高聚物动态黏弹性与物理老化实验研究

摘要

高聚物因具有轻质高强、抗腐蚀和可设计性强等优点而广泛应用于航空航天、机械制造、建筑能源和生物工程等众多领域。高聚物是一类典型黏弹性材料，其力学性能受到温度、时间、载荷等多种环境因素的影响。高聚物因对环境条件如温度、湿度和时间有高敏感性而易发生老化现象，导致材料耐久性能下降。现今大多工程设计未考虑高聚物的流变特性，以致延迟失效事故时有发生。在实际使役环境中，高聚物常常受到动态载荷的作用。因此，研究高聚物在老化过程中的动态力学响应是非常有必要的，其不但具有理论意义，而且具有广阔的工程应用前景。本文主要研究工作及创新性成果如下: 1)概述了高聚物的动态黏弹力学行为及其影响因素，介绍了时间-温度等效原理以及时间-老化时间等效原理，分析比较了整数阶微分黏弹性本构模型和分数阶微分黏弹性本构模型的特点。 2)利用GABO EPLEXOR500N动态力学热分析仪对经不同老化时间的聚氯乙烯试样进行了不同频率水平下的温度扫描测试，确定了材料在不同老化时间te、不同载荷频率f下的玻璃化转变温度Tg，得到材料玻璃化转变温度Tg随载荷频率f和老化时间te的变化规律。试验结果表明，聚氯乙烯材料在老化时间0d～60d范围内，频率1Hz～100Hz范围内的玻璃化转变温度Tg变化范围约为67℃～77℃，且玻璃化转变温度Tg值随频率f的升高而增大，随老化时间te的增长而升高。 3)在温度Tg-60℃～Tg+10℃范围内对经不同老化时间的聚氯乙烯试样进行不同温度水平下的频率扫描测试，得到材料的储能模量E'、损耗模量E"和损耗因子tanδ随频率f和温度T的变化规律。试验结果表明，聚氯乙烯试样的储能模量E'值随频率f升高而增大，随温度T的升高而减小;损耗因子tanδ值随频率f升高而减小，随温度T的升高而增大;而测试频率f和测试温度T对损耗模量E"值的影响则较为复杂，当温度范围为15℃～65℃时，损耗模量E"值随载荷频率f的增加而减小，随温度T的升高而增大，当温度范围为70℃～85℃时，损耗模量E"值随频率f和温度T的变化则表现出与前述相反规律。 4)基于时间-老化时间等效原理，根据高聚物静态蠕变柔量计算式，创新性地提出了高聚物动态模量计算式，该计算式与实验吻合良好。以高聚物动态模量计算式为基础，引入老化时间水平移位因子和老化时间竖向移位因子，建立了不同老化时间之间聚氯乙烯材料的动态模量等量关系，并进一步讨论了测试温度对老化时间移位因子的影响，得到了老化时间移位因子计算模型，提出了一种高聚物物理老化过程中动态力学行为时间-老化时间等效性研究的新方法。此外，基于时间-温度等效原理，利用温度水平移位因子，对不同温度下聚氯乙烯材料动态黏弹性能特征参数的频率扫描曲线进行移位，得到参考老化时间下聚氯乙烯试样在宽频域内的动态黏弹性能特征参数主曲线，为高聚物长期动态力学行为的表征奠定了基础。 5)采用分数阶Kelvin模型和分数阶Zener模型对不同温度水平下聚氯乙烯材料的动态黏弹性能特征参数进行了拟合分析，得到了不同测试温度下聚氯乙烯材料的相应模型参数。拟合结果表明，在温度Tg-60℃～Tg范围内、频率0.1～100Hz范围内，分数阶Kelvin模型与试验数据吻合较好;而在宽频域10-10-1010Hz范围内，分数阶Zener模型能够较好地描述聚氯乙烯材料的动态模量随频率的变化规律。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本文的研究背景和意义

1．2 国内外的研究现状及发展趋势

1．2．1 高聚物的黏弹性研究

1．2．2 高聚物的物理老化

1．2．3 黏弹性本构理论

1．3 本文主要研究内容

2 高聚物黏弹性理论及研究方法

2．1 引言

2．2 高聚物的黏弹性力学行为

2．2．1 静态黏弹性

2．2．2 动态黏弹性

2．3 时间-温度等效原理

2．4 时间-老化时间等效原理

3 高聚物热老化过程中的动态黏弹性能实验研究

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 试样制备

3．2．2 动态黏弹性能温度谱测定

3．2．3 动态黏弹性能频率谱测定

3．3 结果与分析

3．3．1 聚氯乙烯物理老化过程中的动态黏弹性能温度谱

3．3．2 聚氯乙烯物理老化过程中的动态黏弹性能频率谱

3．3．3 时间-老化时间等效性研究

3．3．4 时间-温度等效性研究

3．4 本章小结

4 高聚物物理老化过程中的黏弹性本构关系研究

4．1 引言

4．2 经典黏弹性模型

4．2．1 基本元件

4．2．2 Maxwell模型

4．2．3 Kelvin模型

4．2．4 Zener模型

4．3 分数阶黏弹性模型

4．3．1 Abel模型

4．3．2 分数阶Maxwell模型

4．3．3 分数阶Kelvin模型

4．3．4 分数阶Zener模型

4．4 聚氯乙烯黏弹性本构模型研究

4．4．1 窄频率内聚氯乙烯黏弹性本构模型

4．4．2 宽频域内聚氯乙烯动态黏弹性本构模型

4．5 本章小结

5 总结及展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

附录A(攻读学位期间的主要学术成果)

致谢