西南交通大學蔣晗團隊:解答高分子材料劃痕升溫的宏微觀機理

日常生活與工程應用廣泛使用各種高分子材料,難以避免的劃痕會損傷材料表面,影響其功能性與美觀性。與直覺想象不同,高分子材料劃痕過程伴隨著~100°C的劇烈升溫。經過西南交通大學蔣晗教授(https://faculty.swjtu.edu.cn/HanJIANG)“高分子材料力學性能”課題組持續研究,這一獨特現象的復雜宏微觀機理最近得到初步解答。由張建偉、蔣晗、楊卓然等撰寫的相關系列論文分別發表在摩擦學和材料力學領域老牌著名期刊Tribology International和International Journal of Solids and Structures[1-3]。

在非晶態高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯PMMA刮擦實驗中,蔣晗教授課題組研究人員利用高速紅外測溫儀觀察到與劃痕密切相關的溫升現象(Tribology International, doi:10.1016/j.triboint.2015.10.037)[1],尤其是材料表面裂紋破壞階段伴隨著劇烈的溫升(圖1)。

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圖1 PMMA材料刮擦溫升[1]

刮擦劃痕獨特的加載工況導致應力應變狀態極為復雜,材料經歷脆性與韌性變形/破壞的共存、轉化與競爭。通過在非線性彈塑性本構模型中考慮銀紋萌生準則,引入脆韌競爭轉化機制(International Journal of Solids and Structures, doi:10.1016/j.ijsolstr.2017.06.033)[2],並通過VUMAT用戶定義材料子程序嵌入有限元算法,高分子材料刮擦復雜破壞得到瞭很好的模擬實現(圖2)。

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圖2 不同刮擦深度材料銀紋破壞: a) 0.028 mm, b) 0.052 mm, c) 0.0523 mm, d) 0.064 mm. [2]

基於線彈性斷裂假設的應變能耗散較小,即使完全轉化為熱能仍然無法描述觀察到的劇烈升溫現象。大量研究表明,非晶態脆性PMMA材料的宏觀裂紋是由微觀韌性銀紋演化產生,銀紋由微纖和50-80%的孔洞組成(圖3-a)。銀紋演化可分為萌生、生長、斷裂三個階段(圖3-b)。通過宏觀本構的銀紋萌生準則作為連接宏觀裂紋與微觀銀紋的橋梁,得到銀紋激活(萌生)應力,激活應力拉拽銀紋微纖生長,最終獲得銀紋到達流動斷裂狀態的應力應變和能量耗散(International Journal of Solids and Structures, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2020.04.031)[3]。

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圖3 裂紋-銀紋演化:(a)銀紋微觀形貌(Desai et al., 2011);(b)銀紋演化過程[3]
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圖4 PMMA刮擦過程裂紋尖端溫升數值模擬[3]

利用上述方法,PMMA刮擦實驗溫升演化機理以及裂紋破壞處的劇烈溫升現象得到瞭合理描述(圖4)。從銀紋微觀機理出發建立其演化過程模型,從能量角度解釋瞭刮擦過程伴隨的劇烈溫升現象。該系列研究工作對理解非晶態脆性高分子材料的銀紋斷裂機理,描述由此導致的刮擦劇烈溫升現象,提供瞭宏觀現象與微觀機理的連接橋梁。這一研究工作得到國傢自然科學基金(11472231,11872321)資助。

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