微注塑成型聚丙烯及其合金的力学断裂微观机理研究

Injection molded crystalline polymer materials are often subjected to external forces in the course of utilization, and hence the study of their fracture mechanism is of great value in practical application. The purpose of the present project is to in situ study the multi-scale structural evolution of micromolded isotactic polypropylene and its high impact alloys in the process of mechanical failure using synchrotron wide, small, and ultra-small angle X-ray scattering techniques. The samples with explicit structural parameters including lamellar thickness, degree of orientation of molecular chains, crystalline modification distribution, as well as dispersed phase dimension and morphology will be precisely fabricated by controlling micromolding conditions. Afterwards, a multi-dimensional phase diagram concerning plastic deformation and cavitation is to be constructed via ultra-small angle X-ray scattering technique, and further the dependence of different mechanical failure mode on the microstructural parameters is to be elucidated. Therefore, the microscopic mechanism of macroscopic mechanical fracture being active in polymer materials will be revealed, and a structural model will be established for the enhancement of service lifetime in polymer materials, thus setting the theoretical guidance and scientific basis for the correct design, synthesis, and processing of polymer materials.

注塑成型的结晶高分子材料在使用过程中经常受到外力的作用，因此其断裂机理的研究具有重要的实际应用价值。本项目拟利用同步辐射广角、小角和超小角X射线散射技术在线研究微注塑成型的等规聚丙烯及其高抗冲合金在力学破坏过程中的多尺度结构演化规律。通过控制微注塑加工成型条件制备片晶厚度、分子链取向程度、晶型分布、分散相尺寸和形态等结构参数明确的样品，然后应用超小角X射线散射方法构建一个关于塑性形变和空洞化的多维相图，进而分别阐明不同力学破坏模式的微观结构参数依赖性，从而揭示高分子材料宏观力学断裂的微观机理，力图建立有利于提升材料服役时间的结构模型，为正确设计、合成和加工高分子材料提供理论指导和科学依据。

高分子材料在实际应用之前都需要经历成型加工过程，且在使用过程中往往受到外力的作用，从而导致制品的宏观形变和力学破坏，因此理解材料在加工过程中的结构形成及其拉伸形变和断裂的微观机理已成为高分子物理领域的一个重要课题。本项目以通用高分子材料聚丙烯和聚乙烯作为模型体系，主要研究内容包括相关材料在微注塑成型过程中的结构演化行为及其热稳定性、微注塑成型制品的微观结构分布、拉伸形变和断裂微观机制以及模压聚乙烯拉伸形变的分子机理，揭示了微注塑成型聚丙烯样品的中间相含量和分布取决于分子链取向度与冷却速率之间的相关性，建立了以模具温度和填充速率为参数的中间相形成相图，发现了聚乙烯的片晶在微注塑加工过程中出现两步生长行为，证实了分子链在熔接痕处具有最小的取向度，提出了片晶间的滑移、片晶内部小晶块的滑移和应力诱导的熔融-重结晶机理依次发生在微注塑成型聚丙烯的不同拉伸应变，阐明了熔接痕样品的随机断裂机理，明确了聚乙烯微纤化的临界应变具有拉伸温度和非晶区分子链运动能力的依赖性，这些研究成果将为定向加工高性能的高分子制品提供理论指导。