原位研究高分子材料结构与力学性能的同步辐射红外和X射线衍射显微技术

Polymer is gradually replacing the traditional materials in high technology field such as big aircraft manufacture, because of its high specific strength and easy process. However, multi-scale, inhomogeneous, nonequilibrium and complex polymer structure makes it very difficult to understand the relationship between structure and mechanical properties, and blocks the improving of performance and expanding of application. Aim at the challenge, this project plans to develop micro- mechanical measurement set-up which can be used in in-situ measurement with both synchrotron infrared microspectroscopy and micro-X ray diffraction. Taking natural rubber and carbon fiber/polyetheretherketone (CF/PEEK) composites for example, by developing in-situ micro-probe technique, we will accomplish multi-scale structure characterization with time and space resolution accompanying with mechanical properties measurement. It will directly relate the structure and its evolvement in a micro-area to mechanical properties. Both Synchrotron infrared microspectroscopy and micro-X ray diffraction have micrometer spatial resolution covering almost whole structure scale in polymer. Infrared microspectroscopy can study the spatial content distribution of molecular conformation, crystalline and amorphous, while micro-X ray diffraction can obtain crystalline information such as size, form and orientation. Through this project, we aim at establishing synchrotron-based method for the study of mesoscopic mechanics in polymer and providing more useful help for the users from polymer materials and other research field.

高分子材料由于其比强度高、易加工等优点，逐渐取代传统材料在大飞机等高技术领域的应用。但高分子材料结构的多尺度、非均匀、非平衡等复杂特点是认识结构与力学性能关系的主要难题，阻碍了其性能提升和应用拓展。针对这一挑战，本项目计划研制与同步辐射红外显微谱学和X射线微焦点衍射等实验站联用的超微型力学测试装置，以天然橡胶和聚醚醚酮碳纤维复合材料为研究案例，发展原位实时微区分析技术，在力学性能测试的同时实现时间和空间分辨的多尺度结构测试，从实验上直接将不同微区的结构及演化规律与力学性能关联。两种检测技术都具有微米空间分辨、几乎涵盖了高分子材料的主要结构尺度，其中红外显微谱学检测微区链构象、晶体和无定形的取向，微焦点X 射线衍射获取晶体结构、尺寸、取向等信息。通过本项目，力求建立研究高分子材料介观力学的同步辐射方法，更好的为高分子材料及其它材料研究领域的用户服务。

高分子材料具有比强度高、易加工等优点，在很多高技术领域逐步取代传统材料。但高分子材料结构的多尺度、非均匀、非平衡等复杂特点是认识结构与力学性能关系的主要难题，阻碍了其性能提升和应用拓展。针对这一挑战，在本项目中我们研制了与同步辐射红外显微谱学和X 射线微焦点衍射等实验站联用的超微型力学测试装置，发展原位实时微区分析技术，并利用该技术对聚乙烯、聚丙烯、全同聚1-丁烯、天然橡胶和尼龙等材料的结晶机理，以及结构和力学性能的关系进行研究。取得了以下主要成果：.1.全同聚1-丁烯的相转变研究显示:相变过程中结构在球晶的边缘存在转变的中间态可能是相转变加速的真正原因；form I相从熔体中恢复的过程主要依赖于熔体中的记忆熔体，即存在于晶体与熔体之间的部分有序的熔体，这与非经典成核的多步结晶过程是相似的。.2．获得了聚乙烯在拉伸过程中细颈前端的结晶取向分布，以及它相应的力学行为。揭示了Landau-de Gennes模型中评价聚乙烯力学性能有效的参数,可作为确定半晶聚合物力学性质一种新的通用方法。.3. 尼龙-12在单轴拉伸过程中，其取向及相转变均发生在塑性应变的阶段，显示其力学性能和内部结构演化具有高度相关性。.4. 利用原位红外显微谱学成像技术获得了等规聚丙烯薄膜单轴拉伸过程中的塑形变形行为信息，提供了塑形变形中融熔再结晶的直接证据。.5．通过对天然橡胶结构和力学性能关系的研究，揭示了拉伸过程中自发形成的层级结构是其优异的力学性能的原因。采用同步辐射X射线三维成像技术，研究了炭黑填充的天然橡胶在拉伸过程中炭黑凝聚体分布的变化，获得了炭黑凝聚体和纳米孔在橡胶基体中的三维分布，以及在拉伸过程中凝聚体的破坏和炭黑网络的破坏图像,为解释橡胶复合体系独有的Payne effect的生成机理提供了直接实验证据。.. 本项目的研究成果不仅为解决高分子材料结构与性能关系中的一些关键科学问题具有重要意义，同时发展的同步辐射原位研究方法也为高分子材料和其他材料研究领域用户提供了重要的研究手段