固态高聚物的流变损伤与长期力学性能加速表征

摘要

高聚物在汽车工程、机械工程、航空航天工程等领域得到了越来越广泛的应用，人们对其力学性能和服役寿命提出了越来越高的要求，研究高聚物的流变损伤和长期力学性能对高聚物材料和结构的安全使用极为重要。基于时间-温度等效原理（TTSP）、时间-应力等效原理（TSSP）、时间-温度-应力等效原理（TTSSP）的加速表征方法是研究高聚物长期力学性能的重要手段，一直是高分子材料科学研究者和力学研究者共同关注的重要课题。本文围绕固态高聚物的流变损伤和长期力学性能的加速表征展开研究，主要研究内容和结果概述如下。　　1.研究固态高聚物的流变损伤。一方面，讨论了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）在蠕变条件下银纹损伤的应力水平相关性和时间相关性，考虑银纹损伤以PMMA低应力水平下蠕变柔量试验数据有效预测了其高应力水平下的拉伸蠕变行为。通过动态力学性能测试和光学显微观察，探讨了PMMA动载下银纹损伤演化的应变幅值相关性。研究表明，PMMA银纹损伤具有率相关性，随着加载应变率减小，银纹引发的临界应变减小，相同应变条件下试样表面银纹密度增大，银纹发展更充分；动态载荷作用下，PMMA银纹损伤具有应变幅值相关性，导致其储能模量随应变幅值的增大而下降。　　另一方面，采用声发射（AE）技术对多种加载路径下固态高聚物的损伤演化进行表征，探讨固态高聚物流变损伤过程的声发射特征，并应用概率熵评估方法对聚氯乙烯（PVC）的损伤演化规律进行分析。结果表明，PVC在多步蠕变或多步应力松弛试验中，出现“AE滞后现象”，这反映了材料的黏弹性和损伤的时间相关性；同时，对具有应变软化效应的固态高聚物，以“最大应变”来描述其声发射的“Kaiser效应”更为适合。　　2.对物理老化近32年的PMMA棒材进行单轴压缩力学性能测试和单轴压缩蠕变性能测试，并与复新样品的测试结果进行比较，探讨了长期物理老化对固态高聚物力学性能的影响。结果表明，物理老化导致PMMA的弹性模量增大，屈服应变减小，应变软化现象更明显，蠕变应变减小10%~20%。同时，采用Findley模型模拟了老化PMMA和复新PMMA中低应力水平下的短期蠕变行为，模拟结果与试验结果吻合良好。在高应力作用下，材料出现加速蠕变行为，其加速蠕变起始时间随应力的增大呈指数下降。　　3.探讨固态高聚物长期力学性能的加速表征方法，提出了一种构建材料黏弹力学性能主曲线的新方法。该方法考虑黏弹性能测试曲线间的交叠区域面积，完全基于试验数据给出了移位因子的计算表达式，所得移位因子具有唯一性，避免了现有方法的主观判断误差和拟合插值误差。采用该方法构建了三种不同材料的蠕变柔量主曲线、松弛模量主曲线和动态黏弹性能主曲线，从不同角度检验了所提方法的有效性。　　4.对材料长期力学性能试验的应变测量方法进行探讨，基于数字图像技术提出了一种实时的非接触式的长时标应变测量方法，并开发出相应的测量系统。所提方法具有“中断后可续测”、“可调整的时间间隔类型”和“自适应的随动视窗”三个显著特点，能避免测量设备因持续开机时间过长而损坏，或意外中断而导致试验失败的问题，满足了长期力学试验的应变测量的需求。最后，将该方法应用于PMMA长期蠕变测试，得到了20MPa下完整的拉伸蠕变断裂曲线，历时近31天。

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