结晶高分子材料拉伸下塑性形变及空洞化机理研究

结晶高分子材料在使用过程中往往受到外力作用，其破坏机理的研究具有重要的实际价值和理论意义。本项目拟利用同步辐射小角X射线散射技术研究结构明确结晶高分子材料在拉伸作用下的结构演化行为。通过控制制备过程获得片晶取向、片晶长周期、晶型结构等微观参数明确的样品，进而通过测量拉伸过程中样品泊松比的变化确定塑性流动与空洞化的发生条件，然后利用同步辐射小角X射线散射技术实时测量体系形变过程中的微观结构，力图找到片晶及晶型结构等微观参数的变化和空洞化的产生与发展等规律。为相关材料的实际应用提供理论支持。

通用结晶高分子材料大约占总体高分子材料的三分之二，其结晶过程中的结构调控，如晶片厚度、堆叠方式调控，不同晶型的调控等，直接决定了其力学性能。在高分子制品实际应用过程中，其受到外力发生一定的微观结构变化，表现为宏观塑性形变或应力发白（空洞化）。本项目针对这些重要科学问题，聚焦结晶高分子材料拉伸下塑性形变及空洞化机理研究，以通用塑料聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯-1及聚4甲基1戊烯为模型体系，研究内容分为两大部分：结构明确结晶高分子样品制备（结晶机理）及拉伸形变机理。在结晶机理研究方面，我们取得了如下若干重要进展：1. 研究了聚丙烯及聚丁烯-1熔体结晶的分子量依赖性，所得结果支持Strobl提出的高分子熔体结晶经由介晶相至晶相；2. 发现了丙烯／乙烯及丁烯-1／乙烯无规共聚物熔体结晶晶型选择机制，可以通过控制熔体结构实现体系特定晶型结构制备；3. 发现均聚聚丁烯-1从熔体结晶制备的亚稳晶型II到稳定晶型I转变的成核及生长动力学，为该重要聚烯烃材料应用过程中缩短库存时间提供了可靠方案。在结晶高分子拉伸形变机理方面，我们取得了系统性的认识，完整澄清了拉伸过程中结晶高分子体系微观结构演化机理。1. 拓展了理解该过程的硬片晶骨架及软非晶缠结的互穿网络模型为包括叠层片晶（球晶）间的非晶相的三相模型，解释了低结晶度样品的力学行为；2. 给出了证实微纤化过程的熔融－重结晶机理的实验证据，完整解释了结晶高分子材料塑性形变从各向同性的结构演化成高度取向微纤结构的微观过程；3. 证实了非晶相玻璃化温度以上结晶高分子样品小形变应力发白（空洞化）由上述互穿网络中影晶相骨架破裂导致，而玻璃化温度以下时拉伸则体现先在球晶间非晶区成大孔释放内应力再在晶相成小孔的两步成孔过程；4. 发现塑性形变至微纤化结束的取向体系在进一步拉伸下呈现大形变下的成孔行为（应力发白）是由高度取向的非晶网络中微纤间的系带分子断裂导致的。