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高分子材料划痕升温的宏微观机理获得解答
作者:杨卓然   日期:2020-06-02     点击数:  

日常生活与工程应用广泛使用各种高分子材料,难以避免的划痕会损伤材料表面,影响其功能性与美观性。与直觉想象不同,高分子材料划痕过程伴随着~100°C的剧烈升温。经过西南交通大学蒋晗教授高分子材料力学性能”课题组持续研究,这一独特现象的复杂宏微观机理最近得到初步解答。相关系列论文分别发表在摩擦学和固体力学领域老牌著名期刊Tribology InternationalInternational Journal of Solids and Structures[1-3]

在非晶态高分子材料PMMA刮擦实验中,蒋晗教授课题组研究人员利用高速红外测温仪观察到与划痕密切相关的温升现象[1],尤其是材料表面裂纹破坏阶段伴随着剧烈的温升(图1)。

1 PMMA材料刮擦温升[1]

刮擦划痕独特的加载工况导致应力应变状态极为复杂,材料经历脆性与韧性变形/破坏的共存、转化与竞争。通过在非线性弹塑性本构模型中考虑银纹萌生准则,引入脆韧竞争转化机制[2],并通过UMAT用户定义材料子程序嵌入有限元算法,高分子材料刮擦复杂破坏得到了很好的模拟实现(图2)。

2 不同刮擦深度材料银纹破坏: a) 0.028 mm, b) 0.052 mm, c) 0.0523 mm, d) 0.064 mm. [2]

基于线弹性断裂假设的应变能耗散较小,即使完全转化为热能仍然无法描述观察到的剧烈升温现象。大量研究表明,非晶态脆性PMMA材料的宏观裂纹是由微观韧性银纹演化产生,银纹由微纤和50-80%的孔洞组成(图3-a)。银纹演化可分为萌生、生长、断裂三个阶段(图3-b)。通过宏观本构的银纹萌生准则作为连接宏观裂纹与微观银纹的桥梁,得到银纹激活(萌生)应力,激活应力拉拽银纹微纤生长,最终获得银纹到达流动断裂状态的应力应变和能量耗散。

3 裂纹-银纹演化:(a)银纹微观形貌(Desai et al., 2011);(b)银纹演化过程[3]

利用上述方法,PMMA刮擦实验温升演化机理以及裂纹破坏处的剧烈温升现象得到了合理描述(图4)。从银纹微观机理出发建立其演化过程模型,从能量角度解释了刮擦过程伴随的剧烈温升现象。该系列研究工作对理解非晶态脆性高分子材料的银纹断裂机理,描述由此导致的刮擦剧烈温升现象,提供了宏观现象与微观机理的连接桥梁。

 

4 PMMA刮擦过程裂纹尖端温升数值模拟[3]

该研究方向得到国家自然科学基金(1147223111872321)连续资助高分子材料力学性能”研究团队已在International Journal of Mechanical SciencesInternational Journal of Solids and StructuresTribology InternationalWearPolymer Testing等力学、摩擦学与高分子材料领域著名期刊上发表多篇论文。

 

相关研究内容发表情况

1. Jianwei ZHANG, Han JIANG*, Chengkai JIANG, Qian CHENG, Guozheng Kang, In-situ observation of temperature rise during scratch testing of poly (methylmethacrylate) and polycarbonate, Tribology International, v95, 1-4, 2016, doi:10.1016/j.triboint.2015.10.037

2. Han JIANG*, Jianwei ZHANG, Zhuoran YANG, Chengkai JIANG, Guozheng KANG, Modeling of competition between shear yielding and crazing in amorphous polymers’ scratch, International Journal of Solids and Structures, v124, 215-228, 2017, doi:10.1016/j.ijsolstr.2017.06.033

3. Zhuoran Yang, Zhongmeng Zhu, Chengkai Jiang, Qian Cheng, Han JIANG*, Mechanism of temperature rise due to crazing evolution during PMMA scratch, International Journal of Solids and Structures,v199,120-130,2020, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2020.04.031