、相同的實驗溫度、初始樣品結晶度基本相等的情況下進行，研究了拉伸過程中外部