带电粒子辐射聚醚醚酮力学行为及损伤机理研究

摘要

本文以1MeV高能电子、70keV和170keV低能质子作为辐照源，对高能电子和低能质子辐照聚醚醚酮（PEEK）的力学行为及损伤机理进行了研究。利用小角X射线散射（SAXS）和广角X射线衍射（简称WAXD）技术，原位研究了拉伸过程中高能电子辐照PEEK的微观结构演化规律。采用掠入射小角X射线散射技术（GISAXS），对经不同能量和注量质子辐照后PEEK不同深度的微观结构进行了分析，并利用DSC、EPR、FTIR及XPS等材料分析方法，对辐照前后PEEK的结晶度、自由基、基团及化学成分等进行了分析，揭示了PEEK带电粒子辐射力学行为的基本规律及损伤机理。
　　试验表明，高能电子辐照前后PEEK材料的拉伸应力-应变曲线均呈现出三个阶段的特征。电子辐照后PEEK的拉伸强度略有降低，断裂延伸率却明显降低。SAXS分析表明，电子辐照前后PEEK材料只有子午方向存在明显的散射峰，这说明该材料呈现出明显的取向性，且辐照未改变材料的取向性。电子辐照前后PEEK在拉伸过程中均未形成新晶体。通过SAXS和WAXD分析表明，对于未辐照和低辐照注量样品，拉伸变形第一阶段，以非晶区域的变形为主；变形第二阶段，以原始晶体的破碎为主；第三阶段，先是晶体破碎占主导，然后为晶体的转动为主。对于高注量辐照样品，变形第三阶段未出现晶体的转动过程。电子辐照加速了拉伸过程中晶体的破碎，这是由于高能电子辐照诱导PEEK材料中醚键发生断裂，并形成大量的交联点，从而导致力学性能下降。
　　低能质子辐照前后PEEK材料的拉伸应力-应变曲线均呈现相同的特征。低能质子辐照未影响PEEK的拉伸强度，却明显降低了断裂延伸率。GISAXS测试结果表明，低能质子辐照前后PEEK样品近表面微观结构发生明显变化。未辐照样品近表面存在明显的长周期和分层特征。随着质子辐照注量和能量增加， PEEK长周期和分层现象消失时所对应的X射线入射角减小。EPR、FTIR及XPS分析表明，低能质子辐照会使PEEK中的酮键和苯环结构发生破坏，从而导致材料近表面分子链的完整性被破坏，使得PEEK长周期和分层特征消失，造成力学性能下降。