用基本断裂功表征聚合物的韧性

基本断裂功 (EWF)是一种新型的高分子材料断裂韧性的评价方法 ,它与通常使用的应力强度因子、应变能量释放速率及J -积分相比 ,具有显著的优点 ,因此逐渐受到高分子材料研究领域的广泛重视。简要介绍了EWF方法的理论背景和计算方法 。

用基本断裂功方法表征聚合物基纳米复合材料的韧性

将基本断裂功(EWF)方法成功地拓展应用于表征聚丙烯(PP)/纳米CaCO3二元共混体系、PP/乙烯-1-辛烯共聚物(POE)二元共混体系以及PP/POE/纳米CaCO3三元共混体系的冲击韧性。在PP/纳米CaCO3共混体系中,比基本断裂功(we)随着纳米CaCO3的加入而增加。在PP/POE共混体系中,we随POE的加入先减至最小值,而后大幅增加。在PP/POE/纳米CaCO3三元共混体系中,纳米CaCO3使we有进一步提高。并对不同体系共混物的不同βwp所揭示的断裂过程塑性形变机理进行了初步探讨。

韧性聚合物材料的基本断裂功和变形行为研究

用双边缺口拉伸试样研究了几种聚烯烃塑料薄片在平面应力条件下的破坏行为。从断裂功 -韧带长度关系得到反映断裂韧性的材料常数比基本断裂功和反映材料塑性变形行为的比非基本断裂功 ,藉此分析和解释了这些材料的韧性和塑性特征 ;同时验算处理表明这些材料的试样断裂伸长与韧带长度均呈直线关系 ,线性回归相关系数达到 0 97～ 0 99,由此求得了反映临界裂纹张开位移的材料参数等。这些参数可用于研究材料的变形能力和断裂行为 。

基本断裂功方法表征PP及弹性体增韧PP的冲击韧性

将基本断裂功(EWF)方法应用于聚丙烯(PP)、PP/(乙烯/丙烯/二烯)共聚物(EPDM)和PP/(乙烯/1-辛烯)共聚物(POE)共混体系的冲击韧性表征。结果表明,加入EPDM或POE后,共混物的比基本断裂功we和比塑性形变功βwp均有提高,说明弹性体的加入提高了材料抵抗裂纹扩展的能力和发生塑性形变的能力。含质量分数8%EPDM或POE的PP共混物的we和βwp高于含1%EPDM或POE的PP共混物。通过对试样冲击断面和应力发白区域的观察证实了EWF方法表征的结果。EWF方法为评价聚合物材料的断裂行为提供了更多的数据,是一种表征材料冲击韧性的极好的方法。

PP/EPDM共混物断裂性能的研究

采用三元乙丙橡胶(EPDM)对共聚聚丙烯(PP)增韧改性。研究了共混物的力学性能和断裂性能,着重采用基本断裂功方法探讨了材料组成对共混体系断裂性能的影响。研究发现:随EPDM用量的增加,共混物的拉伸强度逐渐下降,冲击强度均较纯PP有一定程度的提高。不同组成的PP/EPDM共混物的we均高于纯PP,we值随EPDM用量的增加呈先增大后减小的趋势,且we主要受we,n变化的影响,同样βwp的变化主要受βnwp,n变化的影响。

共聚聚丙烯材料的断裂行为

采用基本断裂功方法(EWF)评价了四种不同牌号共聚聚丙烯材料的断裂韧性和塑性功,并结合材料的热性能及力学性能进行了分析。研究发现,EWF方法比常规力学性能可更有效地揭示材料长期破坏行为的特征。各种共聚聚丙烯的比非基本断裂功βwp相差不太大,但长期断裂破坏行为较好的材料(A和B)的比基本断裂功we相对较大,说明它们在断裂过程中抵抗裂纹扩展的能力较强;而且其屈服前与屈服后的比基本断裂功we,y,we,n都比较大;长期断裂破坏行为较差的材料C的we,y,we,n均很低,而材料D的we,n虽较高,但we,y较小,这可能与材料的晶粒数量和大小有关。

聚丙烯/POE共混组成对材料断裂行为的影响

采用基本断裂功(EWF)方法对聚丙烯(PP)/聚烯烃弹性体(POE)共混物的注射双边缺口拉伸试样的断裂行为进行了研究,比较了不同POE含量对共混物各断裂参数的影响.结果表明,PP和用量为5phr POE的共混物都可完全满足EWF方法的要求,共混物的断裂韧性-比基本断裂功we,较PP有显著提高;POE用量为10phr以上的共混物则出现明显的成颈现象而限制了EWF方法的应用;PP和各种POE用量的共混物都得到了其屈服所需要的比基本断裂功we,y和比塑性功β′wp,y.

试样厚度对共聚聚烯烃材料断裂行为参数的影响

采用基本断裂功法对共聚聚丙烯压制双边缺口拉伸试样的断裂行为进行研究,分析了厚度变化对材料多项断裂参数的影响。结果表明,当厚度在0.6 mm^1.1 mm时,材料的断裂韧性we随厚度增大呈现出明显的下降趋势,下降幅度约30%,主要由屈服后的we,n降低所致,屈服前的we,y无明显变化;材料的比塑性功βwp随厚度增大未呈现明显的变化,且屈服前的βywp,y和屈服后的βnwp,n均无明显变化。同时求得了外推的零韧带断裂位移e0,b和最大载荷P0,y,随厚度增大,前者具有一定的下降趋势,后者则显示出较大的增长趋势。

PPR/OMMT纳米复合材料的EWF参数与力学性能

以马来酸酐接枝无规共聚聚丙烯(PPR-g-MAH)为相容剂,采用熔融插层法制备了无规共聚聚丙烯(PPR)/有机蒙脱土(OMMT)纳米复合材料,通过对PPR/OMMT纳米复合材料的基本断裂功(EWF)的表征,并结合它们的拉伸性能和冲击强度的测试分析,探讨了PPR/OMMT纳米复合材料的断裂机理和塑性变形机理,以及OMMT用量对PPR断裂强度和拉伸强度的影响;SEM观察揭示了OMMT在PPR基体中的分散性程度随含量的增加变差。结果表明:在PPR-g-MAH的作用下OMMT能有效提高PPR/OMMT的拉伸强度,OMMT质量分数低于4%时,PPR/OMMT纳米复合材料的冲击强度(Gc)、比基本断裂功(we)和塑性变形能力均得到提高。PPR/OMMT纳米复合材料的we和Gc具有相似的变化趋势,且Gc总是大于we。

共聚聚丙烯的交联作用对材料断裂行为的影响

采用固定引发剂(DCP)及助交联剂(DVB)配比,增加DCP/DVB用量对聚丙烯(PP)材料进行交联改性,利用EWF方法评价了材料断裂行为,并探讨了结构变化对断裂性能的影响。研究表明,不同DCP/DVB改性剂用量对PP链结构及断裂行为产生较大的影响,改性剂的加入有利于交联结构等的形成,进而限制分子链间或晶粒间的相互移动;交联结构较少时,材料的比基本断裂功We值减小,比非基本断裂功βWp有所增加;而当交联结构较多时,We值有所回升,βWp有所降低。

摩尔质量分布的双峰相对高度对聚乙烯断裂及力学性能的影响

通过熔融共混商用双峰聚乙烯和单峰聚乙烯制备一系列摩尔质量分布双峰相对高度呈连续变化的双峰聚乙烯(BPE)样品,并研究了双峰相对高度对其力学性能的影响。研究表明,此系列BPE样品的双峰相对高度的变化对拉伸强度和冲击强度影响很小。但是随着BPE中低峰相对高度的增大,基本断裂功参数we大大提高,即材料抵抗裂纹开裂能力提高;而非基本断裂功参数βwp下降很小。

PE-HD/PC/POE-g-MAH复合材料断裂性能的研究

采用基本断裂功(EWF)法评价了高密度聚乙烯(PE-HD)/聚碳酸酯(PC)/聚烯烃弹性体接枝马来酸酐(POE-g-MAH)复合材料处于平面应力与平面应变过渡状态下的断裂韧性和塑性功。研究不同PC含量对复合材料断裂行为的影响,并把宏观断裂参数的变化与复合材料的微观结构联系起来,从物质结构上寻求断裂功参数变化的原因。结果表明,随PC含量的增加,复合材料的比基本断裂功增加,比塑性功降低;复合材料的断裂韧性主要取决于屈服后材料抵抗裂纹扩展的能力,复合材料的塑性变形能力也更依赖于屈服后的行为;复合材料的缺口冲击强度随PC含量的增加而降低,缺口冲击强度高的材料比基本断裂功较小。

PE-HD/硅灰石/POE-g-MAH复合材料的断裂行为

采用基本断裂功法(EWF)评价了高密度聚乙烯(PE-HD)/硅灰石/马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)复合材料处于平面应力与平面应变过渡状态下试样的断裂行为,研究了不同硅灰石含量对复合材料断裂行为的影响。对该体系EWF方法的适用效果以及试样所处的应力状态进行了验证,用线性回归法处理数据成功得到了各断裂功参数。结果表明,随着硅灰石含量的增加,PE-HD/硅灰石/POE-g-MAH复合材料的比基本断裂功增加,比塑性功降低;复合材料的断裂韧性主要取决于屈服后材料抵抗裂纹扩展的能力,复合材料的塑性变形能力也更依赖于屈服后的行为;PE-HD/硅灰石/POE-g-MAH复合材料的缺口冲击强度随着硅灰石含量的增加而降低,缺口冲击强度高的材料比基本断裂功却较小。

高分子材料断裂力学评价方法研究进展

简要介绍了线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学和基本断裂功这3种方法的理论背景和前提假设、材料参数的试验测试方法和计算过程、试样预制裂纹对测试结果的影响以及近些年在高分子材料上的应用研究进展,并对3种研究方法的应用范围和特点,具体实用效果进行了对比分析。

聚酰亚胺无机杂化薄膜断裂韧性的研究

依据基本断裂功理论,将聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO2)无机杂化薄膜断裂功分为基本断裂功和塑性功,从断裂功与韧带长度关系得到了反映PI/SiO2断裂韧性的材料常数比基本断裂功,并通过实验,研究了不同SiO2含量对此薄膜断裂韧性参数的影响.

TGIC对PBT/POE共混复合材料断裂韧性的影响研究

利用基本断裂功和缺口冲击强度,评价了在拉伸和冲击应力作用下,异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)对聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)/乙烯-1-辛烯共聚物(POE)共混物(90/10,wt/wt)断裂韧性的影响。结果表明,当POE中填加的TGIC达到5 phr时,能够有效改善PBT和POE的界面粘接。与未填加TGIC的体系相比,其比基本断裂功提高了36%,而缺口冲击强度则提高了近47%。

断裂韧性评估的两模型比较

基于EWF方法,通过将两种材料拉伸试样比断裂总功的计算结果与拉伸测试所得结果进行对比,对目前存在的两种(三区和二区模型)用于描述断裂韧带塑性变形的理论模型进行比较。最终得出三区模型具有较高的精度更为合理的结论。

聚丙烯／聚烯烃弹性体共混组成对材料断裂行为的影响

基本断裂功（EWF）方法可用于研究韧性聚合物及增韧聚合物的断裂行为，特别适于聚合物薄片的研究，EWF方法常选用双边缺口拉伸试样进行。四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室，采用EWF方法对聚丙烯（PP）／聚烯烃弹性体（POE）共混物的注射双边缺口拉伸试样的断裂行为进行了研究，比较了不同POE含量对共混物断裂参数的影响。结果表明，纯PP和质量份数为5的POE与质量份数为100的PP的共混物都可完全满足EWF方法的要求，共混物的断裂韧性比PP有显著提高，当POE的质量份数大于10时，共混物出现明显的成颈现象而限制了EWF方法的应用。

预取向聚乳酸薄膜的力学性能

聚乳酸是一类可生物降解的环保型绿色高分子材料。通过熔体拉伸方法制备的聚乳酸薄膜有高模量、高韧性的特征,在包装领域有广泛的应用前景。研究预取向的聚乳酸薄膜的力学性能有重要的现实意义。本文采用基本断裂功法和埃林(Eyring)理论计算了样品的韧性和屈服活化能。结果发现,随着牵伸比的增加,薄膜的结晶度提升,屈服强度增加,拉伸硬化现象明显。采用基本断裂功方法研究了不同牵伸比PLA薄膜的韧性,随着牵伸比的增大,比基本断裂功逐渐增加,比非基本断裂功呈现先增加后减小的趋势。结晶度的增加抑制了内部缺陷的扩展,导致成颈-撕裂塑性功呈线性增加的趋势。慢速拉伸时,屈服破坏来自非晶区的塑性变形,屈服活化能约为13~14 kJ/mol,快速拉伸导致晶区-非晶区界面滑移,屈服活化能仅有7 kJ/mol。

全硫化超细粉末橡胶对PVC-U力学性能及形态的影响

研究了未增塑聚氯乙烯 /粉末橡胶共混物的力学性能和形态特征。研究发现 ,随粉末橡胶用量增大 ,共混物的冲击强度先有所降低然后逐渐上升。实验结果和电镜图像表明 :粉末橡胶基本粒子均匀分散的效果是影响共混物冲击韧性高低的重要因素 ;环氧化天然橡胶有促进粉末橡胶分散、改进增韧效果的作用。基本断裂功方法的研究结果表明 ,共混物的比基本断裂功随粉末橡胶用量增多而降低 ,比非基本断裂功则随之而升高 。