胶体纳米颗粒涂层在干燥固化过程中的微观结构演化与断裂力学研究

Colloidal materials are widely used as protective and functional coatings. One disadvantage of those coatings is that they are prone to delamination and cracking during the drying process. However, this drying-induced fracture in those colloidal coatings is poorly understood and therefore limits the application of coatings and thin films based on colloidal materials. A novel microscopic mechanical testing method was developed based on modern fluorescent microscopy, enabling the direct measurement of the spatial and temporal distribution of stress and strain near the cracks. Based on this new method, we propose to further develop the multi-scale microscopic measurement method on stress and strain in coatings and interfaces; to study the dynamic mechanical properties and failure mechanism of colloidal coatings; to explore the mechanical behaviors and microstructure evolution in drying colloidal coatings. Based on the potential results of this fundamental research, we aim to obtain key material and processing parameters for controlling and reducing cracking in colloidal coatings, and therefore provide design principles for novel high-quality nanoparticle colloidal coatings.

胶体颗粒材料是一种被广泛应用于保护性和应用性涂层的材料。其一大缺陷是在干燥固化成膜过程中容易导致剥落和开裂，但目前对于其失效机理尚没有深入的理解，因而限制了胶体材料在薄膜和涂层领域的应用。申请人利用现代荧光显微成像基础，设计了对胶体涂层和界面进行微观力学测量的新型实验方法，获得了开裂失效过程中裂纹附近应力应变场随时间演化的信息。本项目拟在此新的实验方法基础上，完善涂层及界面中应力应变的多尺度显微测量方法，以此研究胶体涂层动态力学性质和失效机理，探索胶体纳米颗粒涂层在干燥固化过程中力学行为与微观结构的演化，并在此基础上掌握控制和减少开裂失效的关键材料和工艺参数，为设计高质量的新型纳米颗粒涂层提供理论指导。

胶体颗粒材料是一种被广泛应用于制备保护性和功能性涂层的材料。由胶体颗粒材料形成的涂层因为干燥固化成膜过程中容易产生内应力积累，因而导致剥落和开裂，因而限制了胶体材料在薄膜和涂层领域的应用。针对胶体颗粒涂层开裂失效机理尚不明确的问题，本项目开展了系统的实验研究。首先搭建了纳米胶体颗粒涂层显微成像系、裂纹尖端自动识别与追踪系统、裂纹尖端局部应变分析系统、显微镜原位观测温度系统，为在多尺度下研究纳米胶体颗粒涂层固化和开裂的动态过程提供了必要的实验平台。利用这些这一平台，本项目深入研究分析了裂纹扩展的规律以及裂纹宽度与膜厚的关系、裂纹尖端局部应变场、裂纹与固化线之间的关系、温度对裂纹的控制以及二元混合涂层的开裂。本项目已单组元胶体颗粒体系的干燥固化开裂研究，扩展到双组分体系开裂研究，深入探究了涂层开裂机理，并对温度控制涂层开裂进行了探究，全面系统地分析了二元混合系统对控制和减少胶体涂层干燥裂纹的作用。通过本项目的研究，进一步揭示了胶体涂层干燥固化过程中形成的颗粒网络中应力分布的规律，掌握了控制裂纹扩展动力学和路径的影响因素，获得了一些控制和减少裂纹数量的关键材料参数和工艺方法，为设计高质量的新型纳米颗粒涂层提供了一定的理论指导。