基于二维广角X射线衍射技术的相转变实验设计

功能材料作为当今社会不可或缺的新型材料,是国家重点支持的高新技术领域的重要组成部分。而功能材料的研发离不开对其性能与晶体结构的研究,不同晶型的材料具有不同的功能特性。该文将最新的科研成果转化为实验教学内容,设计了“多功能高性能聚酰胺1相转变”的综合性创新实验,采用二维广角X射线衍射技术,重点研究了聚酰胺1的相转变与温度的变化规律。通过对测试条件的多角度设计,得到更加全面严谨的实验结果,有助于训练学生的逻辑思维能力和综合实验设计能力,加深学生对功能材料结构与性能关系的认识。

二维X射线衍射光谱原位检测单轴拉伸过程中等规聚丙烯晶体的结构演变

聚合物制品在使用过程中,人们最关心的是它的使用失效条件,失效的重要体现就是材料的屈服。目前为止,人们普遍利用位错理论来解释聚合物材料的屈服现象,该理论关注的是晶体的取向和破坏现象,而忽略了晶体的形变和受力情况。事实上,晶体的取向和破坏只是屈服的结果,晶体承受应力的能力才是屈服的直接原因。因此,从晶体的受力和非均匀形变入手研究了聚合物制品的屈服行为,期望为理解聚合物材料的失效行为提供新思路。这里选取被人们广泛使用的等规聚丙烯(iPP)材料作为研究对象,将iPP熔体在不同温度下等温结晶制备出具有不同片晶厚度iPP样品,利用二维广角X射线衍射光谱原位监测了拉伸过程中iPP样品的晶体破坏和晶体取向过程。首次利用“覆盖法”对二维X射线衍射图进行了处理,原位观察了(110)晶面在拉伸过程中的2θ角的变化,区分出了两个方向上(平行于拉伸方向和垂直于拉伸方向)晶体形变的非均一性。结果表明:对于不同片晶厚度的iPP晶体,在单轴拉伸过程中,晶体在不同方向上的受力和形变均是不同的,即晶体的非均一形变是一种普遍现象;晶体的破坏和取向总是同时发生,都是从屈服点位置处开始,这和片晶厚度无关;而晶体破坏时对应的临界应力和晶体厚度有关,片晶越厚,晶体越稳定,需要的临界应力就越大。以上结果表明,原位X射线衍射光谱技术可以实时观测晶体结构在拉伸过程中的变化情况,从而将晶体结构演化和宏观力学性能直接关联。

双轴取向聚乙烯薄膜晶体取向的二维X光衍射分析

聚乙烯膜的晶体取向决定着薄膜的多种力学性能和热力学性能。因此,针对薄膜晶体取向的表征显得非常重要,尤其是具有双轴取向的聚乙烯薄膜。通过二维广角衍射研究了单轴和双轴高取向聚乙烯薄膜的取向度。建立表征取向度的三种方法,包括Herman取向分析法、局部积分法和环向积分法。结果发现,上述方法均适用于所有的双轴取向的高分子薄膜,包括非晶态高分子薄膜。Herman取向分析法可以通过取向因子定量计算简单取向材料取向度;局部积分的方法能分析出衍射较弱方向晶体信息,更适用于取向度较复杂的样品;环向积分法能更直观地分析薄膜的取向特点、取向强度。